特許 7151033 光学素子製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-03

(45)【発行日】2022-10-12

(54)【発明の名称】光学素子製造方法

(51)【国際特許分類】

   C03B 19/00 20060101AFI20221004BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221004BHJP

   C03B 20/00 20060101ALI20221004BHJP

   C03C 17/25 20060101ALN20221004BHJP

   G02B 5/18 20060101ALN20221004BHJP

【ＦＩ】

C03B19/00 Z

B33Y10/00

C03B20/00 Z

C03C17/25 Z

G02B5/18

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018193247

(22)【出願日】2018-10-12

(65)【公開番号】P2020059634

(43)【公開日】2020-04-16

【審査請求日】2021-09-09

(73)【特許権者】

【識別番号】591114803

【氏名又は名称】公益財団法人レーザー技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100130513

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 直也

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100130177

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 弥一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100187827

【弁理士】

【氏名又は名称】赤塚 雅則

(72)【発明者】

【氏名】本越 伸二

【審査官】和瀬田 芳正

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第０３／０３７６０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００５６９１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５６３９４１３（ＵＳ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１１１６５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１６９３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７９０９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０３Ｂ １９／００

Ｃ０３Ｂ ２０／００

Ｃ０３Ｃ １７／２５

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ２９Ｃ ６４／１３５

Ｂ２９Ｃ ６７／００

Ｂ２９Ｃ ３５／０８

Ｂ８１Ｂ １／００ － ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００ － ９９／００

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ケイ素化合物を含む溶媒（１５）中の所定箇所にレーザ光（Ｂ）を照射し、その照射領域（Ｒ）において前記溶媒（１５）を硬化させ、透明体からなる硬化体（１６）を形成する工程と、
前記硬化体（１６）に対して、前記レーザ光（Ｂ）の照射領域（Ｒ）を移動させる工程と、
を含み、前記溶媒（１５）が、［－Ｏ－Ｓｉ（ＣＨ _３ ） _２ －Ｏ－］構造を含むシリコーンオイルであり、前記硬化体（１６）が、酸化ケイ素を含み、前記硬化体（１６）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。

【請求項2】

前記レーザ光（Ｂ）の波長を１０ｎｍ以上２７２ｎｍ以下の範囲内とした請求項１に記載の光学素子製造方法。

【請求項3】

前記レーザ光（Ｂ）の波長を２７２ｎｍを越え１１００ｎｍ以下の範囲内とし、このレーザ光（Ｂ）が集光されて前記照射領域（Ｒ）において多光子遷移状態となることによって前記溶媒（１５）が硬化しており、前記レーザ光（Ｂ）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（Ｂ）の波長よりも小さい請求項１に記載の光学素子製造方法。

【請求項4】

前記レーザ光（Ｂ）のパルス幅が０．１ピコ秒以上１０ピコ秒以下である請求項３に記載の光学素子製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】“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＜ＵＲＬ：https://www.kit.edu/kit/english/pi_2017_049_nature-3d-printing-of-glass-now-possible.php＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

前記構成においては、前記溶媒が、［－Ｏ－Ｓｉ（ＣＨ_３）_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。

【0011】

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ＳｉＯ_２を含むガラスを生成することができる。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【発明の効果】

【0020】

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。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】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2】図１に示す構成の要部を示す図

【図3】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

【図4】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

【発明を実施するための形態】

【0022】

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。

【0023】

レーザ装置１０として、第一実施例では、パルス発振のＮｄ：ＹＶＯ_４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。

【0024】

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。

【0025】

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（ＣＨ_３）_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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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：ＹＶＯ_４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。

【0029】

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。

【0030】

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（ＣＨ_３）_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。

【0031】

［－Ｏ－Ｓｉ（ＣＨ_３）_２－Ｏ－］_ｎ＋ｈν→ＳｉＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２
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。

【0032】

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、ＳｉＯ_２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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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：ＹＶＯ_４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。

【0040】

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：ＹＶＯ_４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。

【0041】

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、ＳｉＯ_２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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【符号の説明】

【0045】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】