第21巻第9号
レ
ザ ー 研 究
（945）
レーザーオリジナル
レーザーイオン交換法によるガラス板
光学非円形レンズの製作と評価
松井重憲
＊
（1993年2月25日 受理）
Fabrication of Optical Non−Circular Lenses by a
Laser Ion−Exchange Method and Its Analysis．
Shigenori MATSUI＊
（Receive（i February25，1993）
The growing use of optical lenses in optical integrated circuits has necessitated￡in（iing a
better，more cost−effective way of producing them。We have succeeded in developing a method
o至producing high−quality micro lenses on soda−lime grass plates by combining laser amealing
and ion−exchange；The method is referred to as a”Laser Ion−Exchange Method”。The use of
this technique makes it increase the refractive indexes on both sides of a soda−1ime glass plate
to create an optical lens．The upper surface of the glass is amealed by CO21aser beam
irradiation while the underside is subjected to ion−exchange between Na＋of the glass and K＋
of KNO30f an immersion bath．This method was applied to producing circular，non−circular，
linear and array micro−lenses．
Key Words l CO2Laser，Ion−exchange method，KNO3，Array micro−lensラNon−circular micro−lens．
るので最適な材料を選べるが，組み合わせに際
1、まえがき
近年，レーザーを利用した半導体光集積回路
して相互結合の困難さや，システムの安定性が
問題になる1）。そこで著者はモノリシック形で
技術1）は活発に研究開発され一般的な手法になっ
あるにも関わらず誘電体であるガラス基板を用
ているが，いまだ実用的な段階まで至っていな
いて集積化が可能であると考え，その第一段階
い。またその具体的な方法は各種様々であり最
近ではレーザー誘起薄膜堆積法2）などが開発さ
として炭酸ガスレーザー照射によるアニーリン
グ法と熱イオン交換法3）とを組み合わせた形の
れオプトロニクス分野に応用する試みが成され
レーザーイオン交換法を開発し，導波路と分岐・
ている。実際，光集積回路のハイブリット形集
集光等のレンズとを同一基板上に加工する研究
積回路は，その機能により個別な材料で構成す
を進めている。既にガラス板上でのレーザーイ
＊日本大学大学院理工学研究科電気工学専攻（〒：101東京都千代田区神田駿河台1−8）
＊Graduate School of Science and Technology，Nlhon University（1−8，Kanda−surugadai，Chiyoda−ku，Tokyo
101）
一9一
（946）
レーザーイオン交換法によるガラス板光学非円形レンズの製作と評価
平成5年9月
オン交換法によりマスクレスなマイクロレンズ
加工を可能にし報告を行っている4）。そして第
社製，S−1214）を挿入してこれにレーザー光を
二段階として導波路製作の基礎実験となる棒状
板内温度の空問分布，およびその時間的変化を
の非円形レンズ加工に研究対象を移行した。非
観測する。
円形・非球面レンズの加工法としては種々の技
術が開発されているが5）マスキングの手法や加
照射し，裏面後方に赤外線カメラを設置して基
工時聞等の問題があり，多品種大量生産には適
2．2温度分布実測値と計算値との比較
Fig．2は赤外線カメラで得られた温度分布で
していない。しかし著者の方法ではマスクレス
（a）はレーザー光照射後，（b）は照射前，（c）は
で短時間での加工が可能になっている。しかし，
両者の差分値，下はこれを中心位置についてグ
この方法の基盤となっているガラス板内でのイ
ラフ化したものである。照射レーザーエネルギー
オン交換機構について不明な点が少なくない。
は026」／pである。（c）よりレーザー光照射中
本稿では，まずイオン交換機構を解明するた
心付近のみでの温度上昇が確認される。更に中
めの基礎データを得る目的で，赤外線熱画像処
心付近領域内で横軸を拡大して画面積分表示し
理装置を用いてレーザー光照射時のガラス板裏
た温度分布と以前に報告をした熱伝導方程式よ
面の温度上昇度を基板の厚さを変えて測定した。
り計算した結果との比較4・7）をFig．3に示す。横
また以前に報告した裏面温度上昇を熱伝導方程
軸幅は約10mmに拡大した。試算の際の条件は
式より算出した結果と比較検討し，更にイオン
レーザーエネルギー026J／p，パルス幅5．74mseq
交換分布との関係についても検討した。そして，
以上の基礎実験を参考にして，炭酸ガスレーザー
繰り返し速度100pps，照射回数30000shots，
反射率約40％，熱伝導率・熱拡散率は温度に依
で加工した非円形レンズの光学的特性を実験的
らず（予備加熱温度400℃における値）一定とし
に検討した結果についても報告する。このよう
た。中心部とそこから5mm離れた点との温度
なレンズ自体，出力光が楕円ビームで広がり角
を有している半導体レーザー光①を直接円形ビー
差は約120℃であるのに対し，計算値は約150℃
ムに成形集束し得る集光用レンズとして利用価
ている。また厚さの異なるガラス板について温
値が高い。
度の時間的な変化を実測した結果をFig．4に示
とかなり近い値であり，その分布もほぼ一致し
す。厚さは0．70mm，1，00mm，L35mmでレー
2．レーザー光照射時のガラス板裏面温度測
ザーエネルギー0．13J／pの場合である。図より
定
厚さが薄くなるにしたがって温度上昇度が大き
2，1実験装置と方法
く，飽和値は高くなることが確認できる。
Fig．1にレーザー照射時の温度上昇度測定装
置の概略図を示す。400℃一定の両端開口型円
筒電気炉中にソーダライムガラス板（松浪硝子
関を明らかにする必要がある。そこでEPMA
GRASS PLATE
）
2．3イオン交換と裏面温度上昇度との関係
前述の結果よりガラス板裏面内での温度上昇
分布が確認できたが，これとイオン交換との相
（日本電子社製，JXA−8600）により裏面内での
K＋とNa＋分布を測定8）した。測定条件は，加速
LENS
電圧15kV，電流値5×10−8A，スキャン速度
CO2LASER
（照射時問）0．5sec，エネルギー3．75×10−4jで
・囹O
あった。このエネルギーと照射時問は，レンズ
THERMAL V工DEO SYSTEM
加工時のレーザーエネルギーおよび照射時間に
Fig，1Schematic diagram of the thermal video system。
比較すると十分に小さな値であり，レーザー照
一10一
21
91
-
T
!t
-
(947)
after
(a)
;,
*
i
i
+
;
*
i:
;
i
:;
,
i
'*
{
(b) before
(c) differcnce(a
-b)
Fig, 2 Photograph of a temperature difference within frame. (C02 Iaser : energy, 0.26J/p)
EH ['C]
(J
: Thickness ; O. 70mm
: Thickness ; i. OOmm
: Thickness ', l. 35mm
<!
600
(D
;Calculative curve
.H
,Measurrnent curve
S
o
y 500
fCl
+J
(
(D
p
l
500
p+
E;
(D
EH
EH 400
O 24 8 iO
6
shots times.
400
Fig. 4
Relation of the glass plate thickness and
temperature rise AT to Shot times.
(Plate thickness, 0.70 mm, 1.00 mm, 1.35 mm)
-5-4-3-2-1 O 1 2 3 4 5
Distanse Lrom the center (mm)
Fig. 3 Temperature v,s. the distance from the center
f
for calculative curve,
:
(Frame distance, 10 mm ; energy, 0.26 J/p ;
PW, 5.74 msec ; PP, 100pps ; T, 400
t, 300 sec)
)
)=
;
L
7 i
' ･ (;
F k -
;
jc
_.･
< >
7) )
lj
･7J*
7 U
)
i
. :*. )tL ) . Fig. 5iCEPMAiC J
rlJ;
l;
; :y*" f
)
/'77*;n
t
>
FF l ) f,, u Lf Ov*C
- 11 -
7
.L･ *
l i
.11
;t.
f
150 pm
*
P l - l >･ C
平成5年9月
レーザーイオン交換法によるガラス板光学非円形レンズの製作と評価
（948）
3．非円形レンズの製作10）
⑫K
（Counts）
O Na
＞
3．1実験装置と方法
1 ＼
ρ
・H
㎝1000
臼
レーザーイオン交換法による非円形レンズ製
＼ ！
（D
ρ
q
作の実験装置概略図をFig．6に示す。レンズ加
＼ 1
＼1
『、’＼ ×
H 500
工光源には50Hzの全波整流電源を用いた内部
＼ ＼
ミラー型炭酸ガスレーザーを使用している。繰
’＼一．一．冒一
0
一600−300 0 300 600 ［μm］
Observationalposition，
Fig．5EPMA quantitative analysis of the relative
density・fNa＋t・K＋，
り返し速度100pps，パルス幅5．74msec，レー
ザーエネルギーは0。02∼026J／pulse，変動率
は5％／hour，ビーム半径は2．5mmである。こ
のレーザー光を金蒸着ミラーで垂直に折り曲げ
ZnSe製の集光レンズ（焦点距離70mm）で集束
させて，その焦点位置の外側⑳mmにソーダガ
2μm毎に成分を測定しその範囲でのK＋の最大
値，及び同じ深さでのNa＋の値を表した分布図
る。ガラス板の裏面を恒温層（450℃）内の硝酸
であり，イオン交換が行われていると考えられ
カリウム溶融液に15分問浸し予備加熱を行った
る領域は中心部より約450μm付近までである。
後レーザー光を表面から垂直照射しレンズ製作
この範囲はレーザー光照射によって温度が上昇
を行ってきた。
ラス板（松浪硝子社製，S−1214）を設置してい
した範囲に比べると極めて狭い。また端面から
中心に向かうにしたがってK＋が増加する分布
3．2近接した複数レンズ
となっている。この領域での温度分布測定が詳
光導波路のような細長い領域に屈折率差を作
細に出来ていないので明確な対応関係は不明で
る方法としては，近接した一定の空間間隔でレー
あるが，レーザー照射による温度上昇がソーダ
ガラスの転移点温度（539℃）以上になると，移
ザー光を照射する方法と，レーザー光照射位置
を連続的に移動させていく方法が考えられる。
動し易いアルカリイオンが活発に動き，相互イ
本節では，前者の方法についての基礎データを
オンの交換が促進されると考えている。前章で
の基板厚変化した結果9）でも，屈折率差は厚さ
得る目的で二つのレンズを近接して作成した場
合，その問隔によってどのような違いが生ずる
が薄い程大きくなっており，このことからもガ
ラスの転移点温度とイオン交換との関係につい
卿
て前述の理由と考えることに矛盾はない。
＿∪＋十
また，以前の結果から低温型イオン交換法に
よる基板浸漬時問は（450∼500℃）10時間前後
］
が必要であり，著者の方法では数十分間で交換
可能である。更にFig．5より両端面（一600μm以
下，600μm以上）でのK＋の濃度と中心付近と
KNO3
一X−Y stage Heater
の濃度比は1：10程度となり，電気炉加熱（バ
イアス温度）による熱拡散はほとんど無視でき，
レーザー光照射による熱拡散のみで交換を行っ
ていると考えている。
Pulse
□
PC−98 CO2LASER
cont「o’1e「Eニヨ
Fig．6Schematic diagram of the“Laser Ion−Exchange
Method”system．
一12一
第21巻 第9号
ザ ー 研 究
レ
（949）
かを実験的に検討した結果を示す。
二個のレンズ中心を結ぶ線上での位置を表して
Fig，7は（レーザーエネルギー，o．13」／p；照
いる。レンズ間隔を1mmまで接近させた状態
射回数，30000shots一定）レンズ間隔3．Omm∼
で相互の影響が現れている。従ってアレイレン
LOmmで製作した1×2のアレイレンズのCCD
カメラ（SONY製，XC−38）によるイメージン
ズ製作はレンズ問隔を1mm以上にする必要が
ある。Fig．8に3×3のアレイレンズをCCDカメ
グと屈折率差特性の一例である。上は一様な光
ラにより観測したイメージングを示す11・12）。レ
をアレイレンズに照射し，透過光強度分布を
ンズ間隔は1mmであり，9個の焦点が確認され
CCDカメラで観測した結果である。横軸には
た。一方棒状レンズを作成するためには更に近
50
60
紙鞭 許
媛諮灘
翻叢・
220
つε0
［×工σ3］
§［×10−3］
窪
鐙
￡
Φ
L
Φ
LSl3mm
10
』
し
で
つ
誘
5
建
o
㊦o
あ
o
．≧
O
ぢ
愛
bゼ
o
●
E奎
● ●
o
貰
5
8 O
と
●
o
0 2 4［mml
畠
Observational position
ぐ
lO
LSl2mm
誘
●
＜］
●o ●ag
・o。． ．。。。・
6 0
●
● ●
o
②
0 2 4［mm］
Observational position
（1）
（2）
60
Fig．7CCD images of3sets of2array lenses and
theirassociated△refractive−indexplots。
§［×1σ31
Φ
』
Φ
躯
一
で
（Energy，0．13J／p；shots，30000；lens distance，
×
の
で
．E
あ
3．Omm−1．Omm）
LSllmm
10
㊦
5
●
0 9
．≧
ぢ
理
bは
ぐ
9 00
0
㊦
●o
91
0 2 4［mm］
Observational Position
（3）
一13一
（950）
レーザーイオン交換法によるガラス板光学非円形レンズの製作と評価
50
平成5年9月
1×1α3］
lO
● ●
● ●
●
5
麟嫌
盤騨馨
ゆ
o ●
歯 0
0 2 4［mml
省
（a）99900−90000［Shots］
麟
・日［×IO−3］
1
Φ IO
●
＞
一麟輪i襲’
o
・d
220
，AR300C
●O
o o
o o ● o
●
や
0 5
而
臼
o
●
旧 0
の
Fig，8CCD image of a3×3micro−lens array，
0 2 4［mm］
葛
（b）12000−ll4000 ［Shots］
［×10−3］
づける必要があるが，これより近づけていくと
10
● 0 ● ● ● ●
● ● o ●
製作中あるいは冷却後クラックが入ってしまう。
5
そこで一回目と二回目の照射回数を変えて製作
O
した結果について述べる。この加工ではレーザー
光のスポット径は0．7mmであり，従ってレンズ
間隔を0．6mmに設定し照射回数を90000∼
150000shotsの間で変化させ一個目のレンズを
加工する。そして二個目のレンズは照射回数を
0
o
●
0 2 4［mm］
（c）144000−150000［Shots】
Fig．9 0bservational position v．s． △ refractive−index
difference。
（Energy，0．13J／p；thickness，1．35mm）
約6000∼9900shots（約60∼90秒）と短くして加
工する。その結果をFig．9示す。（a〉では二つの
15
ピークが認められるが（b），（c）では両ピークの
Movj−ng
中問の屈折率差が増加し，比較的フラットな屈
→ Direction
折率差分布になっていくことが確認された。ま
た，以前に見られたピーク値の差（相互屈折率
『阪醸㍗瓢
蔽紬轍轟 へち
，艶一綻ノ
差の違い）も解消され，破損もしなくなった。
｝κ 即
3．3棒状レンズの屈折率差特性10）
棒状の非円形レンズ製作の場合は光源と試料
，185
取携G50G
を固定し一体化した全反射ミラーと集光レンズ
Fig．10CCD images of a bar−lens。
をパルスコントローラーによって制御される移
動台上に設置し，これをX方向のみの移動によ
り製作する。移動速度は2∼200μm／secである。
Fig。10に（レーザーエネルギー，o．13」／p一定；
による屈折率差特性をFig．11に示す。図より移
移動速度，2∼200μm／sec；移動距離，4mm）
動速度が遅くなるにしたがって，屈折率差が大
棒状レンズをCCDカメラにより観測したイメー
ジングの一例を示す。長軸方向に色の濃い部分
が見られるが，光強度が強く実際に光が集光し
ている部分である。棒状レンズの移動速度変化
きくなって行く傾向がみられた。従って速度が
遅い方がガラス板内部で高屈折率差を有する棒
状レンズが製作可能である。
一i4一
第21巻 第9号
［×1σ31
港
＞
（951）
12μm／s e c
−140μm／sec
窟
マ
（D
研 究
ザ
レ
蕪・
・llOOμm／sec
−1200μm／s e c
4
・rl
ρ
0
“
2
臼
唱
（D
餌
ぐ
’
恥ving
欝
−
O 一2 0 2 4 6［mm］
d i r㏄t i on
Observational position
（aヲ Hthout Bar−Lens．
Fig，110bservational position v．s．△refractive−index．
3．4棒状レンズの光学的評価
棒状レンズ製作の基礎特性を述べてきたが，
野 甲
本節では，実際にレンズを半導体レーザーの出
力光側に挿入し，ビームが円形に成形されるこ
とで光学的評価を行った結果について述べる。
まずFig．12一（a）は市販されている半導体レーザー
（東芝社製，TOLD−9200，発振波長，668。7nm；
出力，2mW；ビーム広がり角θ ，8。4deg；
θ⊥，34．3deg）のCCDカメラによる光強度分
布のイメージングの一例である。これより長短
（b） With in Bar−Lens．
軸の比率は3／1であった。また（b）に棒状レン
Fig．12Near field pattem of LD、
ズ（レーザーエネルギー，0．13J／p；移動速度，
2μm／sec；移動距離，4mm）をレーザー出力
側に挿入したイメージングを示す。半導体レー
ザーの出力光は棒状レンズ中央部の屈折率差が
以上の実験結果をまとめると，
平坦な部分を透過させている。中心付近（図中
（1）赤外線熱画像処理装置によるガラス板裏面
4、まとめ
の濃い部分）における長径軸と短径軸との比は
の温度上昇測定より，レーザー光照射中心部の
1．3／1となり棒状レンズを挿入することにより
温度分布（実測値）と，熱伝導方程式により計
半導体レーザーの出力光を楕円ビームからほぼ
算した温度分布図とではかなり近い値の分布に
円形ビームに成形可能なことが確認できた。今
なっていることが確認できた。また，基板自体
後はレンズの長軸・短軸との比率を制御するこ
の厚さが薄い程温度上昇度が大きくなっている。
とにより半導体レーザーアレイのビーム成形を
（2）EPMAにより温度分布内でのイオン交換は
実験的に検討したり楕円レンズを製作する方法
確認できたが，実際にイオン交換されている領
としてカマボコ型のレンズを利用して楕円型の
域が非常に狭く，温度分布幅の約10％程度であっ
レーザー光を作り，基板に直接照射することも
た。そのため温度とイオン交換との関係を解明
考えている。
できておらず更に検討が必要と考えている。
（3）二つのレンズを近接して製作をする場合そ
れぞれのレンズ加工時で照射時間に差を付けて
一15一
（952）
レーザーイオン交換法によるガラス板光学非円形レンズの製作と評価
平成5年9月
多大なる御協力を賜りました日本電子データム
製作すればレンズ問隔1mm以下での加工は可
能になった。また，アレイレンズ製作はレンズ
㈱講習センター島崎偉氏，赤外線熱画像処理シ
問隔を1mm以上離せば良い。
ステムによる温度測定にあたり御力を賜りまし
（4）棒状レンズ加工では，加工光源であるレー
た日本アビオニクス㈱樫村正徳氏，布施恭一氏
ザー光の照射移動速度が遅い方が，イオン交換
に深堪の謝意を表します。また実験に協力して
効率の良好な高屈折率差を有する棒状レンズを
いただいた稲垣隆一君（現，日本大学大学院），
製作可能である。また，棒状レンズを実際に半
吉田和幹君（現，日立電子エンジニアリング㈱），
導体レーザーの出力光側に挿入することによっ
田野倉慎悟君（現，㈱関電工），瀧本進之君（現，
て，楕円ビームから円形ビームに成形可能なこ
日本大学大学院），原口崇君（現，日本大学大学
とが確認できた。
院），村田成芳君（現，三井建設㈱）をはじめと
なお，本研究では，ガラス板上にアレイレン
する放電プラズマ工学研究室の学部生諸君に深
ズ・棒状の非円形レンズ製作を行ったが，原理
く感謝致します。
となるイオン交換のメカニズムについて今後更
参考文献
に検討を要する。そこでレーザー光を照射した
場合の基板裏面内における温度分布よりもイオ
ン交換されている領域がかなり狭いことは非常
1）西原他著：光集積回路（オーム社，昭和62）
2）英貢：レーザー研究20（1992）714．
に興昧深く，この点を更に究明するために加工
3）R W．Grimshaw，C．E．Harland：10n一εxchαngθ，
光源を熱エネルギーが小さく，光学エネルギー
1n昂04魂cがon 1o Thε07yαn4P7α6がcε（Burhngton
の大きなYAGレーザーやAr＋レーザー等に変
House，London，1955）
4）松井他：レーザー研究18（1990）806．
5）伊賀，三沢：電気学会組3（1983）25．
えてレンズ径の微小化をはかるとともに，レー
ザー光源の変化に対する温度上昇度・温度分布
の差異とイオン交換量の変化等を比較する必要
もあり，現在進行中である。これにより必要と
6）伊賀著：レーザー工学の基礎（オーム社，昭和
63年）159．
7）豊田他：レーザー研究18（1990）51。
するイオンの分布量を制御することが可能にな
8）松井他：平成4年日本大学理工学部学術講演会L−
れば，更に高屈折率なレンズの微小化が製作可
71，P709．
9）松井他：平成3年電気学会全国大会講演論文集
能と考えている。
92，2−30（1991）．
10）松井他：光・量子デバイス研究会（OQD−91−52）
謝辞
33．
本研究の遂行にあたり詳細にわたる御教授・
11）S．Matsui，K．Suzuki，T．Taniyama，J．Nakata，
御指導を賜りました升谷孝也名誉教授，中田順
T。Masutani：SPIE，San Diego，CA，1992，
治教授に深堪の謝意を表します。また，多くの
Miniature and Micro−Optics：Fabrication and
御助言を賜りました谷山哲哉助教授，鈴木薫専
任講師に深謝致します。更にEPMA測定にあたり
System Applications H．1751（1992），128．
12）M．Oikawa，K．Iga，T。Sanada，N．Yamamoto
and K．Nishizawa：」。J．AppL Phy．し296（1981）．
一16一
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