JP2000056112A - ３次元的回折光学素子及びその製造方法 - Google Patents
３次元的回折光学素子及びその製造方法Info
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- JP2000056112A JP2000056112A JP10218934A JP21893498A JP2000056112A JP 2000056112 A JP2000056112 A JP 2000056112A JP 10218934 A JP10218934 A JP 10218934A JP 21893498 A JP21893498 A JP 21893498A JP 2000056112 A JP2000056112 A JP 2000056112A
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- optical element
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- optical
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- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
- G03H1/08—Synthesising holograms, i.e. holograms synthesized from objects or objects from holograms
- G03H1/0891—Processes or apparatus adapted to convert digital holographic data into a hologram
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- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 永続的屈折率変化を３次元的に分布させ、高
性能を有する回折光学素子を光学ガラス中に作製するこ
とができる３次元的回折光学素子及びその製造方法を提
供する。 【解決手段】 光学ガラス１への１ナノ秒から１フェム
ト秒のパルス幅を持つ、波長２００ｎｍから２０００ｎ
ｍの超短パルスレーザー光１１の多光子吸収による永続
的屈折率変化または光学損傷を利用して、前記光学ガラ
ス１中に書き込まれる、３次元的な屈折率分布１３とし
ての３次元回折格子２を生成させる。
性能を有する回折光学素子を光学ガラス中に作製するこ
とができる３次元的回折光学素子及びその製造方法を提
供する。 【解決手段】 光学ガラス１への１ナノ秒から１フェム
ト秒のパルス幅を持つ、波長２００ｎｍから２０００ｎ
ｍの超短パルスレーザー光１１の多光子吸収による永続
的屈折率変化または光学損傷を利用して、前記光学ガラ
ス１中に書き込まれる、３次元的な屈折率分布１３とし
ての３次元回折格子２を生成させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、３次元的回折光学
素子及びその製造方法に係り、特に超短パルスレーザー
光加工によるガラス中の３次元的回折光学素子及びその
製造方法に関するものである。
素子及びその製造方法に係り、特に超短パルスレーザー
光加工によるガラス中の３次元的回折光学素子及びその
製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、計算機でもって、２次元平面上に
振幅または位相物パターンを描くことにより、回折場に
任意の振幅または強度分布を得ることができる回折光学
素子の利用が進んでいる。この回折光学素子は、今まで
の光学素子にない多様性を有しており、ＣＤのピックア
ップ光学系など様々な方面に応用されている。
振幅または位相物パターンを描くことにより、回折場に
任意の振幅または強度分布を得ることができる回折光学
素子の利用が進んでいる。この回折光学素子は、今まで
の光学素子にない多様性を有しており、ＣＤのピックア
ップ光学系など様々な方面に応用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うな従来の回折光学素子は、全てが２次元平面または曲
面上に展開されているため、その自由度が低い。また、
色収差の補正ができない。さらに、回折効率が低い。ま
た、特定の点と点をつなぐ信号経路を構成することがで
きないなどといった問題があった。
うな従来の回折光学素子は、全てが２次元平面または曲
面上に展開されているため、その自由度が低い。また、
色収差の補正ができない。さらに、回折効率が低い。ま
た、特定の点と点をつなぐ信号経路を構成することがで
きないなどといった問題があった。
【０００４】そして、これら回折光学素子の加工は、平
面または曲線上に限られているために、自ずとその性能
に限界がある。少なくとも、一つの平面上に書かれた回
折光学素子の波長依存性を取り除くことは不可能であ
る。この点、３次元的構造を持つ回折光学素子の場合
は、回折効率１００％を達成することは容易である。更
に、３次元の自由度を利用して、色収差を含む様々な収
差の少ない光学素子を作製することができる。
面または曲線上に限られているために、自ずとその性能
に限界がある。少なくとも、一つの平面上に書かれた回
折光学素子の波長依存性を取り除くことは不可能であ
る。この点、３次元的構造を持つ回折光学素子の場合
は、回折効率１００％を達成することは容易である。更
に、３次元の自由度を利用して、色収差を含む様々な収
差の少ない光学素子を作製することができる。
【０００５】電磁エネルギーの空間的な集中は、光加工
の基本であるが、光源に超短パルスレーザー光などを用
い、パワー密度の時間的空間的な集中によって、非線形
効果の利用が可能となる。また、光学ガラス中への超短
レーザーパルス光の照射による永続的屈折率変化を利用
して、光メモリのビットの書き込みや直線導波路の書き
込みの例がすでに報告されている（レーザー研究、第２
６巻第２号、Ｐ．１５０〜１５４『超短パルスレーザー
によるガラス内部の光誘起屈折率変化』、１９９８年２
月）。
の基本であるが、光源に超短パルスレーザー光などを用
い、パワー密度の時間的空間的な集中によって、非線形
効果の利用が可能となる。また、光学ガラス中への超短
レーザーパルス光の照射による永続的屈折率変化を利用
して、光メモリのビットの書き込みや直線導波路の書き
込みの例がすでに報告されている（レーザー研究、第２
６巻第２号、Ｐ．１５０〜１５４『超短パルスレーザー
によるガラス内部の光誘起屈折率変化』、１９９８年２
月）。
【０００６】本発明は、このような先行技術を発展さ
せ、永続的屈折率変化を３次元的に分布させ、高性能を
有する回折光学素子を光学ガラス中に作製することがで
きる３次元的回折光学素子及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
せ、永続的屈折率変化を３次元的に分布させ、高性能を
有する回折光学素子を光学ガラス中に作製することがで
きる３次元的回折光学素子及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
【０００７】
【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〕３次元的回折光学素子において、光学ガラスへの
１ナノ秒から１フェムト秒のパルス幅を持つ、波長２０
０ｎｍから２０００ｎｍの超短パルスレーザー光の多光
子吸収による永続的屈折率変化または光学損傷を利用し
て、前記光学ガラス中に書き込まれる、３次元的な屈折
率分布を有するようにしたものである。
成するために、 〔１〕３次元的回折光学素子において、光学ガラスへの
１ナノ秒から１フェムト秒のパルス幅を持つ、波長２０
０ｎｍから２０００ｎｍの超短パルスレーザー光の多光
子吸収による永続的屈折率変化または光学損傷を利用し
て、前記光学ガラス中に書き込まれる、３次元的な屈折
率分布を有するようにしたものである。
【０００８】〔２〕上記〔１〕記載の３次元的回折光学
素子において、前記光学ガラスは、シリカガラスであ
る。 〔３〕上記〔１〕記載の３次元的回折光学素子におい
て、前記シリカガラスに水素ガスを含有させてなるもの
である。 〔４〕上記〔１〕記載の３次元的回折光学素子におい
て、前記光学ガラスは、耐破損性のソーダガラスであ
る。
素子において、前記光学ガラスは、シリカガラスであ
る。 〔３〕上記〔１〕記載の３次元的回折光学素子におい
て、前記シリカガラスに水素ガスを含有させてなるもの
である。 〔４〕上記〔１〕記載の３次元的回折光学素子におい
て、前記光学ガラスは、耐破損性のソーダガラスであ
る。
【０００９】〔５〕上記〔１〕記載の３次元的回折光学
素子において、前記光学ガラスは、光学プラスチックス
である。 〔６〕上記〔５〕記載の３次元的回折光学素子におい
て、前記光学プラスチックスはアクリルである。 〔７〕３次元的回折光学素子の製造方法において、光学
ガラスに、１ナノ秒から１フェムト秒のパルス幅を持
つ、波長２００ｎｍから２０００ｎｍの超短パルスレー
ザー光を照射し、前記光学ガラスに前記超短パルスレー
ザー光の多光子吸収による永続的屈折率変化または光学
損傷を生じさせ、前記光学ガラス中に書き込まれる、３
次元的な屈折率分布を生成させるようにしたものであ
る。
素子において、前記光学ガラスは、光学プラスチックス
である。 〔６〕上記〔５〕記載の３次元的回折光学素子におい
て、前記光学プラスチックスはアクリルである。 〔７〕３次元的回折光学素子の製造方法において、光学
ガラスに、１ナノ秒から１フェムト秒のパルス幅を持
つ、波長２００ｎｍから２０００ｎｍの超短パルスレー
ザー光を照射し、前記光学ガラスに前記超短パルスレー
ザー光の多光子吸収による永続的屈折率変化または光学
損傷を生じさせ、前記光学ガラス中に書き込まれる、３
次元的な屈折率分布を生成させるようにしたものであ
る。
【００１０】〔８〕上記〔７〕記載の３次元的回折光学
素子の製造方法において、前記超短パルスレーザー光を
走査により、前記光学ガラス中に書き込まれる、３次元
的な屈折率分布を生成させるようにしたものである。
素子の製造方法において、前記超短パルスレーザー光を
走査により、前記光学ガラス中に書き込まれる、３次元
的な屈折率分布を生成させるようにしたものである。
〔９〕上記〔７〕記載の３次元的回折光学素子の製造方
法において、前記３次元的な屈折率分布が、ブラッグ回
折格子である。
法において、前記３次元的な屈折率分布が、ブラッグ回
折格子である。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明は、１ナノ乃至１フェムト秒のパル
ス幅を有し、波長２００ｎｍ乃至２０００ｎｍの超短パ
ルスレーザー光を、シリカガラス、ソーダガラス、アク
リルなどの光学プラスチックスなど、透明な光学ガラス
中に集光し、多光子吸収により永続的屈折率の変化また
は光学損傷を発生させることにより、光学ガラス内にブ
ラッグ回折格子などのような３次元的に屈折率が分布し
ている回折光学素子を作製するものである。
て説明する。本発明は、１ナノ乃至１フェムト秒のパル
ス幅を有し、波長２００ｎｍ乃至２０００ｎｍの超短パ
ルスレーザー光を、シリカガラス、ソーダガラス、アク
リルなどの光学プラスチックスなど、透明な光学ガラス
中に集光し、多光子吸収により永続的屈折率の変化また
は光学損傷を発生させることにより、光学ガラス内にブ
ラッグ回折格子などのような３次元的に屈折率が分布し
ている回折光学素子を作製するものである。
【００１２】図１は本発明にかかる３次元的回折光学素
子の製造方法を示す模式図である。この図において、１
はバルクとしての光学ガラス、２はその光学ガラス中に
書き込まれる、３次元的な屈折率分布としての３次元回
折格子である。ここでは、１ナノ乃至１フェムト秒のパ
ルス幅を有し、波長２００ｎｍ乃至２０００ｎｍの超短
パルスレーザー光１１を集光レンズ１２を介して光学ガ
ラス１に照射し、この超短パルスレーザー光１１の多光
子吸収による永続的屈折率変化または光学損傷を利用し
て、光学ガラス１中に書き込まれる、３次元的な屈折率
分布１３を生成させる。なお、図１において、１４はビ
ーム（レンズ）のラスタ走査を示している。
子の製造方法を示す模式図である。この図において、１
はバルクとしての光学ガラス、２はその光学ガラス中に
書き込まれる、３次元的な屈折率分布としての３次元回
折格子である。ここでは、１ナノ乃至１フェムト秒のパ
ルス幅を有し、波長２００ｎｍ乃至２０００ｎｍの超短
パルスレーザー光１１を集光レンズ１２を介して光学ガ
ラス１に照射し、この超短パルスレーザー光１１の多光
子吸収による永続的屈折率変化または光学損傷を利用し
て、光学ガラス１中に書き込まれる、３次元的な屈折率
分布１３を生成させる。なお、図１において、１４はビ
ーム（レンズ）のラスタ走査を示している。
【００１３】〔実施例１〕シリカガラス中に波長８００
ｎｍ、０．１ピコ秒、１ミリジュールの増幅されたチタ
ンサファイヤレーザーパルスを集光し、集光点を走査す
ることにより、縦横１ｍｍ、３ミクロン周期、奥行き約
３０ミクロンの規則的なブラッグ回折格子を作製した。
ｎｍ、０．１ピコ秒、１ミリジュールの増幅されたチタ
ンサファイヤレーザーパルスを集光し、集光点を走査す
ることにより、縦横１ｍｍ、３ミクロン周期、奥行き約
３０ミクロンの規則的なブラッグ回折格子を作製した。
【００１４】この実施例では、奥行き方向の走査は行わ
なかったが、奥行き方向に走査すれば、より厚みのある
３次元回折格子の製作が可能になる。また、曲線的な走
査を行えば、レンズの機能を付加することも可能であ
る。このようにして、作製された３次元的回折光学素子
の３次的回折格子２を、図２に示すように、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザー光２１で照射すると、体積型回折格子の特徴で
ある非対称な回折現象を確認することができた。なお、
図２において、２２は回折光、２３は非回折光である。
なかったが、奥行き方向に走査すれば、より厚みのある
３次元回折格子の製作が可能になる。また、曲線的な走
査を行えば、レンズの機能を付加することも可能であ
る。このようにして、作製された３次元的回折光学素子
の３次的回折格子２を、図２に示すように、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザー光２１で照射すると、体積型回折格子の特徴で
ある非対称な回折現象を確認することができた。なお、
図２において、２２は回折光、２３は非回折光である。
【００１５】まだ、回折効率は低く、現在のところは数
％であるが、レーザー光強度、書き込み条件、走査の方
法の最適化により、１００％の回折効率を達成すること
が原理的に可能である。このように、この実施例によれ
ば、体積型回折格子の特徴である非対称な回折現像と高
い回折効率を得ることができる。
％であるが、レーザー光強度、書き込み条件、走査の方
法の最適化により、１００％の回折効率を達成すること
が原理的に可能である。このように、この実施例によれ
ば、体積型回折格子の特徴である非対称な回折現像と高
い回折効率を得ることができる。
【００１６】現在のところは、回折効率は数％である
が、既に述べているように、多少の工夫によって、１０
０％の回折効率を達成することが、可能である。なお、
シリカガラス中に水素ガスを含有させることにより、超
短レーザー光の書き込み感度の向上を図ることができ
る。 〔実施例２〕光学ガラスとして、耐破損性のソータガラ
スの場合は、学術雑誌報告等においても、数ミクロム径
のスポットを多数書き込む例が示されており、それへの
適用も考えられる。
が、既に述べているように、多少の工夫によって、１０
０％の回折効率を達成することが、可能である。なお、
シリカガラス中に水素ガスを含有させることにより、超
短レーザー光の書き込み感度の向上を図ることができ
る。 〔実施例２〕光学ガラスとして、耐破損性のソータガラ
スの場合は、学術雑誌報告等においても、数ミクロム径
のスポットを多数書き込む例が示されており、それへの
適用も考えられる。
【００１７】〔実施例３〕光学ガラスとして、アクリル
などの光学プラスチックスの場合は、１９７０年代の学
会報告においても、導波路と体積型回折格子の書き込み
の例が示されており、それへの適用も考えられる。上記
したように、この３次元的回折光学素子の製造方法によ
れば、３次元的な屈折率分布を創り出すことができ、こ
の自由度により、例えば、計算機で設計された任意形状
の３次元ブラッグ回折格子の作製が可能である。換言す
れば、３次元の空間を用いる本発明の回折素子では、こ
の自由度は、３次元空間そのものの自由度を持つ。その
点、レンズの自由度は、表面の曲面、つまり、球面に限
られる。
などの光学プラスチックスの場合は、１９７０年代の学
会報告においても、導波路と体積型回折格子の書き込み
の例が示されており、それへの適用も考えられる。上記
したように、この３次元的回折光学素子の製造方法によ
れば、３次元的な屈折率分布を創り出すことができ、こ
の自由度により、例えば、計算機で設計された任意形状
の３次元ブラッグ回折格子の作製が可能である。換言す
れば、３次元の空間を用いる本発明の回折素子では、こ
の自由度は、３次元空間そのものの自由度を持つ。その
点、レンズの自由度は、表面の曲面、つまり、球面に限
られる。
【００１８】本発明の３次元的回折光学素子は、光学機
器分野においては、一般的化学機器、結像装置（カメ
ラ）や、光通信分野においては、光伝送交換装置、波長
多重光通信装置、光計測分野においては、光学干渉計、
生体光計測装置などの広い囲の適用が可能である。ま
た、本発明の３次元的回折光学素子とレンズとの組み合
わせも考えられ、多くの用途が考えられる。例えば、従
来のレンズの中に３次元回折格子を書き込むことも可能
であり、例えば、写真レンズの合焦検出や測光に利用可
能である。更に、２重焦点にすることもできる。
器分野においては、一般的化学機器、結像装置（カメ
ラ）や、光通信分野においては、光伝送交換装置、波長
多重光通信装置、光計測分野においては、光学干渉計、
生体光計測装置などの広い囲の適用が可能である。ま
た、本発明の３次元的回折光学素子とレンズとの組み合
わせも考えられ、多くの用途が考えられる。例えば、従
来のレンズの中に３次元回折格子を書き込むことも可能
であり、例えば、写真レンズの合焦検出や測光に利用可
能である。更に、２重焦点にすることもできる。
【００１９】また、その利用法として、セキュリティ
ー、暗号への応用が考えられる。例えば、小さなガラス
の部分などに、３次元ホログラムで、ＩＤ（個人識別番
号）などを書き込んでおくことが可能である。情報容量
は大容量になるので、様々な応用が可能である。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。
ー、暗号への応用が考えられる。例えば、小さなガラス
の部分などに、３次元ホログラムで、ＩＤ（個人識別番
号）などを書き込んでおくことが可能である。情報容量
は大容量になるので、様々な応用が可能である。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。
【００２０】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。 （Ａ）永続的屈折率変化を３次元的に分布させ、高性能
を有する回折光学素子を光学ガラス中に作製することが
できる。
よれば、次のような効果を奏することができる。 （Ａ）永続的屈折率変化を３次元的に分布させ、高性能
を有する回折光学素子を光学ガラス中に作製することが
できる。
【００２１】（Ｂ）３次元的な屈折率分布を創り出すこ
とができ、この自由度により、例えば、計算機で設計さ
れた任意形状の３次元ブラッグ回折格子の作製が可能で
ある。 （Ｃ）堆積型回折格子の特徴である非対称な回折現像と
高い回折効率を得ることができる。
とができ、この自由度により、例えば、計算機で設計さ
れた任意形状の３次元ブラッグ回折格子の作製が可能で
ある。 （Ｃ）堆積型回折格子の特徴である非対称な回折現像と
高い回折効率を得ることができる。
【図１】本発明にかかる３次元的回折光学素子の製造方
法を示す模式図である。
法を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す３次元的回折光学素子の
作用を示す模式図である。
作用を示す模式図である。
１ バルクとしての光学ガラス ２ ３次元的な屈折率分布としての３次元回折格子 １１ 超短パルスレーザー光 １２ 集光レンズ １３ ３次元回折格子（３次元的な屈折率分布） ２１ Ｈｅ−Ｎｅレーザー光 ２２ 回折光 ２３ 非回折光
Claims (9)
- 【請求項１】 光学ガラスへの１ナノ秒から１フェムト
秒のパルス幅を持つ、波長２００ｎｍから２０００ｎｍ
の超短パルスレーザー光の多光子吸収による永続的屈折
率変化または光学損傷を利用して、前記光学ガラス中に
書き込まれる、３次元的な屈折率分布を有することを特
徴とする３次元的回折光学素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の３次元的回折光学素子に
おいて、前記光学ガラスは、シリカガラスであることを
特徴とする３次元的回折光学素子。 - 【請求項３】 請求項１記載の３次元的回折光学素子に
おいて、前記シリカガラスに水素ガスを含有させてなる
ことを特徴とする３次元的回折光学素子。 - 【請求項４】 請求項１記載の３次元的回折光学素子に
おいて、前記光学ガラスは、耐破損性のソーダガラスで
あることを特徴とする３次元的回折光学素子。 - 【請求項５】 請求項１記載の３次元的回折光学素子に
おいて、前記光学ガラスは、光学プラスチックスである
ことを特徴とする３次元的回折光学素子。 - 【請求項６】 請求項５記載の３次元的回折光学素子に
おいて、前記光学プラスチッスはアクリルであることを
特徴とする３次元的回折光学素子。 - 【請求項７】（ａ）光学ガラスに、１ナノ秒から１フェ
ムト秒のパルス幅を持つ、波長２００ｎｍから２０００
ｎｍの超短パルスレーザー光を照射し、（ｂ）前記光学
ガラスに前記超短パルスレーザー光の多光子吸収による
永続的屈折率変化または光学損傷を生じさせ、（ｃ）前
記光学ガラス中に書き込まれる、３次元的な屈折率分布
を生成させることを特徴とする３次元的回折光学素子の
製造方法。 - 【請求項８】 請求項７記載の３次元的回折光学素子の
製造方法において、前記超短パルスレーザー光を走査に
より、前記光学ガラス中に書き込まれる、３次元的な屈
折率分布を生成させることを特徴とする３次元的回折光
学素子の製造方法。 - 【請求項９】 請求項７記載の３次元的回折光学素子の
製造方法において、前記３次元的な屈折率分布が、ブラ
ッグ回折格子であることを特徴とする３次元的回折光学
素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21893498A JP3433110B2 (ja) | 1998-08-03 | 1998-08-03 | ３次元的回折光学素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21893498A JP3433110B2 (ja) | 1998-08-03 | 1998-08-03 | ３次元的回折光学素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000056112A true JP2000056112A (ja) | 2000-02-25 |
| JP3433110B2 JP3433110B2 (ja) | 2003-08-04 |
Family
ID=16727623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21893498A Expired - Fee Related JP3433110B2 (ja) | 1998-08-03 | 1998-08-03 | ３次元的回折光学素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3433110B2 (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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