(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザーパルスのレンズ系又は試料ステージの調整を行うことなく、前記レーザーパルスを試料としての透明固体内部に、１ショットで生じる永久的構造変化に対する閾値よりも小さいパルスエネルギーで、かつボイドが生成されるパルス数よりも大きく、新たなボイドが生成されるパルス数よりも小さい数のレーザーの連続照射数で照射することにより、該透明固体内部のボイドをレーザーパルスの入射方向に移動させることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
【請求項２】
請求項１記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記透明固体内部のボイドが三次元光メモリー素子のデータであることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
【請求項３】
請求項１記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記透明固体はフッ化カルシウムであることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
【請求項４】
請求項３記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーのエネルギーが５５０乃至５７０ｎＪ／パルスであることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
【請求項５】
請求項１記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記透明固体はシリカガラスであることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
【請求項６】
請求項５記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーのエネルギーが１１０乃至１３０ｎＪ／パルスであることを特徴とする透明固体内部のボイドの移動方法。
【請求項７】
請求項３又は５記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーの連続照射数が１０乃至６０回であることを特徴とする透明固体内のボイドの移動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェムト秒レーザーパルスの照射による、透明固体内部のボイド（ｖｏｉｄ）の移動方法に係り、特にレンズ系又は試料ステージの調整を行うことなく、簡便に透明固体内部のボイドを移動させることができる透明固体内部のボイドの移動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フェムト秒レーザーパルスと多種多様な物質との間の相互作用が研究されている。フェムト秒レーザーパルスを透明物質のバルク内部に集光させると、焦光点近傍の強度が高まり、永久的な構造変化が生成される。この変化は、物質プロセスや微小機械加工に応用できる。この変化の物理的メカニズムはいまだ研究中であるが、この技術は、ガラス、結晶、プラスチックを含む多種多様な透明物質の内部における、光データ記憶装置、導波路、回折格子、結合器といった三次元の光誘起構造を作成するために応用されている。
【０００３】
このように、強く集光させたフェムト秒レーザーパルスを用いることにより、バルク透明物質においてサブマイクロメーターの構造変化が生じるが、このサブマイクロメーターの損傷は、緻密な物質に取り囲まれた空隙（ｃａｖｉｔｙ) またはボイドとなって表れる。
【０００４】
本願発明者らは近年、フェムト秒レーザーパルスを用いてフォーカスレンズの集光点を移動させることによるボイドの光学的移動や、光軸上の２つのボイドを合体させることを含む実験を発表した。
【０００５】
更に、
（１）本願発明者によって提案された特願２０００−１４５９２２号があり、
（２）本願発明者によって提案された上記（１）の発明に関連した以下の発表文献が存在している。
【０００６】
（ｉ）Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  ｖｏｌ．４０８８，ｐｐ４４−４５，２０００  ＳＰＩＥと日本光学会の共催のレーザ加工シンポジウム（２０００．６）ＳＰＩＥ：Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
（ii）第６１回応用物理学会  ２０００．９
（iii ）Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ  ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２２，ｐｐ１６６９−１６７１（２０００．１１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したメモリー素子の書き換え方法においては、書き換え時のレーザー光の集光点は、ビット位置よりレーザー光の伝搬方向とは逆の方向に所定距離ずらした点に集光する。このために、試料のステージの移動、またはレンズの焦点距離の変化等、何らかの機械的な走査が必要になるといった煩わしさがあった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を除去し、フェムト秒レーザーパルスの照射に関して、装置を機械的に調整することなく、簡便に透明固体内部のボイドを移動させることができる透明固体内部のボイドの移動方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕透明固体内部のボイドの移動方法において、フェムト秒レーザーパルスのレンズ系又は試料ステージの調整を行うことなく、前記レーザーパルスを試料としての透明固体内部に、１ショットで生じる永久的構造変化に対する閾値よりも小さいパルスエネルギーで、かつボイドが生成されるパルス数よりも大きく、新たなボイドが生成されるパルス数よりも小さい数のレーザーの連続照射数で照射することにより、この透明固体内部のボイドをレーザーパルスの入射方向に移動させることを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記透明固体内部のボイドが三次元光メモリー素子のデータであることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記透明固体はフッ化カルシウムであることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーのエネルギーが５５０乃至５７０ｎＪ／パルスであることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔１〕記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記透明固体はシリカガラスであることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔５〕記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーのエネルギーが１１０乃至１３０ｎＪ／パルスであることを特徴とする。
【００１５】
〔７〕上記〔３〕又は〔５〕記載の透明固体内部のボイドの移動方法において、前記レーザーの連続照射数が１０乃至６０回であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施例を示す透明固体内部のボイドの移動のための装置の模式図である。
【００１８】
この図において、１は再生増幅したチタンサファイアレーザー、２，６は対物レンズ、３は固定されたステージ、４はそのステージ３上にセットされる試料（透明固体）、５はハロゲンランプ、７はＣＣＤカメラ、８はモニター装置である。
【００１９】
ここでは、再生増幅したチタンサファイアレーザー１からの１３０フェムト秒、波長８００ナノメートルのパルスを用いた。このレーザーパルスは、光軸（＋Ｚ方向）に沿って伝搬した。室温で試料（透明固体）４として３ミリメートル厚さのフッ化カルシウムのスライドを用いたところ、シリカガラスの場合と同様の結果が観察された。
【００２０】
バルク変形の側面からの光学顕微鏡の画像を得るために、試料４の側面を光学的に研磨した。そして、高い開口数を有する顕微鏡の対物レンズ２を用いて、直線偏光させたレーザーパルスを試料４内部に強く集光させ、局所的な構造変化または光学的損傷を生起させた。実験では開口数０．５５の対物レンズ２を用いた。
【００２１】
また、光学システムでの分散を補償するために、再生増幅したチタンサファイアレーザー１の増幅器（図示なし）に回折格子対を用いた。さらに、構造変化を見るために、ｙ−ｚ平面における損傷またはボイドの光学的画像を、透過照明による光学顕微鏡を用いて、光軸に対して垂直方向から観察した。チタンサファイアレーザー１は、繰り返し率１Ｈｚで操作した。
【００２２】
上記の装置を用いて固定したパルスエネルギーにおいて、レーザーショットの数に伴うボイドの動きを調べ、バルクのフッ化カルシウムの表面から６００μｍの深さに永久的構造変化を作製した。視覚でとらえることのできる永久的構造変化に対するエネルギー閾値は、１ショットで５７０ｎＪ／パルスであった。
【００２３】
図２は本発明の実施例の固定したパルスエネルギーにおいてレーザーショットの数に伴うボイドの動きを示す図である。
【００２４】
この図には、偏光していないハロゲンランプ５から光を照射して、ｙ−ｚ平面で観察したボイドの光学画像が示されている。フェムト秒レーザーパルスのビーム伝搬方向（＋ｚ方向）は、画像平面上において左から右とした。また、対物レンズ２に投射するエネルギーを、１ショットで生じる永久的構造変化に対する閾値よりも小さく設定した。
【００２５】
このエネルギーを、視覚的にとらえることのできる損傷（ダメージ）の閾値より低い、５５０ｎＪ／パルスに設定したところ、１ショットでは損傷は発見されず、構造変化が見られたのは５ショットの後だった。レーザーショットの数は、５ショットから２０ショットまで変化させた。１０ショットの後のボイドの光学像は暗くなり、ボイドは円形で、２μｍ径であった。レーザーショットの数が増えるにつれて、ボイドは−ｚ方向に向かって移動した。図２はボイドがｚ方向に５μｍ移動したことを示している。さらに、ボイドが移動した後の軌跡を見ると、構造変化であることを示唆している。
【００２６】
そこで、構造変化が生じる個所が、ショット数に依存することを証明するために、ショット数を増やしてみた。
【００２７】
図３は本発明にかかる構造変化が生じる領域が、パルスエネルギーが一定であるという条件で、レーザーショットの数に依存することを示す図である。
【００２８】
ここで、ショット数は１０ショットから６０ショットまで変化させた。露光時間が長くなるにつれて、ボイドが−ｚ方向に向かって動き、最初のボイドがもともと存在していた場所の近傍に別のボイドが見られた。また、６０ショットの後、最初のボイドの近傍に別のボイドが生成された。
【００２９】
さらに、構造変化が生じる領域は、−ｚ方向に伸長した。ここでも、ボイドが移動した後の軌跡を見ると、構造変化であることを示唆している。こうした移動の方向は、本願発明者によって提案された特願２０００−１４５９２２号によるものとボイドの書き換えの方向（−ｚ方向）と一致しており、ボイドを＋ｚ方向に書き換えることはできなかった。
【００３０】
１Ｈｚの繰り返し率において、連続するパルス間の時間間隔は、熱拡散の時間スケールよりずっと長い。熱により残留温度が上昇するというのは的外れである。この現象は、レーザーパルスを連続照射することで、局所的な溶解が繰り返されることによるものと考えられる。
【００３１】
変形領域の移動は、超短レーザーパルスの自己束縛と密接に関係している。現在のフォーカスレンズの開口数（ＮＡ）では、自己集束が重要な役割を担っている。なぜならば、高いピークパワーが必要であり、そのためレーザーパルスにより強い自己集束が生じるからである。超短レーザーパルスをバルク体の表面上に収束させた場合、変形が入射表面から離れた端部で始まり、レーザーショットの数が増えるのにともないこの表面方向へ成長したという報告がある。シリカガラスにおいて、フィラメントおよび屈折率変化の領域が、フェムト秒レーザーパルスによる露光時間が長くなるにつれてレーザーパルスの入射方向に移動することも観察されている。
【００３２】
本発明によれば、上記のように、フェムト秒レーザーパルスの照射に関して装置を機械的に移動させずに、フェムト秒レーザーパルスを連続照射することにより、ボイドをレーザーパルスの入射方向に５ミクロンの距離で移動させることができた。すなわち、ボイドを、フェムト秒レーザーパルスで制御することができた。
【００３３】
上記したように、レーザーショットの数が５ショットでは書き込みが出来ないが、１０ショットで書き込みが出来る。そして、５０ショットまでビットが移動する。その場合、５μｍの移動が出来た。ボイド径は２μｍ径である。また、６０ショットでは次のビットが形成される。
【００３４】
つまり、レーザ光強度に依存するが、１０ショットで書き込み、さらに追加の１０乃至３０ショットで移動を行う。
【００３５】
図４は本発明の他の実施例を示す試料としてのシリカガラス内部でのボイドの移動態様を示す図である。
【００３６】
ここでは、対物レンズの開口数（ＮＡ）は０．５５、深さ５００μｍ、書き込みエネルギー１１０ｎＪ／パルスであり、フッ化カルシウム内部でのボイドの移動のためのエネルギー５５０ｎＪ／パルスに比べると低い値となる点を除くと、その他の点はフッ化カルシウム内部でのボイドの移動態様と同様である。
【００３７】
なお、上記実施例では、数ショットで移動を行った例について説明したが、レンズ系又は試料ステージの調整を行うことなく、書き込み後、連続した１ショットで移動させることも可能である。
【００３８】
本発明は、書き換え可能な三次元光記憶装置、透明物質内部のナノ−マイクロ構造というような光学的情報処理装置や通信装置に好適である。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４１】
（Ａ）フェムト秒レーザーパルスの照射に関して装置を機械的に調整することなく、簡便にガラス内部のボイドを移動させることができる。
【００４２】
（Ｂ）書き換え可能な三次元光メモリー素子を製造することができる。微細ガラス加工分野で屈折率分布の形成と修正に応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す透明固体内部のボイドの移動のための装置の模式図である。
【図２】  本発明の実施例の固定したパルスエネルギーにおいてレーザーショットの数に伴うボイドの動きを示す図である。
【図３】  本発明にかかる構造変化が生じる領域が、パルスエネルギーが一定であるという条件で、レーザーショットの数に依存することを示す図である。
【図４】  本発明の他の実施例を示す試料としてのシリカガラス内部でのボイドの移動態様を示す図である。
【符号の説明】
１    再生増幅したチタンサファイアレーザー
２，６    対物レンズ
３    固定されたステージ
４    試料（透明固体）
５    ハロゲンランプ
７    ＣＣＤカメラ
８    モニター装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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