(57)【要約】【課題】簡易な方法及び製造工程によって複屈折領域を有するガラス材料を製造可能な方法を提供すること。【解決手段】本発明に係るガラスの製造方法においては、レーザ光をガラス材料に照射することにより、当該ガラス材料に複屈折を付与している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をガラス材料に照射することにより、当該ガラス材料に複屈折領域を形成することを特徴とするガラス材料の製造方法。
【請求項２】
前記レーザ光のパルスエネルギーの制御により、複屈折の大きさを制御することを特徴とする請求項１に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項３】
前記レーザ光のパルス数の制御により、複屈折の大きさを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光の走査方向および速度の制御により、複屈折の大きさを制御することを特徴とする請求項１，２又は３に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ光の走査により熱的な応力方向を制御し、これによって析出する結晶を配向させることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光は、１ＧＷ／ｃｍ２以上の電場強度を有することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ光は、１０ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＴＷ／ｃｍ２の電場強度を有することを特徴とする請求項６に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光のパルスエネルギーは、０．０１〜５μＪであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項９】
前記レーザ光の波長は、２５０〜２５００ｎｍであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は８に記載のガラス材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法により製造されたガラス材料。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガラス材料により成形された光学フィルタ。
【請求項１２】
請求項１０に記載のガラス材料により成形された偏光素子。
【請求項１３】
請求項１０に記載のガラス材料により成形された回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折領域を有するガラス材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光学用途に使用されているガラス材料は、等方性であり、材料の方向によって物理的特性が変化することのない材料である。ガラス材料における等方性は、ガラスを形成する原子が無秩序に配列したランダムな構造であるということに起因しており、このことは、ガラスが透明であるということからも分かる。このような等方性のガラスは、住宅用の窓ガラス、レンズ、理化学機器、食器など幅広い分野で利用されている。
【０００３】
一方、光通信や電子機器等においては、光の偏光を利用する目的で異方性材料が利用される。光の偏光を制御する素子は偏光素子（偏光子）と呼ばれる。偏光素子は、光通信や、レーザ光における光アイソレータや液晶表示光学系に幅広く使用されている。
【０００４】
偏光素子としては、偏光フィルムを利用したものが多岐にわたり使用されている。偏光フィルムを利用した偏光素子は、安価に製造できるという利点の反面、耐久性および耐熱性において問題がある。液晶プロジェクタ光学系における液晶ライトバルブにも偏光フィルムが使用される。しかしながら、近年の液晶プロジェクタのランプの照度向上に伴い、高輝度ランプが使用されることで、熱の影響で偏光フィルムが劣化する等の問題が生じる。また、偏光フィルムを利用した偏光素子は、レーザ光のアイソレータとして採用した場合、レーザ強度が増大すると、ダメージを受けやすいという問題を生じる。
【０００５】
また、デジタルカメラや液晶ディスプレイなどにおいて、干渉による像の乱れを防止する目的で位相差を形成するフィルタが挿入されている。このフィルタには水晶や雲母が使用されており比較的高価なフィルタである。また、位相差を厚みで調整しており、光の入射角度に厳しい制限が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、簡易な方法及び製造工程によって複屈折領域を有するガラス材料を製造可能な方法を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、複屈折ガラスの複屈折軸および複屈折の大きさ・リターダンス（複屈折の大きさを長さに換算したもの）を良好に制御可能な方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、簡易な方法及び製造工程によって製造可能な光学フィルタ、偏光素子、回折光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るガラスの製造方法においては、レーザ光をガラス材料に照射することにより、当該ガラス材料に複屈折を付与している。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る複屈折領域を有するガラス材料は、前記第１の態様に係る方法によって製造される。
【００１１】
本発明の第３の態様に係る光学フィルタは、上記第２の態様に係るガラス材料を用いて成形される。例えば、複屈折方向を揃えた周期構造をガラス材料内に形成することにより、光の入射方向により回折角に差異を生じる分波器や回折格子を形成することが可能となる。
【００１２】
本発明の第4の態様に係る偏光素子は、上記第２の態様に係るガラス材料を用いて成形される。例えば、ガラス材料内において周期構造における複屈折方向を揃えることにより、光の入射方向により屈折率を変化させ、これによって光アイソレータや光学ローパスフィルタなどを形成することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、ガラス材料に照射するレーザ光は、好ましくは、１ＧＷ／ｃｍ２以上の電場強度を有する。更に好ましくは、１０ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＴＷ／ｃｍ２の電場強度を有する。ここで、レーザ光の電場強度が1GW/ｃｍ２未満であると、多光子吸収を誘起することが困難であり、ガラス内部を加工することができない。一方、電場強度が１０ＴＷ/ｃｍ２以上であると、レーザ光の照射点にクラックが発生し易く、複屈折を付与することが困難となる。
【００１４】
本発明においては、レーザ光のパルスエネルギー、照射するパルス数およびレーザ光の走査方向および速度を制御することで、ガラス材料の複屈折の大きさ（リターダンス）を制御することができる。通常、複屈折の大きさは材料の厚みで制御されるが、本発明を用いることにより、屈折率を照射パルス数やレーザ光の走査速度などにより制御することが可能となる。そして、ガラス材料の屈折率を制御することにより複屈折を制御することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、レーザ光の走査方向および速度を制御することで、ガラス材料の熱適応力に起因する複屈折の方向および大きさ（リターダンス）を制御することができる。周知のように、熱応力は与えられる熱の大きさにより変化する。本発明において、ガラス材料にレーザ光を照射することにより、ガラス材料内部の分子を振動させ熱を発生させる。そして、レーザ光の走査速度を制御することにより分子の振動を変化させ、ガラス材料内部の熱応力を制御する。その結果、ガラス材料内部の熱応力に起因する複屈折を制御することが可能となる。
【００１６】
本発明においては、レーザ光の走査方向および速度を制御することで、ガラス材料中に析出する結晶子の方向性及び大きさを制御することができる。本発明によりレーザ光を走査させることにより、熱応力の方向を制御できることが可能となる。熱応力は集光点外側に大きく発生し、応力層を走査することにより、走査方向と垂直な方向への結晶成長が応力層により阻害されるものと考えられる。結晶の成長方向はレーザ光の走査方向と同じ方向にのみ成長する。このため、レーザ光の走査方向を変化させることにより、結晶の成長方向を制御することが可能となる。また、結晶の大きさは、与える熱の大きさにより変化するため、レーザ光の走査速度を変化させることにより制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
上述のように、本発明によれば、簡易な方法及び製造工程によって複屈折領域を有するガラス材料を製造可能となる。また、複屈折ガラスの複屈折軸および複屈折の大きさ・リターダンス（複屈折の大きさを長さに換算したもの）を良好に制御可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明においては、等方性物質であるガラス材料にレーザ光を照射し、複屈折領域を形成したガラス材料を得る。また、照射するレーザ光のパルスエネルギー、照射するパルス数およびレーザ光の走査方向および速度を制御することによって、複屈折軸と複屈折の大きさを制御する。すなわち、制御されたレーザ光をガラス内部に集光照射し、レーザ光に依存した方向や大きさを有する複屈折領域を形成する。このガラス材料は、複屈折を形成した領域において、入射する光の偏光軸の角度の違いにより光の透過率に差異が生じる。
【００１９】
レーザ光のパルスエネルギー、パルス数および走査方向・速度の制御により、条件に応じた熱的影響が生じるため、応力に起因する複屈折において異なる大きさの複屈折が誘起される。また、同様に条件に応じた熱的影響が生じるため、析出する結晶の数および大きさに差異が生じる。具体的には、レーザ光をガラス内部に集光照射すると、多光子吸収過程を経てガラスを形成する原子と原子の結合が切断される。このとき、切断が生じた外側の領域においては分子の振動が生じ、これが熱的要因となり高温状態が誘起される。
【００２０】
この高温部分においては、分子の移動（分相）や結晶化が誘起される。この分相や結晶析出により大きな密度変化を生じ複屈折が誘起されるものと考えられる。この分相の度合いや結晶の数および大きさは熱的影響の大きさにより変化するため、レーザ光の照射条件の制御により複屈折の大きさを制御することが可能となる。
【００２１】
また熱的応力の方向は、レーザ光の走査方向および速度により制御することが可能である。熱応力方向を制御することにより析出する結晶の配向を制御することが可能である。走査をせずに一点に照射することにより、螺旋状の結晶を析出させることも可能である。
【００２２】
また、本発明における複屈折は絞ったレーザ光の照射によりなされるため、光の回折限界近傍の大きさを有する異方性領域を形成することも可能である。ここで、レーザ光は、直径５００ｎｍ〜３ｍｍφの大きさのものを使用できる。
【００２３】
本発明が適用可能なガラス材料としては、石英ガラス、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートといった各種ケイ酸塩系ガラスの他燐酸塩系ガラスやテルライト系ガラスなど様々な系のガラスがある。
【００２４】
本発明においては、集光点において熱の発生を誘起するため、パルス幅がナノ秒（ns）以下のパルスレーザが使用可能である。好ましくは、フェムト秒(fs)レーザである。レーザ光のパルスエネルギーは、用いるガラスのガラス転移温度および使用するレーザ波長により異なるが、０．０１〜５μＪの範囲に設定することができる。また、レーザ光の波長は、ピコ秒（ps）の超短パルスを得ることが可能な範囲に設定することができる。好ましくは２５０〜２５００ｎｍである。
【００２５】
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
ZnSを添加したガラスおよびリチウム・アルミノシリケート系のガラス（以下LASガラス）の２種類のガラス材料に、波長800nm、照射パルスエネルギー1.6〜2.3μJのレーザ光を、NA0.55の対物レンズを用いて集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、走査せず2,500,000パルス照射した。照射したレーザ光の偏光は直線偏光であり、波長板を用いて制御した。
【００２６】
本発明は、多光子吸収を利用する加工法であるため、ガラスがレーザ光を吸収しない波長領域200-2500nmの範囲のレーザ光を使用することが可能となる。
【００２７】
２つのガラス材料のどちらにおいても、図１に示すように、集光点の外側に螺旋状の複屈折領域を観測した。図中に示される線は複屈折の方向を示しており、紙面に向かって左回りの渦巻きのような感じで複屈折が観察される。このことから、集光点を走査させない時、複屈折は螺旋状に形成されることが明らかとなった。
【００２８】
図２に、上記ガラスのリターダンスと照射するパルスエネルギーの関係を示す。この図から、照射するパルスエネルギーの増加によってリターダンスが増大していることがわかる。この結果より、リターダンスは制御可能であることが明らかとなった。
【００２９】
通常、複屈折は材料の厚みにより制御する。本発明を用いることにより、複屈折をレーザの照射により変化させることができ、材料の厚みを変化させる必要がない。したがって、薄板においても大きな複屈折を得ることが可能となる。
【００３０】
［実施例２］
ZnSを添加したガラスおよびAg+を添加したケイ酸塩系ガラス材料に、波長800nm、照射パルスエネルギー2.0μJのレーザ光を、NA0.55の対物レンズを用いて集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、走査せず250,000〜75,000,000パルス照射した。照射したレーザ光の偏光は直線偏光であり、波長板を用いて制御した。
【００３１】
照射領域には、実施例１と同様に螺旋状の複屈折が観測された。また、上記ガラス材料の照射パルス数とリターダンスの関係は、図３に示すように、照射パルス数の増加に伴いリターダンスが増大した。この結果より、リターダンスは制御可能であることが明らかとなった。
【００３２】
［実施例３］
LASガラスおよびAg+を添加したガラス材料に、波長800nm、照射パルスエネルギー2.0μJのレーザ光を、NA0.55の対物レンズを用いて集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、10〜1,000μm/sの速度で走査した。照射したレーザ光の偏光は直線偏光であり、波長板を用いて制御した。
【００３３】
なお、レーザ光の走査速度は、１０〜１０００μｍ／ｓが有効な速度範囲となる。走査速度が１０００μｍ／ｓより早いとレーザ光を均一に照射することが困難となる。また、１０μｍ／ｓより遅いと時間がかかりすぎてしまい実用的でない。
【００３４】
照射領域には、走査なしの場合とは異なり、図４に示すように同一方向の複屈折が観測された。このことから、集光点を走査した場合は、走査方向に依存した複屈折が形成されることが明らかとなった。なお、図４において、レーザ光は上から下に向かって走査され、複屈折はレーザ光の走査方向から４５度傾いた方向に延びていることが観察された。すなわち、図４における複屈折の方向は、概ね左下角から右上角に向かう方向となる。
【００３５】
また、上記ガラス材料の走査速度とリターダンスの関係は、図５に示すように、走査速度の増大に伴いリターダンスが減少した。リターダンスは指数関数的な減少を示しており、制御可能であることが明らかとなった。
【００３６】
上述したように、本発明を用いることにより、複屈折をレーザの照射により変化させることができ、材料の厚みを変化させる必要がない。したがって、薄板においても大きな複屈折を得ることが可能となる。
【００３７】
［実施例４］
BaO-TiO2-SiO2ガラス材料（以下BTSガラス）に、波長800nm、照射パルスエネルギー2.0μJのレーザ光を、NA0.55の対物レンズを用いて集光照射した。ステージ上に配置されたガラス材料は、2,500,000パルス照射（走査無し）と50μm/sの速度で走査により結晶を析出させた。照射したレーザ光の偏光は直線偏光であり、波長板を用いて制御した。
【００３８】
照射領域には、実施例１および３に示したように、螺旋状と同一方向の複屈折が観測された。また、この領域において図６に示すように、螺旋状および直線状に結晶が析出していた。
【００３９】
集光点を走査した試料は、図７に示すように極めて大きな偏光特性を示していた。これは、図８のように配向した結晶が析出していることに起因する。配向結晶の析出は、集光点を走査することにより同一方向の複屈折が形成していることから、熱応力が同一方向に形成しているためと考えられる。そのため、熱応力の方向に沿って結晶が配向した。
【００４０】
なお、図８において、右斜め上から左斜め下に向かって延びる白っぽい帯状領域がガラス領域であり、ガラス領域に挟まれて平行に延びる黒っぽい領域がレーザ照射領域であり、レーザ照射領域内の平行な縞模様が結晶が析出したことを表している。
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、照射するレーザ光のパルスエネルギー、照射するパルス数およびレーザ光の操作方向および速度を制御することによって、複屈折軸と複屈折の大きさを制御することが可能となる。すなわち、制御されたレーザ光をガラス内部に集光照射し、レーザ光に依存した方向や大きさを有する複屈折領域を形成することが可能となる。
【００４２】
また、ミクロン領域の加工や三次元的な加工が可能であることから、ピーク波長を変化させた周期構造を三次元的に配置した複合的回折光学素子や偏光フィルタ素子や極微小フィルタなどの形成も可能となり、デバイスの高機能化および微小化に寄与するものと考えられる。
【００４３】
本発明によって形成された螺旋状の複屈折軸構造により、複屈折を解消することに使用でき、所謂偏光解消フィルタとして使用可能である。また、直線上の複屈折軸構造により、複屈折と回折を利用した光アイソレータや光学ローパスフィルタを形成することが可能となる。
【００４４】
複屈折の大きさは、用途に応じて大きく異なることがある。本発明によれば、例えば、ミクロン領域の加工や三次元的な加工が可能であり、ピーク波長を変化させた周期構造を三次元的に配置した複合的回折光学素子や微小光アイソレータなどを形成することできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明に係る方法によりＬＡＳ系ガラスにレーザ光を走査なしで照射したときのレーザ照射領域の複屈折を示す写真であり、螺旋状の複屈折が観察できる。
【図２】図２は、本発明に係る方法により照射するパルスエネルギーとリターダンスの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明に係る方法により照射するパルス数とリターダンスの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明に係る方法によりＡｇ＋系添加ガラスに対して走査しながらレーザ照射したときのレーザ照射領域の複屈折を示す写真であり、直線状の複屈折が観察できる。
【図５】図５は、本発明に係る方法により照射するレーザ光の走査速度とリターダンスの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施例４に係る方法によって得られる結晶を示す写真である。
【図７】図７は、本発明の実施例４に係る方法によって得られる結晶領域の偏光顕微鏡像を示す写真である。
【図８】図８は、本発明の実施例４に係る方法によって得られる結晶の配向析出を示すＳＥＭ写真である。
【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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