(57)【要約】  【課題】コレステリック液晶に、温度や圧力以外の外部刺激を与えて、液晶セル中の液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅などを制御する技術を提供すること、スペクトル線幅の小さいシャープなスペクトルを与えるレーザー発振技術を提供すること。  【解決手段】  液晶セルに照射する励起光の強度と、前記液晶セルに印加する外部電場の強度を制御することにより、液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅を制御する、レーザー発振の制御方法  【選択図】  図１
2005101464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶セルに照射する励起光の強度と、前記液晶セルに印加する外部電場の強度を制御することにより、液晶分子の配列状態を変化させ、前記液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅を制御する、レーザー発振の制御方法。
【請求項２】
前記液晶セルは、蛍光色素を含有するコレステリック液晶層を挟むように対向する２枚の透明電極ガラス基板を有する液晶セルである請求項１に記載のレーザー発振の制御方法。
【請求項３】
前記蛍光色素を含有するコレステリック液晶において、コレステリック液晶の反射スペクトルは蛍光色素の発光スペクトルと重なっている請求項２に記載のレーザー発振の制御方法。
【請求項４】
前記コレステリック液晶層は、正の誘電異方性を有するアキラルネマチック液晶と、コレステリック液晶を誘起するキラル剤から構成されている。前記コレステリック液晶層に、蛍光色素を０．２〜１．０重量％となるように添加したものである請求項２に記載のレーザー発振の制御方法。
【請求項５】
前記の正の誘電異方性を有する液晶は、下記構造式（１）、及び（２）で表される化合物のいずれか、又は両方を１００重量部含み、
2005101464.tif 000007
前記のキラル剤は、下記構造式（３）で表される化合物を５〜６重量部含み、
2005101464.tif 000008
前記の蛍光色素は、ＤＣＭである、
請求項３に記載のレーザー発振の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー発振の制御方法に関する。より詳しくは、本発明は、液晶セルに照射する励起光の強度と、前記液晶セルに印加する外部電場の強度を制御することにより、液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅を制御する、レーザー発振の制御方法などに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機電界発光デバイスや有機固体レーザーデバイスの発展に伴って、励起状態における有機分子の発光過程の重要性がますます高まっている。最近では、有機電界発光デバイスの次世代素子として電流注入型有機半導体レーザーが注目されており、これを達成するためには位相や伝搬方向をフィードバックさせる光共振器構造が必要不可欠である。電流注入型有機レーザーデバイスの構築に先立ち、π電子共役系高分子や色素を添加した高分子などの発光材料を用いた光励起型レーザー発振に関する研究例が数多く報告されている（A. Dodabalapur, E. A. Chandross, M. Berggren, and R. E. Slusher, Science, 277, 1787 (1997)，M. D. McGehee and A. J. Heeger, Adv. Mater., 12, 1655 (2000).）。
【０００３】
これまでにDFB（Distributed Feedback）（H. Kogelnik and C. V. Shank, Appl. Phys. Lett., 18, 152 (1971).）、DBR（Distributed Bragg Reflector）（I. P. Kaminov, H. P. Weber, and E. A. Chandross, Appl. Phys. Lett., 18, 497 (1971)，N. Tessler, G. J. Denton, and R. H. Friend, Nature, 382, 695 (1996).）、マイクロディスク（M. Kuwata-Gonokami, R. H. Jordan, A. Dodabalapur, H. E. Katz, M. Schilling, R. E. Slusher, and S. Ozawa, Opt. Lett., 20, 2093 (1995).）やマイクロリング（S. V. Frolov, Z. V. Vardeny, and K. Yoshino, Appl. Phys. Lett., 72, 1802 (1998).）といったさまざまな分布帰還型共振器構造が提案され、光励起によるレーザー発振が確認されている。
【０００４】
しかしながら、これらの光共振器構造体を作製するためにはフォトリソグラフィー法などの煩雑な工程が必要とされ、簡便に得ることはできないという問題がある。
【０００５】
コレステリック（キラルネマチック）液晶は、キラル分子から創り出される超分子らせん構造を示す。ラビング処理した基板の間にコレステリック液晶を挟み込むと、自己組織的に分子らせん軸が基板に対して垂直に配向したプラーナー配向（グランジェン組織）を形成する（H. Coles, "Handbook of Liquid Crystals, Vol 2A", D. Demus, J. Goodby, G. W. Gray, H.-W. Spiess, and V. Vill eds., Wiley-VCH, Weinheim (1998), pp. 335 - 409.）。液晶分子のらせん軸に沿って屈折率が周期的に変動しているため光の干渉が起こり、ブラッグの反射条件を満たすある特定の光を選択反射する。反射バンドの中心波長（λmax）は式(1)に示すような液晶の平均屈折率（n）とらせんピッチ（p）で決定され、その波長帯（Δλ）は式(2)で表すようならせんピッチと複屈折（Δn）から求めることができる。
【０００６】
λmax = np,                           (1)
Δλ = Δnp,                          (2)
【０００７】
反射光は、コレステリック液晶の掌性に強く依存し、式(1)および式(2)を満たす波長域において、液晶分子のらせんと同一方向の円偏光を選択的に反射し、らせんと反対方向の円偏光は透過する。コレステリック液晶のらせんピッチは温度や圧力といった外部刺激に応答し、それに附随して反射バンドの波長も変化する（H. Coles, "Handbook of Liquid Crystals, Vol 2A", D. Demus, J. Goodby, G. W. Gray, H.-W. Spiess, and V. Vill eds., Wiley-VCH, Weinheim (1998), pp. 335 - 409.）。
【０００８】
コレステリック液晶のプレーナー配向は、誘電率が周期的に変調された構造を自発形成しているため、一次元フォトニック結晶構造と見なすことができる（L. S. Goldberg and J. M. Schnur (The United States of America as represented by the Secretary of the Navy), U.S. Patent 3771065 (1973).）。最近では、コレステリック液晶の自己組織化フォトニック結晶構造を利用したレーザー発振に関する研究が盛んになっている（S. Furumi, S. Yokoyama, A. Otomo, and S. Mashiko, Thin Solid Films, 438/439, 422 (2003).）。コレステリック液晶を用いたレーザー発振の特徴として、特別な外部光共振器を必要としないことが挙げられる。
【０００９】
低分子（H. Finkelmann, S. T. Kim, A. Munoz, P. Palffy-Muhoray, and B. Taheri, Adv. Mater., 13, 1069 (2001).）、高分子コレステリック液晶（H. Finkelmann, S. T. Kim, A. Munoz, P. Palffy-Muhoray, and B. Taheri, Adv. Mater., 13, 1069 (2001).）、強誘電性液晶（M. Ozaki, M. Kasano, D. Ganzke, W. Hasse, and K. Yoshino, Adv. Mater., 14, 306 (2002).）、光重合性コレステリック液晶（J. Schmidtke, W. Stille, H. Finkelmann, and S. T. Kim, Adv. Mater., 14, 746 (2002).）、ブルーフェーズ液晶（W. Cao, A. Munoz, P. Palffy-Muhoray, and B. Taheri, Nature Materials, 1, 111 (2002).）などのさまざまなサーモトロピック液晶のみならず、リオトロピックコレステリック液晶（P. V. Shibaev, K. Tang, A. Z. Genack, V. Kopp, and M. M. Green, Macromolecules, 35, 3022 (2002).）を用いてもレーザー発振が確認されている。また、光励起フェルスター型エネルギー移動を利用した効率的なレーザー発振も報告されている（M. Chambers, M. Fox, M. Grell, and J. Hill, Adv. Funct. Mater., 12, 808 (2002).）。
【００１０】
このように、コレステリック液晶は、流動性をもちながら自己組織的に一次元フォトニック結晶構造を形成する特徴があるので、外部刺激に応答する新規なレーザー発振デバイスの作製が期待できる。これまでに、コレステリック液晶に圧力（非特許文献１（H. Finkelmann, S. T. Kim, A. Munoz, P. Palffy-Muhoray, and B. Taheri, Adv. Mater., 13, 1069 (2001).）参照。）や温度（非特許文献２（M. Ozaki, M. Kasano, D. Ganzke, W. Hasse, and K. Yoshino, Adv. Mater., 14, 306 (2002).）参照。）といった外部刺激を加えることで、レーザー発振を制御した例が報告されている。そこで、コレステリック液晶に圧力や温度以外の外部刺激を加えてレーザー発振を制御する技術の開発が期待される。
【非特許文献１】H. Finkelmann, S. T. Kim, A. Munoz, P. Palffy-Muhoray, and B. Taheri, Adv. Mater., 13, 1069 (2001).
【非特許文献２】M. Ozaki, M. Kasano, D. Ganzke, W. Hasse, and K. Yoshino, Adv. Mater., 14, 306 (2002).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、コレステリック液晶に、温度や圧力以外の外部刺激を与えて、液晶セル中の液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅などを制御する技術を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成しつつ、スペクトル線幅の小さいシャープなスペクトルを与えるレーザー発振技術を提供することを別の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記の課題のうち少なくとも一つ以上を解決するため、本発明のレーザー発振の制御方法は、液晶セルに照射する励起光の強度と、前記液晶セルに印加する外部電場の強度を制御することにより、液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅を制御する、レーザー発振の制御方法である。すなわち、液晶セルに加える外部刺激として励起光の強度と外部電場の強度を制御することにより、液晶の状態を変化させ、レーザー発振を制御することができる。
【００１４】
（２）本発明のレーザー発振の制御方法は、好ましくは、前記液晶セルは、蛍光色素を含有するコレステリック液晶層を挟むように対向する２枚の透明電極ガラス基板を有する液晶セルであるレーザー発振の制御方法である。蛍光色素が励起光により発光し、その光子がコレステリック液晶のらせん構造中に局在化するので、コレステリック液晶の反射バンドが一次元フォトニックバンドギャップとして機能する。液晶セル内の分配フィードバック（DFB）効果により、コレステリック液晶から反射バンド端でシャープなレーザー発振が可能となる。
【００１５】
（３）本発明のレーザー発振の制御方法は、好ましくは、前記蛍光色素を含有するコレステリック液晶において、コレステリック液晶の反射スペクトルは蛍光色素の発光スペクトルと重なっているレーザー発振の制御方法である。
【００１６】
（４）本発明のレーザー発振の制御方法は、好ましくは、コレステリック液晶層が、正の誘電異方性を有するアキラル（キラル部位を持っていない）ネマチック液晶と、コレステリック液晶を誘起するキラル剤から構成されている。前記コレステリック液晶層に、蛍光色素を０．２〜１．０重量％となるように添加したものである。液晶に添加するキラル剤の濃度を調整することで、レーザー発振波長を制御でき、光励起エネルギーのしきい値も制御できる。また、蛍光色素の濃度を制御することで、上記のようなシャープなレーザー発振が可能となる。
【００１７】
（５）本発明のレーザー発振の制御方法は、好ましくは、正の誘電異方性を有する液晶が、下記構造式（１）、及び（２）で表される化合物のいずれか、又は両方を１００重量部含み、
2005101464.tif 000003
前記のキラル剤は、下記構造式（３）で表される化合物を５〜６重量部含み、
2005101464.tif 000004
前記の蛍光色素は、ＤＣＭ（4-ジシアノメチレン-2-メチル-6-(p-ジメチルアミノスチリル)-4H-ピラン）である。
【００１８】
すなわち、本発明は、蛍光色素を添加したコレステリック液晶を用いて、光励起によるレーザー発振を行い、コレステリック液晶セルに交流電場を印加し、液晶分子のらせん構造変化を引き起こすとともに、液晶分子の配向変化と関連したレーザー発振挙動の制御方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、コレステリック液晶に、外部刺激としての励起光の強度や、印加電場の強度を制御して、液晶セル中の液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅などを制御することができる。励起光の強度や、印加電場の強度は、比較的容易に制御でき、しかもこれによって制御されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、レーザー光の線幅は大きく変化する。したがって、本発明の制御方法は、レーザー発振を制御する方法として有効である。
【００２０】
本発明によれば、スペクトル線幅の小さいシャープなスペクトルを与えるレーザー発振を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、液晶セルに照射する励起光の強度と、前記液晶セルに印加する外部電場の強度を制御することにより、液晶分子の配列状態を変化させ、液晶セルから発振されるレーザー発振の有無、レーザー光の強度、及びレーザー光の線幅を制御する、レーザー発振の制御方法に関する。そして、前記液晶セルは、蛍光色素を含有するコレステリック液晶層と、前記蛍光色素を含有するコレステリック液晶層を挟むように対向した２枚のＩＴＯ透明電極ガラス基板を有する液晶セルである。また、蛍光色素を有するコレステリック液晶層は、液晶と、コレステリック液晶を誘起するキラル剤とを含むコレステリック液晶に、蛍光色素を添加したものを含む液晶材料によって製造される。
【００２２】
（液晶）
液晶としては、公知の液晶を用いることができ、特に正の誘電異方性を有する液晶が好ましい。このような液晶としては、下記の化学式を有する２種類の化合物を等モルずつ含有する液晶（大日本インキ社製：ＲＤＰ−６０７７４）が挙げられる。大日本インキ社製：ＲＤＰ−６０７７４は、正の誘電異方性を有するネマチック液晶は末端にシアノ基を有する化合物の混合物で、その諸物性はTNI = 43 °C、Δn = 0.139、Δε = +11.3である。
2005101464.tif 000005
【００２３】
（キラル剤）
キラル剤は、コレステリック液晶を誘起する剤であり、例えばアキラルネマチック液晶をコレステリック液晶に誘起する。キラル剤は、特開2002-180051号公報、特開2002-179682号公報、特開2002-179670号公報などに開示されているものも用いてもよい。キラル剤としては、光反応型キラル剤が挙げられる。光反応型キラル剤は、キラル部位と光の照射により構造変化を生ずる光反応部位を有し、たとえば照射光量に応じて液晶の螺旋構造の捻れ力（ＨＴＰ）を大きく変化させる化合物である。光照射による螺旋構造誘起力を大きくするためには、光照射による構造変化の度合いの大きいものが好ましい。さらに光反応型キラル剤 としては、溶解度パラメータのＳＰ値が液晶性化合物に近似したものが望ましい。また、光反応型キラル剤 の分子中に、重合性の結合基を１つ以上導入した構造とすると、液晶相の耐熱性が向上する。
【００２４】
キラル剤として具体的には、下記式で表されるキラル剤（メルクジャパン社製：Ｒ−１０１１）が挙げられる。メルクジャパン社製：Ｒ−１０１１は、二つのメソゲン間を不斉炭素原子で連結したキラル剤である。
2005101464.tif 000006
【００２５】
キラル剤は、液晶１００重量部に対し、通常５〜６重量部添加される。
【００２６】
（蛍光色素）
蛍光色素としては、レーザー用に用いられる公知の蛍光色素を用いることができる。このような蛍光色素としては、例えば、ＤＣＭ（4-ジシアノメチレン-2-メチル-6-(p-ジメチルアミノスチリル)-4H-ピラン：4-dicyanmethylene -2- methyl -6- (p-dimethylaminostyryl) -4H- pyran）、パイロメタン(Pyrromethene)、クマリン（coumarin）、ローダミン（Rhodamine）、オキサジン（Oxazine）、ピリジン（Pyridine）、フルオレセン（Flurrescein）、キトン赤（Kiton Red）が挙げられ、これらの中で好ましくはＤＣＭ、又はパイロメタン（例えば、パイロメタン５９７）である。なお、これらの色素は、広く市販されているものを用いることができる。
【００２７】
蛍光色素は、通常液晶材料中通常０．３〜０．５重量％となるように調整される。
【００２８】
なお、上記の液晶材料、キラル剤、蛍光色素のほかに、必要に応じて、重合性モノマー、重合開始剤や、バインダ樹脂、溶媒、界面活性剤、重合禁止剤、増粘剤、色素、顔料、紫外線吸収剤、ゲル化剤等の他の成分を含ませることができる。本発明の液晶組成物は、特に界面活性剤を併用することが好ましい。例えば、塗布液状の液晶組成物を塗布し層形成する場合など、層表面の空気界面における配向状態を立体的に制御でき、特にコレステリック液晶相の場合には、より色純度の高い選択反射波長を得ることができる。
【００２９】
（ＩＴＯ透明電極ガラス基板）
ＩＴＯ透明電極ガラス基板としては、公知のＩＴＯ透明電極ガラス基板を用いることができ、特に限定されない。
【００３０】
（液晶セルの製造方法）
以下、本発明の液晶セルの製造方法の例について説明する。ＩＴＯ透明電極ガラス基板上にポリビニルアルコール（PVA）水溶液を塗布し、一軸方向にラビング処理する。２枚のラビング処理を施したガラスＩＴＯ透明電極基板をポリイミドスペーサーで挟み込み、空セルを作製し、先に調整した蛍光色素含有コレステリック液晶を封入する。このようにして、液晶セルを作成できる。
【実施例１】
【００３１】
（1.1 材料および液晶セルの作製）
液晶材料として、大日本インキ社製：ＲＤＰ−６０７７４を用いた。また、キラル剤としてメルクジャパン社のＲ−１０１１を用いた。この実施例では、ＲＤＰ−６０７７４に6.0 wt% （約2 mol%）のＲ−１０１１を添加することで、可視域に選択反射を示し、かつ右分子らせんを有するコレステリック液晶相を調整した。ＲＤＰ−６０７７４に対するキラル剤のらせんねじれ力（Helical twisting power; β）は42.1 (μm wt%)-1であった。蛍光色素として、ＤＣＭを用い、先に調整したコレステリック液晶に対してＤＣＭを0.4 wt%の割合で混合し蛍光色素含有コレステリック液晶とした。
【００３２】
液晶セルは、2枚のＩＴＯ透明電極ガラス基板を用いて作製した。ＩＴＯ透明電極ガラス基板上に1.0 wt%のポリビニルアルコール（PVA）水溶液をスピン塗布し、一軸方向にラビング処理を促した。２枚のラビング処理を施したガラスＩＴＯ透明電極基板を7.5 μmのポリイミドスペーサーで挟み込み、空セルを作製し、先に調整した蛍光色素含有コレステリック液晶を封入した。このようにして液晶セルを作成した。
【００３３】
（1.2 液晶セルの光学特性評価）
図１に液晶セルのレーザー発振を評価する際の実験光学系１を示す。励起光源（ポンプ光源）としてＱスイッチ（Q-switched）Nd:YAGレーザーの第二高調波（New Wave Research; Polaris; 波長 532 nm; パルス幅: 6 ns）を用いた。レーザー光を、液晶セル法線の斜め45°の方向から液晶セル３に入射し、凸レンズ４（f = 100）を用いて集光した。液晶セル上での集光直径は、約300 μmであった。レーザー光を図しない波長板、偏光プリズム５、および図示しないNDフィルターで調整し、光検出器６（焦電型エネルギーアナライズシステム（Coherent; Smart Sensor LM-P-209））を用いてその強度を検出した。液晶セルからの発光を二つの凸レンズ（f = 100）で集光し、ファイバー分光器（Ocean Optics; USB2000 or Acton Research; Spectra Pro 150）で評価した。液晶セルに外部電場を印加する際は60 Hzの交流電源（Yamabishi; Volt slider V-130-5）を用いた。
【００３４】
（2.1 液晶セルの発光特性）
蛍光性色素（DCM）を添加したコレステリック液晶は、グランジェン組織（プラーナー配向）を示した。反射スペクトルを測定することにより、液晶セルの580 nmから630 nmの間に光選択反射バンドが存在することを確認できた。このことは、コレステリック液晶のらせん軸が基板に対して垂直方向に配向していることを示している。また、キセノンランプの定常光励起による発光スペクトルは、590 nmの極大発光波長を中心にして長波長側は720 nm程度まで広がった発光バンドを示した。したがって、このコレステリック液晶の反射バンドは、DCM色素の発光スペクトル中に十分に重なっている。
【００３５】
このコレステリック液晶セルを0.8 μJ/pulseのNd:YAGパルスレーザーで光励起すると、DCM色素の蛍光スペクトルの中に反射バンド由来の発光の抑制とバンド端での発光の増強が観察できた。これは、色素発光の光子がコレステリック液晶のらせん構造中に局在化しており、コレステリック液晶の反射バンドが一次元フォトニックバンドギャップとして機能していることを示唆している。
【００３６】
その後、光励起エネルギーを1.1 μJ/pulseに増加すると、線幅の狭い発光スペクトルに急変した。発光波長は630 nmであり、液晶の反射バンドの長波長端と一致していた。
【００３７】
ついで、光励起エネルギーに対する液晶セルの発光強度およびスペクトル線幅を詳細に検討した。図２は、光励起エネルギーに対する発光強度とスペクトル半値幅の変化を示すグラフである。図２（ａ）は光励起エネルギーと発光強度との関係を表し、図２（ｂ）は、光励起エネルギーとスペクトルの半値幅との関係を表す。6.0 wt%のR-1011を含む液晶セルにおいて、レーザー発振に要する光励起エネルギーのしきい値は約1.1 μJ/pulseであった（図２（ａ）の○参照。）。レーザー発振前後では、発光強度は数千倍に増加するとともに、そのスペクトル線幅は80 nmから0.8 nmに急減した（図２（ｂ）の○参照。）。したがって、液晶セル内の分配フィードバック（DFB）効果により、コレステリック液晶から反射バンド端でレーザー発振したものと考えられる。
【００３８】
レーザー発光がコレステリック液晶の反射バンド端で誘起することを考慮して、R-1011のキラル剤濃度を変えた液晶を調整し、レーザー発振波長の検討を行った。図３に反射スペクトルとレーザー発光スペクトルを示す。図３（ａ）は、キラル剤の濃度が６ｗｔ％の場合、図３（ｂ）は、キラル剤の濃度が５．９ｗｔ％の場合、図３（ｃ）は、キラル剤の濃度が５．４ｗｔ％の場合の反射スペクトルとレーザー発光スペクトルである。なお、図３中、実線はレーザー発光スペクトルを表し、点線は反射スペクトルを表す。図３に示されるように、キラル剤の濃度を増加させると反射バンド（λmax）は短波長側にシフトした。この波長シフトは、式(3)に従っていた。
【００３９】
λmax = n/βC                 (3)
【００４０】
ここでnは液晶の平均屈折率、βはRDP-60774に対するR-1011のらせんねじれ力、CはR-1011の重量濃度を示す。図３から、レーザー発光波長は反射バンドの位置に強く依存することがわかる。図３（ａ）に示されるように6.0 wt%のキラル剤（R-1011）を含む液晶を用いると、一つのレーザー発光が反射バンドの長波長側（630 nm）に発現した。一方、図３（ｃ）に示されるようにキラル剤（R-1011）が、5.4 wt%の液晶では、コレステリック液晶の反射バンドがDCM色素の蛍光極大波長から80 nmも離れているにもかかわらず、短波長側の反射バンド端（674 nm）に一つのレーザー発光を確認することができた。この二種類の液晶セルにおいて、レーザー発光は一つしか観察できなかったのに対して、5.9 wt%のR-1011を混入した液晶を用いるとレーザー発光は、図３（ｂ）に示されるように608 nmと658 nmの反射バンドの両端で現れた。これは、コレステリック液晶の反射バンドがDCM色素の極大蛍光波長よりも長波長側のスペクトルと完全に重なり合っているためと考えられる。したがって、式(3)に従ってネマチック液晶に添加するキラル剤の濃度を調整することで、レーザー発振波長を制御できることがわかる。
【００４１】
また、図２からわかるように、レーザー発振に要する光励起エネルギーは液晶中のキラル剤の添加量、つまりコレステリック液晶の反射バンドの位置に依存する。光励起の閾値は、R-1011の添加量が6.0 wt%の液晶で1.1 μJ/pulse、5.9 wt%の液晶で0.9 μJ/pulse、5.4 wt%の液晶で1.2μJ/pulseであった。コレステリック液晶セル内で発光が増幅され、液晶セル外にレーザー光を放出するためには、レーザー輻射の利得がセル内の損失より大きくならなければならない。蛍光スペクトルとゲインスペクトルは類似しているので、コレステリック液晶の反射バンドがDCM色素の極大蛍光波長付近に存在しているときは、効率的に利得を得ることができる。一方、5.4 wt%のR-1011を含む液晶セルのようにDCM色素の蛍光スペクトルの長波長端に反射バンドが位置している場合では、レーザー発振に必要な利得を得にくいために比較的光励起エネルギーのしきい値が大きくなる。つまり、キラル剤の添加量を制御することによってレーザー発振波長が調整できるばかりでなく、光励起エネルギーのしきい値をも制御できる。
【００４２】
（2.2 レーザー発光の偏光特性）
コレステリック液晶セルからのレーザー発光の偏光特性を、図４(a)にその基本構成が示される偏光発光特性の評価系７を用いて調べた。この偏光発光特性の評価系は、1/4波長板（フォレネルロム波長板）８と直線偏光子９と光検出器１０を含む。図中の矢印は、レーザー発光の進行方向を表す。前述したように、コレステリック液晶の光選択反射の分散関係は、コレステリック液晶がねじれ構造を形成している。このため、固有偏光である左右の円偏光に対して縮退がとけ、分子らせんと同じ掌性の円偏光においてフォトニックバンドギャップが生じるが、反対の円偏光においてギャップ効果が起こらない。したがって、レーザー発光に円偏光特性があると予想できる。図３(b)の実験結果から、R-1011を5.9 wt%含むコレステリック液晶セルから二つのレーザー発光が確認できているので、それらの円偏光特性を評価することとした。図４(a)に示すように、1/4波長板として位相変換に波長依存性の少ないフレネルロム波長板を使用し、波長板を通過してきたレーザー発光を直線偏光子を回転させて、円偏光発光特性を評価した。レーザー発光スペクトルを図４（ｂ）に示す。直線偏光子の角度（θ）を+45°から反時計回りに回転すると、レーザー発光の強度は増加し、θが+45° ± 180°の時に発光強度は最大値を示した。θ = +45°は右円偏光、θ = -45°は左円偏光に相当するので、レーザー発光の円偏光度（g）を式(4)から算出した。
【００４３】
g = 2(IL - IR)/(IL + IR)                                    (4)
【００４４】
ILは左円偏光発光、IRは右円偏光発光を表す。式(4)からわかるように、g = ±2のときには完全な円偏光発光を意味している。図４のレーザー発光スペクトルから、608 nmと658 nmのレーザー発光のg値はほぼ-1.8と算出でき、指向性の高い右円偏光発光であることがわかった。これまで報告されているコレステリック液晶による円偏光発光のg値と比較すると、このg値は大きかった。
【００４５】
図５に、直線偏光子を回転させながらレーザー発光強度を測定した結果を示す。図中黒丸は、キラル剤としてＲ−１０１１を用いた場合であり、図中、白丸はR-1011の鏡像異性体であるS-1011を用いた場合のグラフである。ネマチック液晶にR-1011のキラル剤を添加し、右らせんのコレステリック液晶を用いると右円偏光レーザー発振していることがわかる。一方で、S-1011を用いて同様な実験を行うと左円偏光のレーザー発光を示していることが確認できた。したがって、コレステリック液晶を用いた円偏光レーザー発光のらせん方向は、ネマチック液晶に添加したわずか2 mol%のキラル剤の光学活性部位に依存することがわかる。
【００４６】
つまり、コレステリック液晶セルを直線偏光のレーザーで光励起しているにもかかわらず円偏光レーザー発光を誘起しているので、コレステリック液晶の反射バンドは「キラルフォトニックバンドギャップ」として機能しているといえる。
【００４７】
（2.3 レーザー発振の電場制御）
本実施例において用いたネマチック液晶は、比較的大きな正の誘電異方性を有している。したがって、外部電場を印加することによりコレステリック液晶セルの配向変化が起こり、それに伴ったレーザー発振制御が期待できる。図６は、1.9μJ/pulseで光励起しながらコレステリック液晶セルに60 Hzの交流電場を印加したときのレーザー発光強度変化を示すグラフである。図６（ａ）は、印加電場の強度とレーザー発光の強度との関係を表し、図６（ｂ）は、印加電場を変化させた際の液晶セルの反射スペクトルを表す。図６（ａ）に示されるように印加電圧が18 Vまではレーザー発光を確認できたが、21 Vに電圧を増加すると急激に発光が消失した。印加電圧が21 Vにおいて、5.0 μJ/pulseで光励起してもレーザー発光を誘起できなかった。電場印加によるレーザー発光の消失は、図６（ｂ）に示されるように反射バンド端の変化に由来していると考えられる。
【００４８】
印加電場を変化させた場合の液晶の状態を検討するために、電場印加による液晶セルの偏光顕微鏡観察を行った。電場無印加状態では液晶分子は水平配向であり、図７(a)のようなグランジェン組織を示した。印加電圧を21 Vにすると、図７(b)に示すようならせん軸が水平方向にランダムになったファンフォーカルコニック組織に変化し、引き続いて70 V以上の電圧を加えると図７(c)のように液晶分子の複屈折が完全に消失した。これは、電場誘起コレステリック・ネマチック相転移が起こり、ネマチックホメオトロピック配向とに変化したことを示唆している。このホメオトロピック配向から急激に電場を取り去るとグランジェン組織に可逆的に戻り、その配向変化に伴ってレーザー発光も再確認できた。以上のように、コレステリック液晶の電場誘起配向変化に基づいたレーザー発振の可逆制御に成功した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、レーザー発振の制御方法に関するので、レーザー装置など様々な用途がある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、液晶セルのレーザー発振を評価する際の実験光学系の基本構造を示す概略構成図である。
【図２】図２は、光励起エネルギーに対する発光強度とスペクトル半値幅の変化を示すグラフである。図２（ａ）は光励起エネルギーと発光強度との関係を表し、図２（ｂ）は、光励起エネルギーとスペクトルの半値幅との関係を表す。
【図３】図３に反射スペクトルとレーザー発光スペクトルを示す。図３（ａ）は、キラル剤の濃度が６ｗｔ％の場合、図３（ｂ）は、キラル剤の濃度が５．９ｗｔ％の場合、図３（ｃ）は、キラル剤の濃度が５．４ｗｔ％の場合の反射スペクトルとレーザー発光スペクトルである。
【図４】図４（ａ）は、コレステリック液晶セルからのレーザー発光の偏光特性の測定系の基本的構成を示す概略構成図である。図４（ｂ）は、レーザー発光スペクトルの円偏光発光特性を評価したグラフである。
【図５】図５は、直線偏光子を回転させながらレーザー発光強度を測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６は、1.9μJ/pulseで光励起しながらコレステリック液晶セルに60 Hzの交流電場を印加したときのレーザー発光強度変化を示すグラフである。図６（ａ）は、印加電場の強度とレーザー発光の強度との関係を表し、図６（ｂ）は、印加電場を変化させた際の液晶セルの反射スペクトルを表す。
【図７】図７は、印加電場を変化させた場合の液晶の状態を示す図及び図面に変る写真である。図７(a)は、電場を印加しない場合、図７(b)は印加電圧が21 Vの場合、図７(c)は印加電圧が70 V以上の場合である。
【符号の説明】
【００５１】
１  液晶セルのレーザー発振を評価する際の実験光学系
２  励起光源
３  液晶セル
４  凸レンズ
５  偏光子
６  光検出器
７  偏光発光特性の評価系
８  1/4波長板（フォレネルロム波長板）
９  直線偏光子
１０  光検出器
【図１】
2005101464.tif 000009
【図２】
2005101464.tif 000010
【図３】
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【図４】
2005101464.tif 000012
【図５】
2005101464.tif 000013
【図６】
2005101464.tif 000014
【図７】
2005101464.tif 000015