この発明は、回折光学素子等の微細構造を有する光学素子を製造するための光学素子製造方法に関する。

回折光学素子等の光学素子の製造は、ガラス素材を研磨や研削によって所定形状に加工し、コーティングや化学エッチング加工を施すことによって、微細構造を形成する方法が一般的である。その加工技術には一定の限界があり、所望の微細構造を有する光学素子を製造できない場合も多い。

近年は、微細構造を有する三次元構造物を形成する技術の一つとして、三次元プリンタの開発が進められている。この三次元プリンタは、その素材として例えばプラスチックや金属が用いられるのが一般的である。プラスチックの場合、ノズルから熱可塑性の樹脂を噴射して順次積層させる方法がある。また、金属の場合、ノズルから粉末状の金属を噴射するとともに、この粉末状の金属にレーザ光を当てて焼結させつつ積層する方法がある。これに対して、光学素子の材料として一般的に用いられるガラスは適切な積層方法がなく、微細構造を有するガラス製の三次元構造体は一般的に存在しなかった。

ガラスを素材とする三次元造形法を確立すべく、例えば下記非特許文献1においては、微細粒子状の石英ガラスと少量の液状ポリマーを混ぜて混合物とし、この混合物に光を照射して、照射部分の液状ポリマーを硬化させた硬化体を形成する。そして、この硬化体を溶媒に浸漬して、未硬化の液状ポリマーを除去する。さらに、この硬化体を加熱することによって、硬化した液状ポリマーを除去するとともに、微細粒状の石英ガラスを焼結して石英ガラスからなる三次元構造体を形成する。

“3D−Printing of Glass Now Possible”[online]、2017年5月、Karlruhe institute of Technoligy、[平成30年9月25日検索]、インターネット

非特許文献1に係る構成は、石英ガラスの焼結の際に、除去したポリマーの部分に空洞が残留したり、この空洞が収縮する際にサイズ変化が生じたりすることが多く、構造体内部の完全性や寸法精度が要求される光学素子として適用することができない。

そこで、この発明は、微細構造を有する三次元立体形状の光学素子を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、ケイ素化合物を含む溶媒中の所定箇所にレーザ光を照射し、その照射領域において前記溶媒を硬化させ、透明体からなる硬化体を形成する工程と、前記硬化体に対して、前記レーザ光の照射領域を移動させる工程と、を含み、前記硬化体の連続体である3次元立体形状の光学素子を形成する光学素子製造方法を構成した。

このように、溶媒をレーザ光の照射によって硬化させるとともに、その照射領域を移動させることによって、容易に三次元立体形状の光学素子を形成することができる。しかも、レーザ光は、光学系によってその波長程度まで集光することができるため、波長程度の微細構造を形成することができる。

前記構成においては、前記溶媒が、[−O−Si(CH₃)₂−O−]構造を含むシリコーンオイルであり、前記硬化体が、酸化ケイ素を含むのが好ましい。

このシリコーンオイルを採用すると、レーザ光の照射によって、Si−O間の結合を残しつつ、Si−C間の結合、及び、C−H間の結合を切ることができ、このシリコーンオイルから速やかにSiO₂を含むガラスを生成することができる。

前記シリコーンオイルを用いる場合、前記レーザ光の波長を10nm以上272nm以下の範囲内とすることができる。

このシリコーンオイルのSi−C間の結合エネルギーは約105kcal/mol、C−H間の結合エネルギーは約81kcal/molである。波長が272nm以下のレーザ光は、約105kcal/mol以上のエネルギーを有しているため、このレーザ光の照射によって、Si−C間の結合、及び、C−H間の結合をスムーズに切ることができる。なお、波長が10nm未満のレーザ光は、レーザ装置に起因して十分な照射強度を得ることが難しくなるため好ましくない。

前記シリコーンオイルを用いる場合、前記レーザ光の波長を272nmを越え1100nm以下の範囲内とし、このレーザ光が集光されて前記照射領域において多光子遷移状態となることによって前記溶媒が硬化しており、前記レーザ光の入射方向を法線とする平面内における微細度が前記レーザ光の波長よりも小さい構成とすることもできる。

集光されたレーザ光の照射領域においては、照射領域の中心部ほどビーム強度が高く、周囲に向かうほどビーム強度が低下する分布を有している。Si−C間の結合、及び、C−H間の結合を切るためには、通常はこれらの結合エネルギーに対応する波長(例えば、Si−C間の結合を切るためには272nm以下)のレーザ光を照射する必要がある。ところが、ビーム強度がある閾値を超えると、結合エネルギーに対応する波長よりも波長の長いレーザ光で結合を切ることができる多光子遷移(多光子吸収)状態となる。

この照射領域は、最小でレーザ光の波長程度まで絞ることができるが、集光されたビーム強度がある閾値を超える領域を、その照射領域の中心部に近い領域だけとすることができる。この場合、多光子遷移状態によって溶媒が硬化する領域はレーザ光の波長よりも狭く、このレーザ光の照射によって、高い微細度を有する硬化体を形成することができる。

なお、波長が1100nmより長くなると、多光子遷移状態を得るための必要光子数が増大し(例えば5光子等)、多光子遷移状態となりにくくなるため好ましくない。

前記レーザ光の波長を272nmを越え1100nm以下の範囲内とした構成においては、前記レーザ光のパルス幅が0.1ピコ秒以上10ピコ秒以下であるのが好ましい。

パルス幅をこの範囲内とすることにより、溶媒の硬化に伴う欠陥の発生や、硬化体の過熱に伴う問題を防止することができる。パルス幅が0.1ピコ秒より短いと、トンネル効果等の他の非線形現象により、Si−O結合の切断等の欠陥を生じ得るため好ましくない。また、パルス幅が10ピコ秒より長いと、硬化体が過熱して膨張し、所望の形状を得られにくくなるため好ましくない。なお、パルス幅を1ピコ秒以上10ピコ秒以下とすると、前記欠陥の抑制の点でさらに好ましい。

この発明では、ケイ素化合物を含む溶媒中の所定箇所にレーザ光を照射し、その照射領域において前記溶媒を硬化させ、透明体からなる硬化体を形成する工程と、前記硬化体に対して、前記レーザ光の照射領域を移動させる工程と、を含み、前記硬化体の連続体である3次元立体形状の光学素子を形成する光学素子製造方法を構成した。この製造方法によると、容易に三次元立体形状の光学素子を形成することができる。しかも、レーザ光は、光学系によってその波長程度まで集光することができるため、波長程度の微細構造を形成することができる。

この発明に係る光学素子製造方法に用いられる装置の構成(第一実施例)を示す概略図

図1に示す構成の要部を示す図

図2の集光されたレーザ光のビーム断面とその断面内におけるビーム強度分布を示す図

この発明に係る光学素子製造方法に用いられる装置の構成(第二実施例)を示す概略図

この発明に係る光学素子製造方法に用いられる製造装置(第一実施例)の概略図を図1に示す。この製造装置は、レーザ装置10、照射光学系11、及び、溶媒槽12を主要な構成要素としている。

レーザ装置10として、第一実施例では、パルス発振のNd:YVO₄レーザ(パルス幅:10ピコ秒)を採用し、その第二高調波(波長:約530nm)を照射する構成とした。なお、レーザ装置10の種類はこれに限定されず、Nd:YAGレーザ等の他のレーザ装置を採用し、その第二高調波(波長:約530nm)を照射する構成とすることもできるが、波長が272nmを越え1100nm以下の範囲内とするのが好ましい。また、レーザ光のパルス幅は、適宜変更することができるが、0.1ピコ秒以上10ピコ秒以下の範囲内とするのが好ましく、1ピコ秒以上10ピコ秒以下の範囲内とするのがさらに好ましい。

照射光学系11は、第一実施例では、ミラー13とレンズ14によって構成されている。ミラー13は可動式となっており(図1中の矢印r1参照)、後述する溶媒槽12内の溶媒15のレーザ光Bによる照射領域R(図2参照)の水平方向位置を自在に調節することができる。レンズ14はレーザ光Bの光軸方向に移動可能となっており(図1中の矢印r2参照)、光軸方向の焦点位置を自在に調節することができる。ミラー13及びレンズ14を移動させるために、多軸稼動(例えば、XYZ軸稼動、又は、θ回転とrZ軸稼動)が可能な駆動系(図示せず)を採用することができる。なお、ミラー13及びレンズ14の位置や数は、レーザ装置10と溶媒槽12の位置関係等に対応して適宜変更することができる。

溶媒槽12は、上面が開口し、溶媒15で満たされた槽である。第一実施例では、溶媒15としてシリコーンオイル(信越化学製)を使用した。このシリコーンオイルは、[−O−Si(CH₃)₂−O−]構造を含んでいる。溶媒15中には、この溶媒15を硬化させた硬化体16の台座となる基板17が設けられている。第一実施例では、基板として所定形状に切断した板状のシリコンを採用しているが、この基板の種類は適宜変更することができる。図2に示すように、基板17上にレーザ光Bがほぼ焦点を結ぶように、レンズ14の位置が調節される。基板17上の照射領域Rにおけるビーム径はD1である。

なお、第一実施例では、照射光学系11のミラー13及びレンズ14の位置を移動させることによって、レーザ光Bの照射領域R及び焦点位置を調節する構成としたが、基板17を多軸稼動(例えば、XYZ軸稼動、又は、θ回転とrZ軸稼動)(図1中の矢印r3、r4参照)が可能な駆動系(図示せず)を採用することもできる。

また、第一実施例では、レーザ装置10からのレーザ光Bを集光して、基板17の表面に直接照射する構成としたが、レーザ装置10からのレーザ光Bをビームスプリッタ等の光学素子を用いて一旦分岐し、その分岐したレーザ光Bを干渉させ、その干渉光を基板17の表面に照射してもよい。このようにすると、硬化体16に所定の周期パターンを容易に形成することができる。また、レーザ光Bの光路中にアパチャーを設け、ビーム形状を所定の形状に成形してもよい。このようにすると、そのビーム形状に対応して所望の形状の溝等の構造体を形成することもできる。

この製造装置を用いた光学素子製造方法のフローについて、図1及び図2中の符号を参照しつつ説明する。この製造方法は、ケイ素化合物を含む溶媒15(ここではシリコーンオイル)中の所定箇所にレーザ光B(ここではNd:YVO₄レーザの第二高調波)、を照射し、その照射領域Rにおいて溶媒を硬化させ、透明体からなる硬化体16を形成する工程(第一工程)と、硬化体16に対して、レーザ光Bの照射領域Rを移動させる工程(第二工程)と、を主要な構成要素としている。

第一工程において集光されたレーザ光Bのビーム断面と、その断面内におけるビーム強度分布を図3に示す。集光されたレーザ光Bの照射領域Rにおいては、照射領域Rの中心部ほどビーム強度が高く、周囲に向かうほどビーム強度が低下する分布を有している。

第一実施例で用いるシリコーンオイルは、既述の通り、[−O−Si(CH₃)₂−O−]構造を含んでいる。このシリコーンオイルにレーザ光Bを照射することにより、次の反応式で示す反応が生じる。

[−O−Si(CH₃)₂−O−]_n+hν→SiO₂+H₂O+CO₂ ここで、hはプランク定数、νはレーザ光Bの振動数である。

この反応は、シリコーンオイル中のSi−C間の結合、及び、C−H間の結合を切って、SiO₂を含む硬化体16を形成する、シリコーンオイルの分解反応である。この分解反応のためには、これらの結合エネルギーに対応する波長(例えば、Si−C間の結合を切るためには272nm以下)のレーザ光Bを照射する必要がある。このため、本来は、波長が約530nmのレーザ光Bを照射しても、シリコーンオイルの分解反応を生じさせることはできない。

ところが、このビーム強度がある閾値(図3中のIth)を超えると、結合エネルギーに対応する波長よりも波長の長いレーザ光Bで結合を切ることができる多光子遷移(多光子吸収)状態となる。この多光子遷移は、例えば、Si−C結合(約272nmの光のエネルギーに対応)に波長が約530nmのレーザ光を照射した際に、2光子が同時に作用して、あたかも各光子の2倍のエネルギーをもつ1光子がシリコーンオイル中の結合に作用するようにふるまう現象である。

レーザ光Bの照射領域Rは、最小でその波長程度まで絞ることができるが(図3中に示した直径D1の範囲)、集光されたビーム強度がある閾値を超える領域は、その照射領域Rの中心部(図3中に示した直径D2の範囲)に限られる。すなわち、多光子遷移状態によって溶媒15であるシリコーンオイルが硬化する領域を、レーザ光Bの波長よりも狭くすることができ、このレーザ光Bの照射によって、波長よりも高い微細度を有する硬化体16を形成することができる。

なお、上記においては、多光子遷移として2光子遷移の場合について説明したが、例えば、波長が約800nmのレーザ光Bを照射した際に、3光子が同時に作用して、あたかも各光子の3倍のエネルギーをもつ1光子がシリコーンオイル中の結合に作用するようにふるまう3光子遷移状態となるようにしてもよい。

第二工程においては、照射光学系11(ミラー13及びレンズ14)又は基板17を駆動系によって駆動して、レーザ光Bの照射領域Rを移動させることによって、三次元立体構造を有する硬化体16を形成する。上記の第一工程と第二工程は、光学素子の最終形状や構造の積層数に対応して、必要回数だけ繰り返される。

この硬化体16には、レーザ光Bの波長と同程度かそれ以下の間隔の縞構造、凹凸構造等を形成することができる。このため、回折格子、レンズ、フォトニック結晶、メタマテリアル等の高性能光学素子を簡便に製造することができる。さらに、チップの中に複数の光学素子を組み込んだ光集積回路等の複雑な形状の光学素子も製造することができる。

シリコーンオイル中には、このシリコーンオイルから製造された光学素子に所定の光学特性を与えるために、ネオジム等の添加剤を添加することがある。紫外光等の波長の短いレーザ光Bは、この添加剤との間で相互作用しやすく、その結果、シリコーンオイルの硬化に寄与するレーザ光Bが実質的に不足し、シリコーンオイルの硬化が遅れる問題が生じ得る。これに対し、多光子遷移に採用されるレーザ光Bは、波長が比較的長いため(272nmを越え1100nm以下の範囲内)、添加剤との間で相互作用が生じにくい。このため、レーザ光Bの照射によって、シリコーンオイルを速やかに、かつ確実に硬化させることができる。

この発明に係る光学素子製造方法に用いられる製造装置(第二実施例)の概略図を図4に示す。この製造装置は、レーザ装置10、照射光学系11、及び、溶媒槽12を主要な構成要素としている点で第一実施例に係る製造装置と共通する。その一方で、レーザ装置10として、第一実施例ではNd:YVO₄レーザ(波長:約530nm(第二高調波))を採用したのに対し、第二実施例では、パルス発振のKrFレーザ装置(波長:約248nm)を採用した。以下においては、第一実施例と異なる部分を中心に説明する。

なお、レーザ装置10の種類はこれに限定されず、KrFレーザ以外のエキシマレーザ、Nd:YVO₄レーザ(波長:約265nm(第四高調波))、半導体レーザ等を採用することもできるが、波長が10nm以上272nm以下の範囲内とするのが好ましい。

波長が10nm以上272nm以下の範囲のレーザ光Bのエネルギーは、シリコーンオイル中のSi−C間、及び、C−H間の結合エネルギーよりも大きいため、これらの結合を速やかに切って、SiO₂を含む硬化体16を形成する能力を有する。このため、シリコーンオイルにレーザ光Bが照射されると、そのレーザ光Bの強度と関係なく、その照射領域R内のシリコーンオイルが全て硬化してしまう。

そこで、第二実施例では、シリコーンオイルの液面直下に基板17を配置することによって、基板17上(又は基板17上に形成された硬化体16の直上)にシリコーンオイルの薄い層が形成されるようにし、その薄い層内において硬化体16を形成するようにしている。

第二実施例においては、照射光学系11のレンズ14を省略できる場合がある。第二実施例では、集光することなくシリコーンオイルを硬化することが可能な波長のレーザ光Bを発振するレーザ装置10を採用しているため、レーザ光Bの集光が必須ではないためである。

上記の実施形態は、いずれの点においても例示に過ぎず、微細構造を有する三次元立体形状の光学素子を提供する、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、上記で説明した構成要素に、適宜変更を加えることができる。

10 レーザ装置 11 照射光学系 12 溶媒槽 13 ミラー 14 レンズ 15 溶媒 16 硬化体 17 基板 B レーザ光 R 照射領域