JP2004126312A

JP2004126312A - 三次元ホログラフィック記録方法および三次元ホログラフィック記録装置

Info

Publication number: JP2004126312A
Application number: JP2002291648A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Misawa; 三澤　弘明; Juodkazis Saulius; サウリウス　ヨードカシス; Shigeki Matsuo; 松尾　繁樹; Toshiaki Kondo; 近藤　敏明
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US7542186B2; WO2004031866A1; US20060044639A1; US20050232116A1

Abstract

【課題】極めて単純な光学系を用いた、フェムト秒レーザパルスによる多光子露光が可能な感光性材料への三次元ホログラフィック記録方法を提供する。
【解決手段】フェムト秒レーザパルスを回折ビームスプリッタ（３）で複数本の光束に分割させ、分割したレーザのうちの４光束を集光させて多光子露光が可能な感光性材料からなる試料（７）に照射し、４光束を干渉露光して試料（７）の多光子吸収を誘起し、試料（７）の照射部位にブラッグ回折格子を記録させる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、フェムト秒レーザパルスによる、光熱屈折率変化を生ずるガラスをはじめとする多光子露光が可能な感光性材料への三次元ホログラフィック記録方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、極めて単純な光学系を用いた、フェムト秒レーザパルスによって多光子露光が可能な感光性材料にブラッグ回折格子を記録する三次元ホログラフィック記録方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
フォトニックスの発展は将来の科学技術を向上させるものとして期待されており、とくにフォトニック結晶（ＰｈＣ）は将来の有望な利用が期待できるため強い関心が寄せられている。しかしながら、可視光または近赤外線領域で作用するフォトニック結晶の製造はマイクロ／ナノ技術の近年の発展を利用しても依然追求中のテーマとなっている。
【０００３】
現在、フォトニック結晶製造の代替技術としては、レーザ干渉が、一次元（１Ｄ）／二次元（２Ｄ）／三次元（３Ｄ）構造を容易に形成でき且つ実現性が高いため注目されている。たとえば２つのビームの干渉により一次元（１Ｄ）周期パターンの回折格子を形成することができ、またＦｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ　ｂｕｎｄｌｅ　ｂｙ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｎｏｎｃｏｐｌａｎａｒ　ｂｅａｍｓ（文献１）に示されているように、３つのビームの干渉により二次元（２Ｄ）周期パターンの回折格子を形成することができる。
【０００４】
そして三次元（３Ｄ）周期パターンに関しては、一般に４つの非共面ビームを使用して記録することができ（Ａｌｌ　ｆｏｕｒｔｅｅｎ　Ｂｒａｖａｉｓ　ｌａｔｔｉｃｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ｎｏｎｃｏｐｌａｎａｒ　ｂｅａｍｓ（文献２））、その場合、４つの干渉ビームの方向、それらのビームの偏光の制御により、すべてのＢｒａｖａｉｓ光格子に対応する光強度分布を発生させることができると考えられている。しかしながら現実にはそのような装置の実験的実現化は非常に困難になっている。
【０００５】
フォトニック結晶格子の選択を自由化するために複雑になっている装置を単純化する方法として挙げられるのは、軸対称のマルチビーム干渉装置を使用することであり、また多くの複雑な１Ｄ／２Ｄ／３Ｄ構造に関しては、ビームの数、位相および交差角を制御することによって実現することができる。上記のようなレーザ干渉を用いた場合に形成される１Ｄ／２Ｄ／３Ｄ構造の利点の１つは、すべての干渉ビームの時間的および空間的重複部分を固有に表現化することが可能なことにある。
【０００６】
とくに極端に短いサブ・ピコセカンドのパルスを用いて３Ｄ構造を達成させることは、非常に困難ではあるが、透明媒質内部に３Ｄ記録を行うための非線形吸収（マルチ・ステップ、マルチ・フォトンまたはトンネル）を促進するのに必要とされている。もしこのような光強度の周期パターンが材料内部に記録されれば、良質なフォトニック結晶またはそれらのテンプレートを製造することが容易になるのである。
【０００７】
近年、ガラス中における３Ｄ記録を達成する方法がいくつか報告されているが、それらの方法では通常フェムト秒パルスが用いられている。しかしながらそれらの記録方法は照射ごとの走査という比較的遅いプロセスにより達成されていた。また従来のフェムト秒パルスを用いて３Ｄ構造を記録する方法はフェムト秒パルスのパルス幅が短いため３本以上のパルス光束を１点で干渉露光するには非常に複雑な光学系が必要となり実用性の欠いたものになってしまっていた。
【０００８】
【文献１】Ｌ．Ｚ．　Ｃａｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．　２６，　Ｎｏ．　２３，　ｐｐ．　１８５８−１８６０　（２００１）
【文献２】Ｌ．Ｚ．　Ｃａｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．　２７，　Ｎｏ．　１１，　ｐｐ．　９００−９０２　（２００２）
【０００９】
そこでこの出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、極めて単純な光学系により多光子露光が可能な感光性材料中に容易に３Ｄ周期パターンを形成することが可能な三次元ホログラフィック記録方法および三次元ホログラフィック記録装置を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、フェムト秒レーザパルスを複数本の光束に分割し、分割した複数本の光束を平行方向に集光した後に４光束を選択し、それら４光束をさらに集光させて多光子露光が可能な感光性材料に照射し４光束を干渉露光して感光性材料の多光子吸収を誘起し、感光性材料の照射部位に三次元の位相ホログラムを記録することを特徴とする三次元ホログラフィック記録方法を提供する。
【００１１】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、感光性材料の照射部位に記録された位相ホログラムがブラッグ回折格子であることを特徴とする三次元ホログラフィック記録方法を提供する。
【００１２】
さらに、第３には、第２の発明において、形成されたブラッグ回折格子が、フォトニック結晶として利用されることを特徴とする三次元ホログラフィック記録方法を提供する。
【００１３】
第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、多光子露光が可能な感光性材料が、光熱屈折率変化を生じるガラスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元ホログラフィック記録方法を提供する。
【００１４】
また、第５には、第４に記載の光熱屈折率変化を生じるガラスが１５Ｎａ_２Ｏ−５ＺｎＯ−４Ａｌ_２Ｏ_３−７０ＳｉＯ_２−５ＮａＦ−０．０１Ａｇ_２Ｏ−０．０１ＣｅＯ_２の近似組成を有するガラスであることを特徴とする三次元ホログラフィック記録方法を提供する。
【００１５】
第６には、第１ないし５のいずれかの発明の三次元ホログラフィック記録方法を行う装置であって、１）フェムト秒レーザパルスを発生させるレーザ光源、２）フェムト秒レーザパルスを複数本の光束に分割する回折ビームスプリッタ、３）分割されたフェムト秒レーザパルスを集光させる２つのレンズ、４）分割されたフェムト秒レーザパルスのうちの４光束を選択するアパーチャを備えていることを特徴とする三次元ホログラフィック記録装置を提供する。
【００１６】
第７には、第６の発明の三次元ホログラフィック記録装置において、２つのレンズのうち、回折ビームスプリッタで分割した複数本の光束を平行方向に集光させるレンズが色消しレンズであり、その後アパーチャにより選択した４光束を感光性材料に集光して干渉露光させるレンズが顕微鏡の対物レンズであることを特徴とする三次元ホログラフィック記録装置をも提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の三次元ホログラフィック記録方法は、フェムト秒レーザパルスを回折ビームスプリッタ等で複数本の光束に分割し、分割した複数本の光束を平行方向に集光した後に４光束を選択し、それら４光束を集光させて多光子露光が可能な感光性材料に照射し４光束を干渉露光して感光性材料の多光子吸収を誘起し、感光性材料の照射部位に三次元の位相ホログラム、とくにブラッグ回折格子を形成させることを特徴としている。
【００１８】
この方法を用いることにより、極めて単純な光学系を用いて良質なブラッグ回折格子を、光熱屈折率変化を生じるガラスをはじめとする多光子露光が可能な感光性材料中に記録することができその結果良質なフォトニック結晶を容易に製造することが可能となる。なお、この出願の発明における“光熱屈折率変化を生じるガラス”とは、“紫外光照射を行った後に熱処理することにより屈折率変化が現れるガラス”を意味している。
【００１９】
とくにこの出願の発明の三次元ホログラフィック記録方法においては、光熱屈折率変化を生じるガラス（ＰＴＲ（ｐｈｏｔｏ−ｔｈｅｒｍｏ−ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）ガラス）として１５Ｎａ_２Ｏ−５ＺｎＯ−４Ａｌ_２Ｏ_３−７０ＳｉＯ_２−５ＮａＦ−０．０１Ａｇ_２Ｏ−０．０１ＣｅＯ_２の近似組成を持つガラスを好適に用いることができ、このようなＰＴＲガラスを用いることでとくに良質なブラッグ回折格子を記録することができる。
【００２０】
また、この出願の発明の三次元ホログラフィック記録方法を行う装置として、フェムト秒レーザパルスを発生させるレーザ光源、フェムト秒レーザパルスを複数本の光束に分割する回折ビームスプリッタ、分割された複数本のフェムト秒レーザパルスを集光させる２つのレンズ、さらにそれら２つのレンズの間に分割されたフェムト秒レーザパルスのうちの４光束を選択するアパーチャを備えた三次元ホログラフィック記録装置を用いることができる。
【００２１】
なお、上記の２つのレンズのうち、回折ビームスプリッタで分割されたフェムト秒レーザパルスを平行方向に集光させるレンズとして色消しレンズを好適に使用することができ、また感光性材料に４光束を集光させて露光干渉させるためのレンズとして顕微鏡の対物レンズを好適に使用することができる。これらの光学機器を備えた三次元ホログラフィック記録装置を用いることで、極めて単純な光学系で三次元位相ホログラムであるブラッグ回折格子を感光性材料中に形成することができるのである。
【００２２】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２３】
【実施例】
この出願の発明の三次元ホログラフィック記録方法を用いて、多光子露光が可能な感光材料であるＰＴＲガラス試料へのブラッグ回折格子の記録を試みた。
【００２４】
図１（ａ）に示しているように、マルチビーム干渉パターンの記録に使用される三次元ホログラフィック記録装置（１）として、まずレーザ光源（２）から発生したフェムト秒レーザパルスのレーザビームを複数光束に分割する回折ビームスプリッタ（ＤＢＳ（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ））（３）を設置し、その回折ビームスプリッタ（３）通過後のレーザビームの光路上に焦点距離が１７５ｍｍの色消しレンズ（４）と顕微鏡の対物レンズ（５）を設置し、色消しレンズ（４）と対物レンズ（５）の間に４光束を選択するためのアパーチャ（６）を設置した。
【００２５】
これらの光学機器を用い、まずレーザ光源（２）で発生したフェムト秒レーザパルスビームを回折ビームスプリッタ（３）により複数光束に分割し、回折ビームスプリッタ（３）の後方に配置された色消しレンズ（４）でそれら複数光束を平行方向に集光し、さらにその後方に設置されたアパーチャ（６）により３Ｄ干渉パターンを得るための４光束の選択を行った後、顕微鏡の対物レンズ（５）で４光束レーザビームを集光し、感光性材料からなる試料（７）上にそれらレーザビームを集光させ、試料（７）中で４光束を干渉露光させた。
【００２６】
なお、分割された複数光束のフェムト秒レーザパルスビームの光学的距離は光学パルス長さの精度で同一であるため、分割されたレーザパルスの時間的な重なりは人工的な調整を施すことなく達成される。また各レーザパルスビームは露光領域での放射照度を増すためわずかに絞られている。
【００２７】
そして４光束のレーザパルスビームにより、試料（７）中で４回対称（正方形）干渉パターンを形成した。なお図１（ｂ）に示す中心軸と各々の光束の間の角度θ_ａｉｒは３３．６°であった。
【００２８】
なお、この例の試料の露光には再生増幅器付のＴｉサファイア発振器（Ｔｓｕｎａｍｉ　＆　Ｓｐｉｔｆｉｒｅ，　Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）で得られるフェムト秒レーザパルスを使用した。このレーザパルスの繰返し周波数は１ｋＨｚでありパルス幅は１５０ｆｓであって波長が８００ｎｍであった。また、フェムト秒レーザパルスの回折ビームスプリッタ（ＤＢＳ）（２）の手前でのレーザパワーは２１０ｍＷであったが、試料（７）の位置では３分の露光時間で１．７ｍＷであった。
【００２９】
この実施例では３種類の試料として、テスト用のネガティブ・フォトレジストＳＵ−８薄膜（Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｒｐ．）と、光熱屈折率変化を生じるＰＴＲ（ｐｈｏｔｏ−ｔｈｅｒｍｏ−ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）ガラスを用い、また参照試料として珪酸ナトリウム・ガラスを使用した。
【００３０】
λ＜４００ｎｍで吸収する試料ＳＵ−８薄膜はカバーガラス板上に約５〜６μｍの厚さでスピンコーティングされ、その試料に対し露光前に事前焼付けを行い、レーザパルスビームを照射後、試料を事後焼付けして光励起架橋反応を強化し、引き続いて現像を行うことにより非架橋領域を取り除き３Ｄ構造を得た。その３Ｄ構造をスパッタリングによりレジストの構造上をＡｕ薄膜でコーティングし、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｈｉｔａｃｈｉ　Ｓ−４２００ＳＥ）で観察した。
【００３１】
上記のような条件により、まず４つのビームの干渉によりレジストフィルム中に３Ｄロッド構造である２Ｄフォトニック結晶を記録したが、その際に予測されるフォトニック結晶の構造を以下の式で与えられる４つのビームで形成される光強度パターンから計算した。
【００３２】
【数１】

【００３３】
ここで、Ｅ_ｉは光照射視野振幅、ｋ_ｉ、ψ_ｉは波数ベクトルおよび対応するピームの位相である。またωは繰返し周波数、ｒは座標ベクトル、ｔは時間である。この計算によりレジスト内に記録されたパターンは、図１（ｃ）に示すものと同様であると予測した（なお、この計算ではψ_ｉ＝０とし、電場振幅は１とした）。この判断は記録された３Ｄ構造の形態がψ_ｉ＝０の場合に式（１）で与えられる光強度分布に忠実に従うことを示す前段階の実験を基本にした。レジスト内に記録および現像された構造は、図２（ａ）（ｂ）のＳＥＭ画像に示されるように、予測された構造に極めて近い構造となった。作製された構造の周期は１μｍであり、この値は予測値のλ／（√２ｓｉｎθ_ａｉｒ）＝１．０２μｍに十分近いものである。図２（ｂ）に示しているように構造を拡大すると、光伝播の方向（画像の垂直方向）に沿ってリップルが識別される。これらのリップルは前方伝播方向を持つレジストと空気の境界からの後方反射光の干渉により発生する。１５０ｆｓのレーザパルス継続時間に対し、対応するコヒーレンス長は約４５μｍであり、厚さ５μｍのフィルムの厚み全体にリップルが現れた。
【００３４】
レジスト内に３Ｄ構造をホログラフィック記録することが可能であることを確かめた後、レジストと同一形状のＰＴＲガラス試料および参照用の珪酸ナトリウム・ガラスの露光を行った。
【００３５】
ＰＴＲガラスとしては（ｍｏｌ％）１５Ｎａ_２Ｏ−５ＺｎＯ−４Ａｌ_２Ｏ_３−７０ＳｉＯ_２−５ＮａＦ−０．０１Ａｇ_２Ｏ−０．０１ＣｅＯ_２の近似組成を有するガラスを用い、そのＰＴＲガラスと珪酸ナトリウム・ガラス２２Ｎａ_２Ｏ−３ＣａＯ−７５ＳｉＯ_２とを、実験室で用いている手法により高純度材料から合成し、吸収性の不純物の濃度は１ｐｐｍ程度以下に保持した。珪酸ナトリウム・ガラスはＰＴＲガラスに対する純粋マトリクス材料、すなわち参照として使用し、これらガラスを、電気炉中で石英るつぼ内で溶融し、できた試料を１０×５×２ｍｍ^３に切断し４面を研磨した。なおレーザビームの照射時間は５〜１０分であった。
【００３６】
ＰＴＲガラスの露光および熱処理後、読み出しのための記録された構造の側面照射を容易にするため試料を図３（ａ）に示しているように切断し、ＰＴＲガラス内に焦点を当てながら、Ｚ軸沿いに２光束露光を行い、ホログラムを記録した。このホログラムは集束した５４３．５ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを照射して実行することで読み出された。
【００３７】
その結果、図３（ｂ）〜（ｄ）に示しているような厚い回折格子の回折から予測されたような明確なプラッグ回折パターンが観測された。図３（ｂ）は挿入図に示しているようにθの入射角にて４光束により記録されたホログラムからのブラッグ回折を示したものであり、（ｃ）は同一ホログラムを直角入射で読み出した場合であり、（ｄ）は−θの入射角で読み出した場合である。これらの図中透過した光束と回折した光束はそれぞれＴと±１Ｄと印がついている。
【００３８】
なお図４はブラッグ角からのずれに対する規格化した回折格子の回折効率の理論値と実験値のグラフであり、理論値と実験値が最も良く一致しているときの屈折率変化は５．７×１０^−４であった。また回折格子周期は、ブラッグ回折の±１オーダーの角度の測定とブラッグ条件λ＝２Λｓｉｎ（θ）を適用して求め、Λ＝１．１５μｍであり、回折格子の厚さＬは、図４に示される曲線を計算し、値Ｌ＝６６μｍと求めることができた。
【００３９】
上記の結果より、フェムト秒レーザパルス照射により純粋な位相構造であるブラッグ回折格子がＰＴＲガラス内に記録されたと言える。
【００４０】
なお、上記のような３Ｄ構造は同様のフェムト秒レーザ露光においてＰＴＲガラスのマトリックスである純粋な珪酸塩ガラスには記録されなかった。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、極めて単純な光学系を用いた、フェムト秒レーザパルスによる光熱屈折率変化を生ずるガラスをはじめとする多光子露光が可能な感光性材料への三次元ホログラフィック記録方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）　この発明の三次元ホログラフィック記録装置を例示した概念図である。
（ｂ）　同図（ａ）の試料への４光束の照射の様子を例示した概念図である。
（ｃ）　同図（ａ）の装置を用いてレジストに記録されると予測されるパターンである。
【図２】この発明の三次元ホログラフィック記録方法を用いてレジスト内に記録されたブラッグ回折格子のＳＥＭ画像を例示した図である。
【図３】（ａ）　この発明の三次元ホログラフィック記録方法により形成されたブラッグ回折格子の読出し実験を示す概念図である。
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）　この発明の三次元ホログラフィック記録方法により形成されたブラッグ回折格子の読み出し実験の結果の一例を示す写真である。
【図４】この発明の三次元ホログラフィック記録方法により形成されたブラッグ回折格子の回折効率の理論値と実験値のグラフである。
【符号の説明】
１　三次元ホログラフィック記録装置
２　レーザ光源
３　回折ビームスプリッタ
４　色消しレンズ
５　対物レンズ
６　アパーチャ
７　試料

Claims

フェムト秒レーザパルスを複数本の光束に分割し、分割した複数本の光束を平行方向に集光した後に４光束を選択し、それら４光束をさらに集光させて多光子露光が可能な感光性材料に照射し、４光束を干渉露光して感光性材料の多光子吸収を誘起し、感光性材料の照射部位に三次元の位相ホログラムを記録することを特徴とする三次元ホログラフィック記録方法。
感光性材料の照射部位に記録された位相ホログラムがブラッグ回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の三次元ホログラフィック記録方法。
形成されたブラッグ回折格子が、フォトニック結晶として利用されることを特徴とする請求項２に記載の三次元ホログラフィック記録方法。
多光子露光が可能な感光性材料が、光熱屈折率変化を生じるガラスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元ホログラフィック記録方法。
光熱屈折率変化を生じるガラスが１５Ｎａ_２Ｏ−５ＺｎＯ−４Ａｌ_２Ｏ_３−７０ＳｉＯ_２−５ＮａＦ−０．０１Ａｇ_２Ｏ−０．０１ＣｅＯ_２の近似組成を有するガラスであることを特徴とする請求項４に記載の三次元ホログラフィック記録方法。
請求項１ないし５のいずれかの三次元ホログラフィック記録方法を行う装置であって、
１）　フェムト秒レーザパルスを発生させるレーザ光源、
２）　フェムト秒レーザパルスを複数本の光束に分割する回折ビームスプリッタ、
３）　分割されたフェムト秒レーザパルスを集光させる２つのレンズ、
４）　分割されたフェムト秒レーザパルスのうちの４光束を選択するアパーチャ、
を備えていることを特徴とする三次元ホログラフィック記録装置。
請求項６に記載の三次元ホログラフィック記録装置において、２つのレンズのうち、回折ビームスプリッタで分割した複数本の光束を平行方向に集光させるレンズが色消しレンズであり、その後アパーチャにより選択した４光束を感光性材料に集光して干渉露光させるレンズが顕微鏡の対物レンズであることを特徴とする三次元ホログラフィック記録装置。