專利名稱：二氧化硅玻璃的高折射率化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于利用光照射誘導(dǎo)的二氧化硅玻璃高折射率化方法，這可以應(yīng)用于光波導(dǎo)體線路和光學(xué)纖維衍射光柵等光學(xué)另件中形成必要的高折射率。
現(xiàn)在已經(jīng)知道利用光照射誘導(dǎo)可以提高二氧化硅玻璃的折射率。因此，所謂本說明書中的用語「光」是作為廣義的概念利用，不僅包括可見光，而且也包括所有波長的光。
例如，「放射光」第7卷第2號(1994年)第112-114頁中論述了利用光照射激發(fā)二氧化硅玻璃中的價(jià)電子(最外層電子)，可增大該二氧化硅玻璃的折射率。我們認(rèn)為這種折射率的變化是由于光照射而使二氧化硅玻璃中原子排列產(chǎn)生了變形和晶格產(chǎn)生了缺陷所致。
圖6是表示在特開平6-258674中所公開的光波長和折射率變化之間的關(guān)系圖。該圖中橫軸表示照射于二氧化硅玻璃的光波長λ(nm)，縱軸表示經(jīng)過光照射的二氧化硅玻璃中的折射率的變化值△n×103。從圖6可知，特開平6-258674，是在利用波長約為150nm的光照射時(shí)，可發(fā)現(xiàn)二氧化硅產(chǎn)生了非常明顯的折射率變化。
可是，即使使用圖6所示能產(chǎn)生較大折射率變化的波長約為150nm的光進(jìn)行照射，為了在光學(xué)另件中獲得所期待的折射率變化，需要數(shù)十分鐘的光照射，從工業(yè)生產(chǎn)的角度看，這樣長的照射時(shí)間，必然使效率產(chǎn)生極大惡化。
另外，如特開平6-258674第2段中所述，利用比160nm更長波長的照射光照射，雖然不能使二氧化硅玻璃的折射率產(chǎn)生太大的變化，但折射率變化的厚度范圍變大，達(dá)數(shù)mm。反之，利用比160nm短的波長照射光進(jìn)行照射，折射率雖產(chǎn)生很大變化，但折射率變化的厚度范圍急劇變小，達(dá)表面層的數(shù)nm。因此，以μm級精密調(diào)節(jié)在二氧化硅玻璃的厚度方向上的折射率變化分布是不容易的。
鑒于這種先有技術(shù)的課題，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種利用短時(shí)間光照射就能有效地增大二氧化硅折射率的方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種能夠精密地調(diào)節(jié)在二氧化硅玻璃的厚度方向上折射率變化分布的方法。
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案中的一種二氧化硅玻璃的高折射率化的方法中，其特征是預(yù)備二氧化硅玻璃并利用具有1.2?！?.0范圍內(nèi)波長的X射線對二氧化硅玻璃的確定部位進(jìn)行照射，通過以X射線激發(fā)該照射部位內(nèi)硅原子的K層電子，從而提高照射部位的折射率。
通過使用波長范圍為1.2?！?.0的X射線照射二氧化硅玻璃，由于該X射線有效地激發(fā)二氧化硅玻璃中硅原子的K層電子，所以可在短時(shí)間內(nèi)提高照射部位的折射率。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案使二氧化硅玻璃高折射率化的方法中，其特征是作為光照射的X射線，使用同步加速器輻射光。
作為光照射用的X射線，使用同步加速器輻射光，據(jù)此，由于使用具有高強(qiáng)度X射線的照射是可行的，所以能在短時(shí)間內(nèi)有效地提高二氧化硅玻璃的折射率。
在根據(jù)本發(fā)明的再有一個(gè)實(shí)施方案使二氧化硅玻璃高折射率化的方法中，其特征是使用透過由鈹膜等構(gòu)成的金屬膜過濾片的X射線照射二氧化硅玻璃。
通過使用由鈹膜等構(gòu)成的金屬膜過濾片，由于濾出的X射線具有能有效激發(fā)二氧化硅玻璃中硅原子K層電子的波長，并以此來照射二氧化硅玻璃，所以既防止了無用波長的光照射所引起二氧化硅玻璃的發(fā)熱等，又可能在短時(shí)間內(nèi)使二氧化硅玻璃高折射率化。
在根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案的二氧化硅玻璃高折射率化的方法中，其特征是利用由硅結(jié)晶等所構(gòu)成的結(jié)晶分光器進(jìn)行分光以獲得所需波長的X射線，以此來照射二氧化硅玻璃。
由于使用含有硅結(jié)晶的結(jié)晶分光器，以獲得所需波長的X射線照射，所以既防止了不必要的波長光照射所引起二氧化硅玻璃的發(fā)熱等，又可能在短時(shí)間內(nèi)使二氧化硅玻璃高折射率化。
在根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)而另一種實(shí)施方案的二氧化硅玻璃高折射率化的方法中。其特征是在1.2?！?.0范圍內(nèi)選擇所需波長的X射線，使用具有所選定波長的X射線進(jìn)行照射，可以調(diào)節(jié)二氧化硅玻璃從表面向深度方向上的折射率變化分布。
1.2?！?.0范圍內(nèi)X射線的波長變化而對折射率變化的厚度范圍之影響，要比接近160m波長變化對折射率變化的厚度范圍之影響平穩(wěn)的多，所以可更精密地調(diào)節(jié)厚度方向上折射率的變化分布。
根據(jù)本發(fā)明的另外一種實(shí)施方案，其特征是在X射線照射期間，對二氧化硅玻璃進(jìn)行冷卻。
通過在X射線照射期間對二氧化硅玻璃進(jìn)行冷卻而防止升溫，既防止了二氧化硅玻璃的熱變形和熱變質(zhì)，又可有效地使折射率進(jìn)行變化。
在根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案使二氧化硅玻璃高折射率化的方法中，其特征是根據(jù)折射率的變化量與X射線的照射量n乘(0＜n＜1)成比例的關(guān)系，可以求得獲得所需折射率變化量時(shí)，所必需的X射線照射量。
因此，為求得所需折射率的變化量，可精確地予設(shè)必要的X射線照射量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例說明二氧化硅玻璃高折射率化方法的簡要斷面圖。
圖2是表示在硅原子中光吸收斷面積和照射光能量間的關(guān)系圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例說明二氧化硅玻璃高折射率化方法的簡要斷面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例說明二氧化硅玻璃根據(jù)折射率化方法的簡要斷面圖。
圖5是表示SR光照量和二氧化硅玻璃折射率變化量之間的關(guān)系圖。
圖6是表示特開平6-258674中所公開的二氧化硅玻璃折射率變化量和照射光波長之間的關(guān)系圖。
好的實(shí)施例說明圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例說明二氧化硅玻璃高折射率化方法的簡要斷面圖。首先，利用公知?dú)庀喾ㄖ瞥珊铣傻亩趸璨Ａ?，光照射2，用具有4.5峰波長的同步加速器輻射光。這種同步加速器輻射光2，可由住友電器工業(yè)株式會社制的同步加速器輻射光發(fā)生裝置NIJI-III號獲得。光照射的氣氛是10-9～10-10托的超高真空，同步加速器輻射光的光源和二氧化硅玻璃間的距離為1.6m，在這種狀態(tài)下，進(jìn)行24mA·h的光照射。此處的mA·h表示同步加速器內(nèi)蓄積電流和光照時(shí)間的積。
利用普爾弗里希折射率測定裝置測定受到這種光照射2的合成二氧化硅玻璃1內(nèi)照射部位1A中折射率變化量△n。在這種折射率測定裝置中，使用He的d線(波長λ＝587.6nm)測定折射率，其結(jié)果，在光照射部位1A處折射率變化量△n為1×10-3。另外，上述光照條件是將同步加速器輻射光的光源和二氧化硅玻璃1之間的距離設(shè)定為10cm，同步加速器輻射光發(fā)生裝置NIJI-III號的蓄積電流取為100mA時(shí)，和進(jìn)行3、4秒鐘光照射等效的條件。
即，若采用具有1.2?！?.0范圍內(nèi)波長的X射線照射二氧化硅玻璃時(shí)，激發(fā)二氧化硅玻璃中硅原子的內(nèi)層電子，即K層電子，以產(chǎn)生二氧化硅玻璃的結(jié)構(gòu)變化，而變化折射率，基于這種K層電子的激發(fā)，折射率變化效率得到極大提高，對每1光子照射的折射率變化量與上述文獻(xiàn)「輻射光」和圖6中所公開的折射率變化效率為最大時(shí)波長的光照射時(shí)相比較，大約是300倍。因此，通過激發(fā)K層電子而使二氧化硅玻璃產(chǎn)生所需折射率變化的必要時(shí)間與過去利用價(jià)電子激發(fā)時(shí)相比較可顯著的縮短，約為1/300。
圖2是表示硅原子光吸收斷面積和照射光能量間的關(guān)系圖，在ACADEMIC PRESS社出版的Atomic Data and Nuclear DataTables，Vol.54，1993，pp.181-342中有所論述。該圖中，橫軸表示每1光子的光能E(eV)，縱軸表示硅原子吸收斷面積μ(cm2/g)。在此，意味著吸收斷面積μ越大，電子的光吸收量也就越大。附圖中曲線的第1，第2和第3峰點(diǎn)P1，P2和P3，分別表示硅原子中K層，L層，和M層電子的吸收峰。硅的M層電子相當(dāng)于最外層的價(jià)電子。
K層電子光吸收峰P1的位置，對應(yīng)于1.8389 Kev的光能，具有這種能量的光，其波長為6.743(約7A)。即，K層電子產(chǎn)生的X射線吸收是由比7更短的波長引起的，而比7更長波長的X射線，是由L層和M層的電子產(chǎn)生的吸收，不產(chǎn)生K層電子的吸收。
在此，如從圖2所知，比X射線波長短的各層電子的吸收量單調(diào)減少。X射線的波長為1.2A(相當(dāng)于E＝10000ev)時(shí)，吸收截面積與峰P1相比，約為1/100。即，比1.2更短的波長，可以認(rèn)為由硅原子的K層電子產(chǎn)生的光吸收對于折射率變化大致沒有影響。
因此，為了提高二氧化硅玻璃的折射率，希望使用波長在7?！?.2范圍內(nèi)的X射線，即可有效地產(chǎn)生硅原子K層電子的光吸收。
在此，對二氧化硅玻璃中氧原子的K層電子進(jìn)行了同樣的光照實(shí)驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)折射率有大的變化?？梢赃@樣考慮，即使氧原子光吸收產(chǎn)生折射率變化。由于這種折射率變化僅僅限定在二氧化硅玻璃的外表層(深度約為0.5μm以下)，使用普耳弗里希型折射率測定裝置進(jìn)行測定時(shí)沒有表現(xiàn)出有意義的結(jié)果(使用普耳弗里希型折射率測定裝置，折射率的測定需要約1μm的深度)。另外，由氧原子的K層電子產(chǎn)生的光吸收邊緣約為540ev，這對應(yīng)于波長為23的光。
進(jìn)而對硅原子的L層電子進(jìn)行了同樣的光吸收實(shí)驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)在二氧化硅玻璃中有意義的折射率變化。
圖3是由本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例說明二氧化硅玻璃的高折射率化方法的簡要斷面圖。在這個(gè)實(shí)施例中，在光照射試料室10內(nèi)設(shè)置一組二氧化硅玻璃1。同步加速器輻射光2通過由20μm厚的鈹構(gòu)成的金屬薄膜過濾器11，照射在二氧化硅玻璃1上。通過使用這種金屬薄膜過濾器可以將比對二氧化硅玻璃1的折射率變化并不重要的具有波長為12A以上的X射線至具有更長波長的紅外線對試料1的照射，抑制在1/10以下。據(jù)此，可以降低對折射率變化不產(chǎn)生作用的無用波長的光的照射而引起的二氧化硅玻璃升溫，不僅防止二氧化硅玻璃的熱變形和熱變質(zhì)，而且能有效地提高二氧化硅玻璃的折射率。另外，在使用上述鈹膜過濾器產(chǎn)生折射率變化時(shí)，折射率變化的效率是沒有使用過濾器時(shí)的約60％。
在此，進(jìn)行圖3所示的X射線照射期間，試料也可以用冷卻裝置13進(jìn)行冷卻。冷卻裝置13，使用液氮等冷介質(zhì)，可更確實(shí)地防止二氧化硅玻璃1受X射線照射而引起的升溫。即，使用冷卻裝置13可更好地防止二氧化硅玻璃熱變形和熱變質(zhì)，同時(shí)更能有效地提高二氧化硅玻璃的折射率，因而是好的。
圖4是由本發(fā)明又一實(shí)施例說明二氧化硅玻璃高折射率化方法的簡要截面圖。在圖4的實(shí)施例中，在光照射試料室10內(nèi)裝有一組二氧化硅玻璃1。結(jié)晶分光器12包括第1硅單晶體12A和第2硅單晶體12B。最好的是硅單晶體12A，12B具有{111}的結(jié)晶表面。將同步加速器輻射光2的入射方向和硅單晶體12A，12B的表面形成的角度θ，設(shè)定在具有期望波長的X射線能產(chǎn)生布喇格反射的角度。這樣做，僅僅使具有期望波長的X射線2A，在透過過濾器時(shí)，其強(qiáng)度并不降低，而照射在試料1上。因此，根據(jù)圖4的實(shí)施例，既可以防止不需要的光成分引起二氧化硅玻璃熱變形和熱變質(zhì)，而且可以期望有效地提高二氧化硅玻璃的光照部位的折射率。另外，即使是圖4的情況，和圖3的情況那樣，為了有效防止二氧化硅玻璃1的升溫，而可以使用冷卻裝置13是不言而喻的。
下面，根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例說明在二氧化硅玻璃的深度方向上的折射率變化分布的調(diào)節(jié)方法。從圖2所知，一般越短波長的X射線越難以吸收于物質(zhì)，從該物質(zhì)的表面到更深的位置，很容易透過。因此，通過使X射線的波長變短，使之可以侵入到二氧化硅玻璃更深的位置上，可以使更深位置產(chǎn)生折射率的變化。即，根據(jù)選擇X射線的波長，就能調(diào)節(jié)二氧化硅玻璃深處方向上的折射率變化的分布。更具體地說，根據(jù)改變依賴于X射線波長的吸收截面面積，就可以調(diào)節(jié)從二氧化硅玻璃表面數(shù)μm到數(shù)十μm范圍內(nèi)折射率變化的分布。
作為具體實(shí)例，通過100μm厚的Be膜過濾器，以265mA·h進(jìn)行X射線照射。這時(shí)，光源和二氧化硅玻璃間的距離為1.3m。當(dāng)使用上述普耳弗里希折射率測定裝置對經(jīng)過這種照射過的二氧化硅玻璃試料時(shí)，△n約為4.5×10-3。如前所述，使用這種折射率測定裝置可測定從二氧化硅玻璃表面到1μm深的折射率。除去在深度方向上的削減，測定二氧化硅玻璃表面層的折射率變化時(shí)，10μm深處折射率的變化量△n為表面折射率變化量的70％。
下面，通過5μm厚的Cu過濾器，以450mA·h進(jìn)行X射線照射時(shí)，二氧化硅玻璃表面的折射率變化量△n約為1×10-3，10μm深處的折射率變化量是表面折射率變化量的85％。
即，由于透過Cu過濾器的X射線波長比透過Be過濾器的X射線波長要短，可知通過Cu過濾器照射了X射線的二氧化硅玻璃中，可維持到更深位置的折射率變化。
圖5是表示白色同步加速器輻射光(SR光)的照射量和折射率變化量間的關(guān)系圖。即，橫軸表示SR光照量(mA·h)，縱軸表示折射率變化量(△n)?！鸱柋硎居脫诫sGe的二氧化硅玻璃中的折射率變化，●符號表示高純度二氧化硅玻璃中的折射率變化。在圖5的測定中，光源和二氧化硅玻璃間的距離為1.3m。
從圖5可知，摻雜Ge的二氧化硅玻璃，比高純度的二氧化硅玻璃，折射率以更高效率變化。進(jìn)而可知，摻雜了Ge的二氧化硅玻璃和高純度的二氧化硅玻璃，無論哪一種中，折射率的變化量△n與SR光照量n乘(0＜n＜1)成比例。因而，利用圖5的結(jié)果，為在二氧化硅玻璃中獲得所期望的折射率變化△n，可予先設(shè)定所需要的SR光照量。
另外，圖5表示了白色SR光的結(jié)果，在使用過濾器或分光器，用具有特定波長SR光照射時(shí)，根據(jù)以固定系數(shù)修正這些過濾器或分光器，可以予先設(shè)定SR光照量。
以上實(shí)施例說明了SR光所含X射線的使用，當(dāng)然根據(jù)情況也可以使用X射線管球發(fā)射的X射線。
如以上所述，根據(jù)本發(fā)明可以提供一種二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，該方法只用數(shù)秒鐘就能獲得所期望的折射率，而在過去為獲得增大二氧化硅玻璃所期望的折射率需要花費(fèi)數(shù)十分鐘的光照射。
再有，本發(fā)明中作為光源，使用了由現(xiàn)代物理化學(xué)研究所和日本原子能研究所共同開發(fā)研究的同步加速器Spring-8大型同步加速器，不用說為獲得所期望的折射率可以大大縮短照射時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)而可以更精確地調(diào)節(jié)二氧化硅玻璃表面到深度位置的折射率變化分布。
權(quán)利要求
1.一種二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于預(yù)備二氧化硅玻璃，以具有波長范圍為1.2?！?.0的X射線照射上述二氧化硅玻璃的規(guī)定部位，用上述X射線激發(fā)上述照射部位的硅原子K層電子，以提高上述照射部位內(nèi)的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于使用同步加速器輻射光作為上述X射線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于為能獲得具有上述波長的X射線，使用金屬膜作過濾器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于上述金屬膜過濾器是由鈹膜構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于為有效獲得具有上述波長的X射線，使用結(jié)晶分光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于上述結(jié)晶分光器是由使用了二個(gè)硅結(jié)晶的雙結(jié)晶分光器構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于使用上述二個(gè)硅結(jié)晶的{111}面作反射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于在1.2A～7.0A范圍內(nèi)選擇具有規(guī)定波長的X射線，根據(jù)所選擇波長的X射線進(jìn)行照射，以調(diào)節(jié)上述二氧化硅玻璃從表面到深度方向上折射率變化的分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于在進(jìn)行X射線照射期間，對上述二氧化硅玻璃進(jìn)行冷卻。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或8的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于根據(jù)利用折射率的變化量與X射線照射量的n乘(0＜n＜1)成比例的關(guān)系，求出獲得所期望折射率變化量所必須的X射線照射量。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于根據(jù)對金屬膜過濾器的金屬種類的選擇，進(jìn)行對具有所定波長的X射線的選擇。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于使用結(jié)晶分光器進(jìn)行對所定波長X射線的選擇。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，其特征在于作為X射線產(chǎn)生源，使用從同步加速器輻射光裝置和管球式X射線發(fā)生裝置中選擇的一種。
全文摘要
二氧化硅玻璃的高折射率化的方法，特征是利用具有波長范圍為1.2～7.0的X射線(2)照射二氧化硅玻璃(1)中所規(guī)定的照射部位(1A)，以X射線(2)激發(fā)照射部位(1A)內(nèi)硅原子的K層電子，以有效提高照射部位(1A)內(nèi)的折射率。
文檔編號C03C23/00GK1129680SQ95119949
公開日1996年8月28日 申請日期1995年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月17日
發(fā)明者蟹江智彥, 片山誠 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社