(57)【要約】【課題】高い寸法精度を備えるガラス球の製造方法を提供することである。【解決手段】本発明にかかるガラス球の製造方法は、基板１上にガラス片２を配置し、基板１を透過し且つガラス片２に吸収される波長を有するレーザー３をガラス片２に照射しガラス片２を溶融することでガラス球４を形成する。また、本発明にかかるガラス球の製造方法では、ガラス球４の内部の任意の場所にレーザーを照射してガラス球４の内部にある空洞の位置を制御してもよい。また、基板１上にガラス片２を配置する際に、ガラス片２の近傍に球体７を配置し、レーザー３を照射してガラス球４を形成する際に、ガラス球４内に球体７を取り込むようにしてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にガラス片を配置し、
前記基板を透過し且つ前記ガラス片に吸収される波長を有するレーザーを前記ガラス片に照射し前記ガラス片を溶融することでガラス球を形成する、
ガラス球の製造方法。
【請求項２】
前記ガラス球の内部の任意の場所に前記レーザーを照射して前記ガラス球の内部にある空洞の位置を制御する、請求項１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項３】
前記基板上に前記ガラス片を配置する際に、前記ガラス片の近傍に、前記ガラス片とは異なる屈折率を備える球体を配置し、
前記レーザーを照射して前記ガラス球を形成する際に、前記ガラス球内に前記球体を取り込む、
請求項１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項４】
前記球体を前記基板上に配置する際、前記基板に形成した溝に前記球体を配置する、請求項３に記載のガラス球の製造方法。
【請求項５】
前記ガラス球はテルライトを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガラス球の製造方法。
【請求項６】
前記ガラス球は発光中心を形成する材料を含み、前記レーザーは前記発光中心を形成する材料が吸収する波長を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガラス球の製造方法。
【請求項７】
前記ガラス球は発光中心を形成する材料としてＮｄ３＋を含み、前記レーザーは前記Ｎｄ３＋が吸収する波長を有する、請求項６に記載のガラス球の製造方法。
【請求項８】
前記基板は、シリカガラス、前記レーザーの波長を吸収する元素を含まないテルライトガラス、単結晶シリコン、および金属板のうちのいずれかである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガラス球の製造方法。
【請求項９】
前記レーザーはチタンサファイアレーザーである、請求項７または８に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１０】
前記ガラス球を形成する際の前記レーザーのパワー密度は３ＭＷ／ｃｍ２以上１０ＭＷ／ｃｍ２以下である、請求項９に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１１】
前記ガラス球を形成する際の前記レーザーのパワー密度は５ＭＷ／ｃｍ２以上８ＭＷ／ｃｍ２以下である、請求項１０に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１２】
前記ガラス球の内部にある空洞の位置を制御する際の前記レーザーのパワー密度は６ＭＷ／ｃｍ２以上８ＭＷ／ｃｍ２以下である、請求項１０または１１に記載のガラス球の製造方法。
【請求項１３】
前記基板上に前記ガラス片を配置する際、
前記基板上にガラスを形成し、
前記基板上に形成されたガラスをフォトリソグラフィー技術を用いて分離する、
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のガラス球の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガラス球の製造方法に関し、特にレーザーを用いたガラス球の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学デバイスに用いられる光学材料の一つとして微小なガラス球が注目されている。微小なガラス球はレーザーに対する安定性に優れ、また高い光閉じ込め効率を有するため、光共振器、光増幅器、多波長光源、光スイッチング素子等への応用が期待されている。
【０００３】
例えば、ガラス球を光共振器として用いる場合は、数十μｍの粒径を有するガラス球をレーザーで励起する。ガラス球の屈折率が高い場合は、ガラス球内部からの発光のうち臨界角よりも小さな角度でガラス球の界面に入射した光が全反射する。そして、全反射した光はその後もガラス球内で全反射を繰り返し、位相が揃った光のみが共振状態となる。そして、全反射した際に外にしみ出た光が出力光となり、リング状の共振光がガラス球の界面付近に観測される。
【０００４】
特許文献１には、容易に光を閉じ込めることができるレーザー用の中空ガラス微小球に関する技術が開示されている。この中空ガラス微小球は、希土類元素イオンを含み、外径が２０μｍ以上、シェル厚みが０．３μｍ以上の中空ガラス微小球である。この中空ガラス微小球は、発泡剤を含むガラス粉末を電気炉や火炎中に噴霧することで作製される。
【０００５】
特許文献２には、光学レンズなどの成形に用いられるガラス球の製造方法に関する技術が開示されている。特許文献２に開示されている技術では、ルツボ内にガラス材料を入れて加熱して溶融し、この溶融ガラスをルツボ下部に設けられたノズルからガラス滴として落下させてガラス球を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１８８５４１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０３７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
微小なガラス球を光学デバイスに応用する場合は、高い寸法精度が求められる。例えば、ガラス球を光共振器として用いる場合は、光がガラス球内で全反射を繰り返して位相が揃うことで共振状態となるため、表面が滑らかで真球に近い形状のガラス球を用いる必要がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されているガラス粉末を電気炉や火炎中に噴霧することでガラス球を製造する方法や、特許文献２に開示されている溶融ガラスをルツボ下部に設けられたノズルからガラス滴として落下させてガラス球を製造する方法では、光学デバイスに応用できる寸法精度を有するガラス球を作製することが困難であるという問題がある。
【０００９】
上記課題に鑑み本発明の目的は、高い寸法精度を備えるガラス球の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にかかるガラス球の製造方法は、基板上にガラス片を配置し、前記基板を透過し且つ前記ガラス片に吸収される波長を有するレーザーを前記ガラス片に照射し前記ガラス片を溶融することでガラス球を形成する。
【００１１】
前記ガラス球の製造方法において、前記ガラス球の内部の任意の場所に前記レーザーを照射して前記ガラス球の内部にある空洞の位置を制御してもよい。
【００１２】
前記ガラス球の製造方法において、前記基板上に前記ガラス片を配置する際に、前記ガラス片の近傍に、前記ガラス片とは異なる屈折率を備える球体を配置し、前記レーザーを照射して前記ガラス球を形成する際に、前記ガラス球内に前記球体を取り込むようにしてもよい。
【００１３】
前記ガラス球の製造方法において、前記球体を前記基板上に配置する際、前記基板に形成した溝に前記球体を配置してもよい。
【００１４】
前記ガラス球の製造方法において、前記ガラス球はテルライトを含んでいてもよい。
【００１５】
前記ガラス球の製造方法において、前記ガラス球は発光中心を形成する材料を含み、前記レーザーは前記発光中心を形成する材料が吸収する波長を有していてもよい。
【００１６】
前記ガラス球の製造方法において、前記ガラス球は発光中心を形成する材料としてＮｄ３＋を含み、前記レーザーは前記Ｎｄ３＋が吸収する波長を有していてもよい。
【００１７】
前記ガラス球の製造方法において、前記基板は、シリカガラス、前記レーザーの波長を吸収する元素を含まないテルライトガラス、単結晶シリコン、および金属板のうちのいずれかであってもよい。
【００１８】
前記ガラス球の製造方法において、前記レーザーはチタンサファイアレーザーであってもよい。
【００１９】
前記ガラス球の製造方法において、前記ガラス球を形成する際の前記レーザーのパワー密度は３ＭＷ／ｃｍ２以上１０ＭＷ／ｃｍ２以下であってもよい。
【００２０】
前記ガラス球の製造方法において、前記ガラス球を形成する際の前記レーザーのパワー密度は５ＭＷ／ｃｍ２以上８ＭＷ／ｃｍ２以下であってもよい。
【００２１】
前記ガラス球の内部にある空洞の位置を制御する際の前記レーザーのパワー密度は６ＭＷ／ｃｍ２以上８ＭＷ／ｃｍ２以下であってもよい。
【００２２】
前記ガラス球の製造方法において、前記基板上に前記ガラス片を配置する際、前記基板上にガラスを形成し、前記基板上に形成されたガラスをフォトリソグラフィー技術を用いて分離してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、高い寸法精度を備えるガラス球の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図３】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図４】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図５】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図６】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図７】実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【図８】ネオジウム添加テルライトガラスの製造方法を示すフローチャートである。
【図９】各波長におけるネオジウム添加テルライトガラスの吸光係数を示す図である。
【図１０】各波長におけるネオジウム添加テルライトガラスの吸光係数を示す図であり、図９の２００〜１０００ｎｍの波長帯域を拡大した図である。
【図１１】各波長におけるテルライトガラス（ネオジウム不添加）の吸光係数を示す図である。
【図１２】（ａ）はガラス片の光学顕微鏡写真である。（ｂ）はレーザー照射により作製したガラス球の光学顕微鏡写真である。
【図１３】（ａ）は、レーザー照射により作製したガラス球のＳＥＭ写真である。（ｂ）は、レーザー照射により作製したガラス球の断面のＳＥＭ写真である。
【図１４】励起光強度とピーク強度の関係を示す図である。
【図１５】各励起光強度でのスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図である。
【００２６】
本実施の形態にかかるガラス球の製造方法では、まず図１（ａ）に示すように、基板１上にガラス片２を配置する。次に、図１（ｂ）に示すように、基板１を透過し且つガラス片２に吸収される波長を有するレーザー３をガラス片２に照射する。このように、レーザー３をガラス片２に照射することでガラス片２が溶融し、ガラス球４が形成される（図１（ｃ）参照）。
【００２７】
ガラス片２は、所定の原料を混合・溶融してガラスを作製し、このガラスを粉砕することで作製することができる。ガラス片２には、軟化点が低く（例えば、３００〜５００℃）、屈折率が高い材料を用いることが好ましい。例えば、ガラス片２には、テルライトガラスを用いることができる。テルライトガラスは主成分がＴｅＯ２であり、ガラス安定性が高く、高密度であり、軟化点が低く、酸化物系ガラスの中で可視域、赤外域において最も屈折率が高いという性質を持つ。ガラス片２の大きさは形成するガラス球４の大きさに対応しており、例えば数μｍから２００μｍ程度の大きさである。
【００２８】
テルライトガラスの組成としては、例えば、ＴｅＯ２−ＷＯ３−Ｍ２Ｏ（Ｍは１種類以上のアルカリ金属元素である。以下、同様である。）、ＴｅＯ２−ＺｎＯ−Ｍ２Ｏである。更に、これらの組成物にＬａ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくとも一つを加えてもよい。
【００２９】
また、ガラス片２には発光中心を形成する元素を添加してもよい。発光中心を形成する元素としては、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、およびＦｅを挙げることができる。
【００３０】
本実施の形態にかかるガラス球の製造方法では、レーザー３をガラス片２に照射することでガラス片２を溶融している。よって、発光中心を形成する元素が吸収する波長と、レーザー３の波長とが略一致するようにすることで、レーザー３を用いてガラス片２を溶融することができる。なお、ガラス片２に発光中心を形成する元素を添加しない場合は、ガラス片２自体がレーザー３の波長を吸収するように、ガラス片２の組成を調整するか、またはレーザー３の波長を選択する。
【００３１】
なお、本実施の形態ではテルライトガラス以外に、軟化点が低いカルコゲナイドガラスを用いてもよい。カルコゲナイドガラスは、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等のカルコゲン元素のいずれかを成分として含むガラスである。カルコゲナイドガラスを用いる場合は、例えばＨ２Ｓ雰囲気とする。
【００３２】
基板１には、ガラス片２に照射されるレーザー３を透過する材料を用いる。換言すると、基板１には、レーザー３の光を吸収しない材料を用いる。一例を挙げると、基板には、シリカガラス、レーザー３の波長を吸収する元素を含まないテルライトガラス、単結晶シリコン、金属板等を用いることができる。
【００３３】
レーザー３には、基板１を透過し且つガラス片２に吸収される波長を有するレーザーを用いる。レーザー３の光は、レンズを用いて集光した後にガラス片２に照射してもよい。レーザー３の出力は、１００ｍＷ以上３００ｍＷ以下（このときのスポット径は２μｍであり、対応するレーザーパワー密度は、３ＭＷ／ｃｍ２以上１０ＭＷ／ｃｍ２以下である）、より好ましくは１５０ｍＷ以上２５０ｍＷ以下（このときのスポット径は２μｍであり、対応するレーザーパワー密度は、５ＭＷ／ｃｍ２以上８ＭＷ／ｃｍ２以下である）とする。
【００３４】
本実施の形態にかかるガラス球の製造方法で用いられる基板１、ガラス片２、およびレーザー３の組み合わせの一例を挙げると、基板１にはシリカガラスを、ガラス片２には、ＴｅＯ２を８０ｍｏｌ％、ＷＯ３を１０ｍｏｌ％、Ｋ２Ｏを１０ｍｏｌ％含むテルライトガラスを用いることができる。また、発光中心を形成する材料としてネオジウム（Ｎｄ２Ｏ３）を用いることができる。ネオジウムは、テルライトガラス中ではＮｄ３＋として存在し、近赤外域でレーザー発振に適したエネルギー準位を形成する。このとき、レーザー３には、例えば、波長が８１０ｎｍのチタンサファイアレーザーを用いることができる。ここで、波長８１０ｎｍはＮｄ３＋の励起波長に対応している。
【００３５】
以上で説明したように、本実施の形態にかかるガラス球の製造方法では、基板１にレーザー３を透過する材料（つまり、レーザー３の照射で発熱しない材料）を用い、ガラス片２にレーザー３の光を吸収する材料（つまり、レーザー３の照射で加熱する材料）を用いている。よって、レーザー３の照射によりガラス片２のみが加熱されて溶融しガラス球４が形成される。
【００３６】
このとき、基板１は加熱されずにガラス片２のみが加熱されるため、基板１とガラス片２との間には温度差が生じる。高温の液滴と低温の固体とが接近すると、高温の液滴の内部でマランゴニ対流が起こる場合がある。本願発明者らの考察によると、基板１とガラス片２との間に温度差が生じると、溶融したガラス片２の内部で対流が起こり、基板１と溶融したガラス片２との間に空気の層が形成され、基板１と溶融したガラス片２とが接触しなくなると考えられる。つまり、溶融したガラス片２は基板１と接触しないので、溶融したガラス片２は基板１との濡れ性の影響を受けないと考えられる。このため、溶融したガラス片２は真球に近い形状を保ちながら徐々に冷却されてガラス化すると考えられる。したがって、レーザー３を照射することで形成されたガラス球４は真球に近い形状となると考えられる。
【００３７】
よって、本実施の形態にかかるガラス球の製造方法を用いることで、高い寸法精度を備えるガラス球を作製することができる。
【００３８】
次に、ガラス球を作製すると共に、ガラス球の内部にある空洞の位置を制御する方法について、図２（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板１上にガラス片２を配置する。次に、図２（ｂ）に示すように、基板１を透過し且つガラス片２に吸収される波長を有するレーザー３をガラス片２に照射する。このように、レーザー３をガラス片２に照射することでガラス片２が溶融し、ガラス球４が形成される（図１（ｃ）参照）。なお、ガラス球４を形成する条件については、図１（ａ）〜（ｃ）で説明した場合と同様である。
【００３９】
その後、図２（ｄ）に示すように、ガラス球４の内部の任意の場所にレーザー５を照射する。これにより、ガラス球４の内部にある空洞６の位置を制御することができる（図２（ｅ）参照）。ここで、レーザー５には、ガラス球４に吸収される波長を有するレーザー（典型的には、レーザー３と同一波長を有するレーザー）を用いる。ガラス球４の内部にある空洞６の位置を制御する場合は、ガラス球４の内部の任意の場所にレーザー５を照射する必要があるため、レーザー５のスポット径を小さくする必要がある。よって、レーザー５のスポット径は、ガラス球４を作製した際のレーザー３のスポット径よりも小さくすることが好ましい。換言すると、ガラス球４の内部にある空洞６の位置を制御する場合は、レーザー５の焦点を合わせて照射する。
【００４０】
なお、レーザー３を照射することでガラス球４を作製することができ、またレーザー５を照射することで空洞６の位置を制御することができるのであれば、レーザー３のスポット径とレーザー５のスポット径を同一にしてもよい。
【００４１】
例えば、レーザー５の出力は、１５０ｍＷ以上３００ｍＷ以下（このときのスポット径は２μｍであり、対応するレーザーパワー密度は、５ＭＷ／ｃｍ２以上１０ＭＷ／ｃｍ２以下である）、より好ましくは２００ｍＷ以上２５０ｍＷ以下（このときのスポット径は２μｍであり、対応するレーザーパワー密度は、６ＭＷ／ｃｍ２以上８ＭＷ／ｃｍ２以下）とする。
【００４２】
この空洞６は、レーザー５を照射する位置を制御することで、ガラス球４の任意の場所に形成することができる。また、レーザー５の出力を調整することで、任意の大きさの空洞６を形成することができる。
【００４３】
本発明者らの考察によると、空洞６が形成されるメカニズムとして次の２つが考えられる。一つ目は、ガラス片２が溶融した際に周囲の空気を巻き込むことで空洞６が形成されると考えられる。二つ目は、ガラス片２に溶解していた気体が再発泡することで空洞６が形成されると考えられる。つまり、ガラス球４にレーザー５を照射すると、レーザースポットにてＮｄが多くの光を吸収し、周囲よりもより多くの熱が発生する。このように、局所的にガラス球４が加熱されると、ガラス球４内部において温度差が生じる。その結果、ガラス球４内の液滴（溶融したガラス）が低温部へ拡散しようとするのに対して、空気がレーザースポットに集まってくる。このため、レーザー５を照射した位置（レーザースポット）に空洞６が形成されると推測される。
【００４４】
ガラス球を用いた光共振器（球状光共振器）は光閉じ込め効率が高い反面、光の導入や光の取り出しが困難である。例えば、球状光共振器に励起光を導入する方法として、テーパー部を備える光ファイバの近傍に球状光共振器を配置してカップリングさせる方法やプリズムを用いて励起光を導入する方法などがある。しかしながら、これらの方法は、特殊な装置を必要とするため装置構成が複雑になる。また、ガラス球の表面に切り込みを入れ、励起光をガラス球に直接照射して導入する方法を用いた場合は、光閉じ込め効率が低下する。
【００４５】
これに対して、本実施の形態にかかるガラス球の製造方法を用いた場合は、ガラス球４の任意の場所に空洞６を形成することができる。そして、この空洞６を備えるガラス球４に励起光を直接照射することで、球状光共振器の光閉じ込め効率を低下させることなく、励起光をガラス球４に導入することができる。本発明者らのシミュレーションによると、ガラス球４の中心よりもガラス球４の界面付近に空洞を形成することで、光閉じ込め効率を低下させることなく励起光をガラス球４に導入することができることがわかっている。
【００４６】
次に、ガラス球の内部に球体を導入する方法について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態にかかるガラス球の製造方法を説明するための図であり、ガラス球４を作製する際にガラス球４の内部に球体７を導入する方法を説明するための図である。ここで、球体７は、ガラス片２とは異なる屈折率を備える球体である。例えば、球体７は、シリカガラス、金属微粒子（例えば、金や銀）、またはアルミナ等からなる球体である。以下では、球体７をシリカガラス球７として説明する。
【００４７】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１上にガラス片２とシリカガラス球７を配置する。シリカガラス球７はガラス片２の近傍に配置する。なお、シリカガラス球７の軟化点は、ガラス片２の軟化点よりも高い。
【００４８】
次に、図３（ｂ）に示すように、基板１を透過し且つガラス片２に吸収される波長を有するレーザー３をガラス片２に照射する。このように、レーザー３をガラス片２に照射することでガラス片２が溶融し、ガラス球４が形成される。そして、ガラス球４が形成される際、ガラス片２の近傍に配置されているシリカガラス球７が溶融したガラス片に取り込まれ、ガラス球４の内部にシリカガラス球７が導入される（図３（ｃ）参照）。つまり、シリカガラス球７の軟化点はガラス片２の軟化点よりも高いため、レーザー３を照射しても溶融しない。このため、シリカガラス球７は球形を維持しながらガラス球４の内部に取り込まれる。
【００４９】
なお、図３（ａ）〜（ｃ）に示すガラス球の製造方法で用いられる基板１、ガラス片２、およびレーザー３については、図１（ａ）〜（ｃ）に示すガラス球の製造方法で用いられる基板１、ガラス片２、およびレーザー３と同様であるので重複した説明は省略する。
【００５０】
また、各々のガラス片２の近傍にシリカガラス球７を配置する際（図３（ｂ））、シリカガラス球７は球状であるため、平坦な基板１上ではシリカガラス球７が移動しやすい。このため、シリカガラス球７をガラス片２の近傍に配置することが困難となる場合がある。このような場合は、例えば図４に示すように、基板１の表面の一部に溝８を形成し、この溝８の中にシリカガラス球７を配置してもよい。溝８の形状は、例えば一辺がシリカガラス７の直径程度の長さを有する正方形や、直径がシリカガラス球７の直径程度の長さの円形とすることができる。また、溝８の深さは、ガラス片２が溶融した際にシリカガラス球７を取り込むことができるように、浅くすることが好ましい。
【００５１】
また、ガラス片２は球状ではないため、基板１が平坦であっても移動しにくい。しかし、ガラス片２が球状に近い形状であると、ガラス片２も平坦な基板１上を移動しやすくなる。このような場合は、シリカガラス球７を配置する溝８と同様に、ガラス片２を配置するための溝（不図示）を形成してもよい。このように、溝を用いてシリカガラス球７やガラス片２を基板１上で固定することで、シリカガラス球７をガラス片２の近傍に確実に配置することができ、より高い確率でガラス球４の内部にシリカガラス球７を導入することができる。
【００５２】
次に、本実施の形態にかかるガラス球の製造方法の他の例について説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態にかかるガラス球の製造方法の他の例を説明するための図である。図５（ａ）〜（ｄ）に示す方法では、基板１上にガラス片１２を配置する方法が他の方法と異なる。
【００５３】
図５（ａ）に示すように、まず基板１上にガラス１１を形成する。例えば、ガラス１１は数μｍから２００μｍ程度の厚さの膜である。次に、図５（ｂ）に示すように、基板１上に形成されたガラス１１を、フォトリソグラフィー技術を用いて個々のガラス片１２に分離する。具体的には、形成されたガラス１１上にフォトレジストを塗布してパターニングし、ガラス片１２を形成する部分のみにフォトレジストが設けられるようにする。その後、ドライエッチングやウエットエッチングを用いて、フォトレジストが設けられていない部分のガラス１１を除去する。その後、ガラス１１上に設けられているフォトレジストを除去することで、図５（ｂ）に示すように、基板１上にパターニングされたガラス片１２を形成することができる。例えば、ガラス片１２の大きさ（基板表面側からみた大きさ）は、一辺が数μｍから２００μｍ程度の長さの正方形もしくは直径数μｍから２００μｍの円板とすることができる。なお、ガラス片１２の大きさは形成するガラス球１４の大きさに対応しており、ガラス片１２の大きさを変えることで、ガラス球１４の大きさを調整することができる。
【００５４】
次に、図５（ｃ）に示すように、基板１を透過し且つガラス片１２に吸収される波長を有するレーザー１３をガラス片１２に照射する。このように、レーザー１３をガラス片１２に照射することでガラス片１２が溶融し、ガラス球１４が形成される（図５（ｄ）参照）。なお、図５（ａ）〜（ｄ）に示すガラス球の製造方法については、基板１上にパターニングされたガラス片１２を形成する点以外は、図１（ａ）〜（ｃ）に示したガラス球の製造方法と同様であるので重複した説明は省略する。つまり、基板１に用いる材料、ガラス片１２に用いる材料、および使用するレーザー１３の種類は、図１（ａ）〜（ｃ）に示したガラス球の製造方法と同様である。
【００５５】
図５（ａ）〜（ｄ）に示したガラス球の製造方法では、フォトリソグラフィー技術を用いて基板１上にパターニングされたガラス片１２を形成しているので、ガラス片１２が基板１上を移動することを抑制することができる。よって、ガラス球１４をより容易に製造することができる。また、フォトリソグラフィー技術を用いてガラス片１２を形成するので、各々のガラス片１２の大きさを均等にすることができ、大きさの揃ったガラス球を製造することができる。
【００５６】
なお、図５（ａ）〜（ｄ）に示した方法で製造されたガラス球１４についても、図２で説明した方法を用いて、ガラス球１４の内部にある空洞の位置を制御することができる。
【００５７】
次に、図６（ａ）〜（ｄ）を用いて、図５（ａ）〜（ｄ）に示したガラス球の製造方法において、ガラス球の内部にシリカガラス球を導入する方法について説明する。図６（ａ）に示すように、まず基板１上にガラス１１を形成する。例えば、ガラス１１は数μｍから２００μｍ程度の厚さの膜である。次に、図６（ｂ）に示すように、基板１上に形成されたガラス１１を、上記で説明したフォトリソグラフィー技術を用いて個々のガラス片１２に分離する。また、各々のガラス片１２の近傍にシリカガラス球１５を配置する。なお、シリカガラス球１５の軟化点は、ガラス片１２の軟化点よりも高い。
【００５８】
次に、図６（ｃ）に示すように、基板１を透過し且つガラス片１２に吸収される波長を有するレーザー１３をガラス片１２に照射する。このように、レーザー１３をガラス片１２に照射することでガラス片１２が溶融し、ガラス球１４が形成される。そして、ガラス球１４が形成される際、ガラス片１２の近傍に配置されているシリカガラス球１５が溶融したガラス片に取り込まれ、ガラス球１４の内部にシリカガラス球１５が導入される（図６（ｄ）参照）。つまり、シリカガラス球１５の軟化点はガラス片１２の軟化点よりも高いため、レーザー１３を照射しても溶融しない。このため、シリカガラス球１５は球形を維持しながらガラス球１４の内部に導入される。
【００５９】
なお、図６（ａ）〜（ｄ）に示すガラス球の製造方法で用いられる基板１、ガラス片１２、およびレーザー１３については、図１（ａ）〜（ｃ）に示したガラス球の製造方法で用いられる基板１、ガラス片２、およびレーザー３と同様であるので重複した説明は省略する。
【００６０】
また、各々のガラス片１２の近傍にシリカガラス球１５を配置する際（図６（ｂ））、シリカガラス球１５は球状であるため、平坦な基板１上ではシリカガラス球１５が移動しやすい。このため、シリカガラス球１５をガラス片１２の近傍に配置することが困難となる場合がある。このような場合は、例えば図７に示すように、各々のガラス片１２の上面の一部に溝１６を形成し、この溝１６の中にシリカガラス球１５を配置してもよい。溝１６の形状は、例えば一辺がシリカガラス１５の直径程度の長さを有する正方形や、直径がシリカガラス球１５の直径程度の長さの円形とすることができる。溝１６についても、フォトリソグラフィー技術を用いて形成することができる。
【００６１】
上記で説明したように、微小なガラス球を光学デバイスに応用する場合は、高い寸法精度が求められる。例えば、ガラス球を光共振器として用いる場合は、光がガラス球内で全反射を繰り返して位相が揃うことで共振状態となるため、表面が滑らかで真球に近い形状のガラス球を用いる必要がある。
【００６２】
しかしながら、特許文献１に開示されているガラス粉末を電気炉や火炎中に噴霧することでガラス球を製造する方法や、特許文献２に開示されている溶融ガラスをルツボ下部に設けられたノズルからガラス滴として落下させてガラス球を製造する方法では、光学デバイスに応用できる寸法精度を有するガラス球を作製することが困難であるという問題があった。
【００６３】
これに対して本実施の形態にかかるガラス球の製造方法では、基板にはレーザーを透過する材料を用い、ガラス片にはレーザーの光を吸収する材料を用いている。よって、レーザーの照射によりガラス片のみを加熱することができ、これによりガラス片を溶融してガラス球を作製することができる。このとき、基板と溶融したガラス片との間に温度差が生じるため、基板と溶融したガラス片との間には空気の層が形成される。このため、基板と溶融したガラス片とが接触しなくなり、溶融したガラス片は真球に近い形状を保ちながら徐々に冷却されてガラス化する。したがって、レーザーを照射することで形成されたガラス球は真球に近い形状となる。
【００６４】
よって、本実施の形態にかかるガラス球の製造方法を用いることで、高い寸法精度を備えるガラス球を作製することができる。
【実施例】
【００６５】
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、ネオジウム添加テルライトガラスのガラス球を作製した。発光中心を添加したテルライトガラスは高い屈折率および高い量子効率を備える。このため、テルライトガラスを用いた球状光共振器は光閉じ込め効率が高く、またレーザー発振の閾値が低いという性質を備える。また、ネオジウムはガラス中では発光中心となり、近赤外域でレーザー発振に適したエネルギー準位を形成する。
【００６６】
（テルライトガラスの作製）
図８は、ネオジウム添加テルライトガラスの製造方法を示すフローチャートである。本実施例では、溶融急冷法を用いてネオジウム添加テルライトガラスを作製した。まず、ＴｅＯ２を８０ｍｏｌ％、ＷＯ３を１０ｍｏｌ％、Ｋ２ＣＯ３を１０ｍｏｌ％含む原料に、外割でＮｄ２Ｏ３を１ｍｏｌ％添加した。このとき、ガラス換算で２０ｇとなるように各々の原料を秤量し、ビニール袋で密封後２０分間振り混ぜ乾式混合した（ステップＳ１）。そして、乾式混合後の原料を金るつぼに入れて、７００℃で３０分間、一次溶融した（ステップＳ２）。その後、一次溶融したガラスを真鍮上に流し出して急冷した（ステップＳ３）。
【００６７】
次に、急冷したガラスを粉砕し（ステップＳ４）、この粉砕したガラスを７００℃で３０分間、二次溶融した（ステップＳ５）。その後、３２５℃の徐冷炉で１時間保持し、１℃／ｍｉｎで室温まで降温して徐冷した（ステップＳ６）。徐冷温度については、一次溶融後にＤＴＡ測定を行い決定した。以降、上記の方法で作製したネオジウム添加テルライトガラスをＴＷＫＮガラスとも称す。
【００６８】
また、比較例として、ネオジウムを添加していないテルライトガラスを作製した。ネオジウムを添加していないテルライトガラスについても、図８のフローチャートに示す順序に従い作製した。つまり、ネオジウムを添加していないテルライトガラスは、ＴｅＯ２を８０ｍｏｌ％、ＷＯ３を１０ｍｏｌ％、Ｋ２Ｏを１０ｍｏｌ％含むガラスである。以降、ネオジウムを添加していないテルライトガラスをＴＷＫガラスとも称す。
【００６９】
（テルライトガラスの光物性測定）
作製したＴＷＫＮガラス、ＴＷＫガラスの光物性を評価するために吸光度測定を行った。サンプルには、両面を鏡面にした厚さ４．４５ｍｍの板状の試料を用いた。測定には紫外可視近赤外分光光度計（日本分光社製、Ｖ５７０）を用いた。測定波長は２００〜２５００ｎｍ、スキャンレートは１００ｎｍ／ｍｉｎ、データ読み取り間隔は２．０ｎｍとした。
【００７０】
図９は、ＴＷＫＮガラスの吸光度測定の結果を示す図である。また、図１０は、図９に示す測定結果のうち、２００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域を拡大した図である。図９、図１０の縦軸はサンプルの厚さで規格化して吸光係数としている。また、図１１は、ＴＷＫガラスの吸光度測定の結果を示す図である。図９〜図１１に示す測定結果から、ネオジウム（Ｎｄ２Ｏ３）を添加することで、可視域から近赤外域にかけて複数の吸収ピークが形成されることがわかった。つまり、３００ｎｍ〜９００ｎｍ帯にＮｄ３＋に由来する吸収があることがわかる。なお、以下で説明するように、ガラス球を作製する際は８１０ｎｍの吸収波長を使用したが（つまり、レーザーの波長を８０９ｎｍとした）、これ以外にも５８０ｎｍや７３０ｎｍの吸収波長を用いてガラス球を作製することも可能である。
【００７１】
また、吸光度測定に用いたサンプルと同一のサンプルを用いて屈折率の測定を行った。屈折率の測定には、プリズムカプラ（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ社製、波長６３３ｎｍ）を用いた。これは、屈折率の高いプリズムにサンプルを接触させてレーザーを入射し、モードアングルを測定することによりサンプルの屈折率を測定する装置である。屈折率を測定した結果、ＴＷＫＮガラスの屈折率は２．０５であった。シリケート系ガラスの屈折率は１．５程度であるので、これと比べるとＴＷＫＮガラスの屈折率は非常に高いといえる。
【００７２】
（ガラス球の作製）
上記のようにして作製したＴＷＫＮガラスをアルミナ製の乳鉢と乳棒を用いて粉砕し、粉砕したガラスをふるい分けして粒径５〜２０μｍ、２５〜５３μｍのガラス片を得た。そして、シリカガラス上にガラス片を配置して、レーザーを照射してガラス球を作製した。レーザーには、波長可変ＣＷ−Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーを用い、１００倍の対物レンズで集光した。このときのレーザーの波長は８０９ｎｍ、レーザー出力は１５０ｍＷとした。
【００７３】
図１２（ａ）は、レーザーを照射する前のガラス片の光学顕微鏡写真である。図１２（ｂ）は、レーザー照射により作製したガラス球の光学顕微鏡写真である。また、図１３（ａ）は、レーザー照射により作製したガラス球のＳＥＭ写真である。図１３（ｂ）は、レーザー照射により作製したガラス球の断面をＣＰ（Cross-section Polishing）法を用いて切断した断面）のＳＥＭ写真である。
【００７４】
図１２、図１３に示すように、本発明の製法を用いて作製したガラス球は真球性が高く、表面状態が非常によいため球状光共振器に適しているといえる。また、図１３（ｂ）に示すように、一部のガラス球ではガラス球４の内部に空洞６が形成された。つまり、ガラス球にレーザーを照射すると、レーザースポットにてＮｄが光を多く吸収し、周囲よりもより多くの熱が発生する。その結果、気泡がレーザースポットに集まり、レーザーを照射した位置（レーザースポット）に空洞が形成されたと推測される。この空洞は、レーザーを照射する位置を制御することで、ガラス球の任意の場所に形成することができた。
【００７５】
また、各々のレーザー出力でガラス球を作製した結果、次のような結果となった。レーザー出力が１００ｍＷの場合は、ガラス球を作製することはできたが、真球度の高いガラス球を作製するのは困難であった。レーザー出力が１５０ｍＷの場合は、真球度の高いガラス球を作製することが可能であったが、空洞の位置を制御するのが困難であった。レーザー出力が２００〜２５０ｍＷの場合は、空洞の位置を精度よく制御することができた。レーザー出力が２５０〜３００ｍＷの場合は、気泡がガラス球から離脱し、空洞の位置を制御するのが困難であった。なお、レーザー光の照射時間は数秒〜数十秒程度であった。
【００７６】
本実施例で用いたレーザーのスポット径は、２μｍであったので、レーザー出力が１００ｍＷの場合はレーザーのパワー密度は３ＭＷ／ｃｍ２、レーザー出力が１５０ｍＷの場合はレーザーのパワー密度は５ＭＷ／ｃｍ２、レーザー出力が２００ｍＷの場合はレーザーのパワー密度は６ＭＷ／ｃｍ２、レーザー出力が２５０ｍＷの場合はレーザーのパワー密度は８ＭＷ／ｃｍ２、レーザー出力が３００ｍＷの場合はレーザーのパワー密度は１０ＭＷ／ｃｍ２であった。
【００７７】
なお、シリカガラス以外の基板でガラス球を作製したところ、ＴＷＮガラス（レーザーの波長を吸収する元素を含まないテルライトガラス）、単結晶シリコン、金属板で作製可能であった。また、比較例としてＴＷＮガラスをシリカガラス基板上に配置してレーザーを照射したが、ガラス球は作製できなかった。
【００７８】
（ガラス球の光機能評価）
上記の方法を用いて作製したガラス球について、光共振特性を測定した。Ｎｄ３＋イオンは可視領域の波長０．９ｎｍ、１．０６ｎｍ、１．３２μｍ付近に蛍光を示す。この中で最も高効率である波長１．０６μｍについて測定を行った。
【００７９】
励起光源には波長可変ＣＷ−Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーを用い、１００倍の対物レンズでガラス球に集光して直接照射した。ガラス球からの発光を同じ対物レンズで集光し、回折格子（日本分光社製、ＣＴ−２５Ｃ）で分光後、ＣＣＤ（ＡＮＤＯＲ、ｉＤｕｓ  ＤＵ４０１Ａ  ＢＲＤＤ）で検出した。分光器の分解能は０．１ｎｍである。
【００８０】
ガラス球の空洞に励起光源であるレーザー（波長８１０ｎｍ）を照射し、励起光強度依存性について調べた。図１４は、励起光強度とピーク強度の関係を示す図である。また、図１５は、各励起光強度でのスペクトルを示す図である。これらの測定結果から、ガラス球のレーザー発振の閾値は４９０μＷであり、光閉じ込め効率（Ｑ値）は４．８×１０３であった。本実施例では、ガラス球の内部に空洞を設けることで、より多くの光をガラス球内に導入することができた。このように、非常に低いレーザー発振の閾値を得られたのは、空洞に対して励起光を照射することで、ガラス球の内部により多くの光を導入できたためであると考えられる。
【００８１】
入射した光は空洞の位置で反射、散乱されることで全反射条件を満たすようになる。その結果、球内部に閉じ込められ、光閉じ込め効率Ｑが高くなることで、発振閾値が低下したと考えられる。この空洞の位置とガラス球の界面との距離が短すぎると、光の周回が乱されるために光閉じ込め効率が減少する。よって、空洞の位置とガラス球の界面との距離をある程度確保することで、光の周回の妨げを抑制することができ、光閉じ込め効率の低下を抑制することができる。本発明者らのシミュレーションによると、直径１０μｍのガラス球に１μｍの空洞を形成した場合は、空洞とガラス球の界面との距離を１μｍとした場合に最も光閉じ込め効率（Ｑ値）が高くなることがわかった。
【００８２】
以上、本発明を上記実施の形態および実施例に即して説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００８３】
１  基板
２  ガラス片
３、５  レーザー
４  ガラス球
６  空洞
７  シリカガラス
８  溝
１１  ガラス
１２  ガラス片
１３  レーザー
１４  ガラス球
１５  シリカガラス
１６  溝
【図１】
2013249243.tif 000003
【図２】
2013249243.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013249243.tif 000006
【図５】
2013249243.tif 000007
【図６】
2013249243.tif 000008
【図７】
2013249243.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013249243.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2013249243.tif 000013
【図１４】
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【図１５】
2013249243.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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