(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
式(Ａ)で表される構造を有する色素分子が配向した薄膜を備え、少なくとも一種以上のレーザ光が通過又は伝播することを特徴とする非線形光学素子。
【化１】
0004567235.tif 000004
(式中、Ｘ1は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、ハロゲン原子又は水素原子を示し、Ｘ2〜Ｘ7は水素原子を示す。)
【請求項２】
外部から入力されたレーザ光の二倍以上の振動数を有する第２次高調波が発生することを特徴とする請求項１記載の非線形光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光技術の分野で有用な非線形光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非線形光学素子は、光通信の分野において広範な用途がある。光通信技術の発展に伴い、安価であり、製造が容易でかつ高性能の非線形光学素子が求められている。このような要求から有機の非線形光学材料は大きな期待がもたれているが、このような素子を得るためには解決すべき課題が多い。
非線形光学素子では、結晶を用いることが好ましいが、有機材料は一般に大きな単結晶を作成することが難しい。一方、多くの有機材料では単結晶が得られない場合でも、材料に配向を与えることができれば、大きな非線形光学効果が得られることが知られている。したがって、多くの材料とその配向方法が研究されている。しかし、配向を容易に実現して性能とコストの両方に優れる方法は知られていないのが実状である。
【０００３】
一方、ポリテトラフルオロエチレン(以下、ＰＴＦＥと略記する)を配向させた薄膜上に、各種材料を堆積させると、容易に各種材料が配向することが知られている。ジスらは、この技術を用いてメチルニトロアニリンを配向させた薄膜を作成しそれらが非線形光学素子の性能を有することを見出した(オプティッカル・マテリアルズ(Optical Materials)、第9巻、423-429頁(1998年))。
しかし、上記材料は昇華性が有り、常温で不安定で取り扱いが難しく実用的な素子には不充分であった。したがって、非線形光学素子に利用でき、昇華性が小さく、より安定でかつ容易に透明な配向薄膜が得られる材料の開発が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、昇華性が小さく、より安定な配向薄膜を備える非線形光学素子を提供することにある。
本発明の別の目的は、昇華性が小さく、より安定な配向薄膜を備え、優れた第２次高調波を発生させることが可能な非線形光学素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の構造を有する色素化合物から配向薄膜を容易に得ることができ、これにレーザ光を導くことにより顕著な非線形光学効果が発現することを見出し本発明に到達した。すなわち本発明によれば、式(Ａ)で表される構造を有する色素分子が配向した薄膜を備え、少なくとも一種以上のレーザ光が通過又は伝播することを特徴とする非線形光学素子が提供される。
【化２】
0004567235.tif 000002
(式中、Ｘ1は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、ハロゲン原子又は水素原子を示し、Ｘ2〜Ｘ7は水素原子を示す。)
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明の非線形光学素子は、上記式(Ａ)で表される構造を有する色素分子が配向した薄膜を備える。上記式(Ａ)において、Ｘ1は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、ハロゲン原子又は水素原子を示し、Ｘ2〜Ｘ7は水素原子を示す。これらは用途に応じて適宜選択することができるが、配向薄膜の透明性を向上させるため等の点で、Ｘ1が炭素数１〜１２の直鎖アルキル基であることが特に好ましい。このような色素分子の構造としては、例えば、下記式(1)〜(5)で示される構造等が挙げられる。
【０００７】
【化３】
0004567235.tif 000003
【０００８】
本発明の非線形光学素子は、上記色素分子の構造がその性能に影響を及ぼすので、色素分子を適宜選択することにより、外部から入力されたレーザ光の二倍以上の振動数を有する第２次高調波(以下、ＳＨＧと略記する)を発生させることが可能となる。このような優れたＳＨＧ強度を示すという点では、上記式(1)、(2)で示される色素分子構造を有する色素化合物の使用が好ましい。
【０００９】
上記式(Ａ)で示される色素分子からなる色素化合物は公知の方法等で製造することができる。
【００１０】
本発明の非線形光学素子において、式(Ａ)で表される色素分子が配向した薄膜(以下、色素配向薄膜という)を作成するには各種方法が採用できる。例えば、式(Ａ)で表される色素分子を、配向を施した特定の基板に堆積する方法、若しくは基板上に式(Ａ)で表される色素分子を堆積させて得た薄膜を摩擦する方法等が挙げられる。前記色素分子を容易に配向させる点から、配向させたＰＴＦＥ薄膜上に前記色素分子を堆積する方法が好ましく、配向させたＰＴＦＥ薄膜上に前記色素分子を蒸着する方法が特に好ましい。
【００１１】
本発明の非線形光学素子において、前記色素配向薄膜の膜厚は、その非線形光学素子の種類と目的によって異なるが、通常、０．０５μｍ以上、３００μｍ以下が好ましく、０．０５μｍ以上、３０μｍ以下が更に好ましく、０．０５μｍ以上、１０μｍ以下が特に好ましい。また、その配向は一般に高い方が好ましい。配向は二色比の大きさで測ることができるが、二色比は２以上が好ましく、５以上が更に好ましく、１０以上がより好ましく、２０以上が特に好ましい。
【００１２】
本発明の非線形光学素子は、上記色素配向薄膜を備えておればよく、素子の詳細の構成としては非線形光学素子として公知のものが採用でき、その構成は用途に応じて適宜選択することができる。
本発明の非線形光学素子は、前記色素配向薄膜にレーザ光を入力することにより優れたＳＨＧを発生させることができる。用いるレーザ光の種類は特に制限はなく、例えば、ＹＡＧレーザ、ルビーレーザ、各種ガスレーザ、半導体レーザ等が使用できる。レーザ光の出力も、その非線形光学素子の種類と目的によって適宜選択することができる。しかし、色素配向薄膜の吸収波長に近い波長のレーザを使用する場合、大きな出力では色素分子が発熱して膜が破壊されることがあるので、一定の出力内に押さえる必要がある。あるいは該吸収波長から離れた波長のレーザを用いることが好ましい。用いるレーザ光線は、少なくとも１つ以上必要であるが、用途によっては複数の光線を用いる。また必要によっては色素配向薄膜に電場を加えて使用することもできる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
なお、本発明中の二色比とは、特定の波長における、色素配向薄膜の配向方向(PTFEの摩擦方向)に平行な方向の偏光の吸光度(Ａ１)と、色素配向薄膜の配向方向と直交する方向の偏光の吸光度(Ａ２)を測定し、次の式により求めたものであり、特に吸収ピーク波長での値を用いた。吸光度の値としては、基材による吸収を差し引いて、色素配向薄膜そのものの吸収を用いた。
二色比＝Ａ１／Ａ２
【００１４】
実施例１
＜PTFE配向薄膜の形成＞
ジャーナル・オブ・アプライド・ポリマー・サイエンス(Journal of Applied Polymer Science)、第50巻、1151頁(1993)記載の材料、方法に従いPTFEをガラス基板上に摩擦することでPTFEの極めて薄い配向薄膜をガラス基板上に作製した。
＜色素配向薄膜の作製＞
このPTFE配向薄膜上に、上記構造式(1)で示される色素分子を真空蒸着し、約０．１μｍの膜厚を有する配向色素薄膜を形成した。この際、この配向色素薄膜中で色素分子の長軸がPTFEを摩擦した方向に一軸に強く配向していることが可視の偏光吸収スペクトルの測定によって確認できた。吸収極大は520nmで、二色比は約５０であった。
【００１５】
＜非線形光学効果の測定＞
得られた配向色素薄膜１０ａを備える配向薄膜試料１０に、図１に示す要領でYAGレーザーによるレーザー光(１．０６μｍの波長の光)Ｌを照射した。図１において、矢印Ｘは配向色素薄膜１０ａ中の色素分子長軸の配向方向を示し、Ｙは配向薄膜試料１０の基板平面に垂直な直線を示し、θはレーザー光Ｌの入射角度を示し、Ｌｓは配向薄膜試料を通過したレーザー光(ＳＨＧ)を示す。この際、レーザ光をP偏光とし基板面に垂直でかつPTFEの摩擦方向の直線を含む面内から色素配向薄膜１０ａに入射した。入射角度θを次第に変えながら、入射方向の延長線上に検出器を置いてそこに到達する第二次高調波(SHG)強度を測定した。得られたSHG強度と入射角度との関係を図２に示す。その結果、水晶結晶から得られるSHGの約６％に相当する強いSHGが得られた。なお、図２において、▲は実施例１で測定した入射角度によるSHG強度を示し、○は後述する実施例２で測定した入射角度によるSHG強度を示し、■は後述する実施例３で測定した入射角度によるSHG強度を示す。
【００１６】
実施例２
＜PTFE配向膜の形成＞
PTFE(分子量５０００〜２００００)をガラス基板上に約５０ｎｍの厚さで蒸着した。このPTFE薄膜の表面を布または皮革(５ｍｍ×２０ｍｍ)で一方向に摩擦し、２０ｍｍ×６０ｍｍのPTFE配向膜を得た。この際、布または皮革は５ｋｇ重の圧力で基板に押しつけ、５ｍｍ／秒の速度で布または皮革の長辺に垂直な方向に移動させて摩擦を行った。
＜色素配向薄膜の作製＞
得られたPTFE配向膜上に、上記構造式(2)で示される色素分子を真空蒸着し、約０．１μｍの膜厚を有する配向色素薄膜を形成した。この際、この配向色素薄膜中で色素分子の長軸がPTFEを摩擦した方向に一軸に強く配向していることが可視の偏光吸収スペクトルの測定で確認できた。吸収極大は４１９ｎｍで、二色比は２７であった。
＜非線形光学効果の測定＞
得られた配向色素薄膜を備える配向薄膜試料を用いて、実施例１と同様の実験を行なった。SHG強度と入射角度の関係を図２に示す。その結果、得られた配向色素薄膜は、水晶結晶から得られるSHGの約９％に相当する強いSHGが得られた。
【００１７】
実施例３
＜PTFE配向膜の形成＞
ガラス基板の代わりに石英基板を用いた他は実施例２と同様にPTFE配向膜を形成した。
＜色素配向薄膜の作製＞
得られたPTFE配向膜上に実施例１と同様な色素分子を真空蒸着し、１μｍの膜厚を有する配向色素薄膜を形成した。この際、この配向色素薄膜中で色素分子の長軸がPTFEを摩擦した方向に一軸に強く配向していることが可視の偏光吸収スペクトルの測定で確認できた。ただし、Ａ１の値が測定範囲を超えたため二色比の正確な値は測定できなかった。
＜非線形光学効果の測定＞
得られた配向色素薄膜を備える配向薄膜試料を用いて、実施例１と同様の実験を行なった。SHG強度と入射角度の関係を図２に示す。その結果、得られた配向色素薄膜は、水晶結晶から得られるSHGの約１４％に相当する強いSHGが得られた。
【００１８】
実施例４
＜PTFE配向膜の形成＞
実施例２と同様にPTFE配向膜を形成した。
＜色素配向薄膜の作製＞
得られたPTFE配向膜上に上記構造式(5)で示される色素分子を真空蒸着し、１μｍの膜厚を有する配向色素薄膜を形成した。この際、この配向色素薄膜中で色素分子の長軸がPTFEを摩擦した方向に一軸に強く配向していることが可視の偏光吸収スペクトルの測定で確認できた。吸収極大は５７０ｎｍで、二色比は２４であった。
＜非線形光学効果の測定＞
得られた配向色素薄膜を備える配向薄膜試料を用いて、実施例１と同様の実験を行なった。SHG強度と入射角度の関係を図３に示す。その結果、得られた配向色素薄膜は、水晶結晶から得られるSHGの０．４％に相当するSHGが得られた。
なお、図３において、▲は実施例４で測定した入射角度によるSHG強度を示し、○は後述する実施例５で測定した入射角度によるSHG強度を示し、■は後述する実施例６で測定した入射角度によるSHG強度を示す。
【００１９】
実施例５
＜PTFE配向膜の形成＞
実施例２と同様にPTFE配向膜を形成した。
＜色素配向薄膜の作製＞
得られたPTFE配向膜上に上記構造式(4)で示される色素分子を真空蒸着し、１μｍの膜厚を有する配向色素薄膜を形成した。この際、この配向色素薄膜中で色素分子の長軸がPTFEを摩擦した方向に一軸に強く配向していることが可視の偏光吸収スペクトルの測定で確認できた。吸収極大は５１６ｎｍで、二色比は５３であった。
＜非線形光学効果の測定＞
得られた配向色素薄膜を備える配向薄膜試料を用いて、実施例１と同様の実験を行なった。SHG強度と入射角度の関係を図３に示す。その結果、得られた配向色素薄膜は、水晶結晶から得られるSHGの０．３％に相当するSHGが得られた。
【００２０】
実施例６
＜PTFE配向膜の形成＞
実施例２と同様にPTFE配向膜を形成した。
＜色素配向薄膜の作製＞
得られたPTFE配向膜上に上記構造式(3)で示される色素分子を真空蒸着し、１μｍの膜厚を有する配向色素薄膜を形成した。この際、この配向色素薄膜中で色素分子の長軸がPTFEを摩擦した方向に一軸に強く配向していることが可視の偏光吸収スペクトルの測定で確認できた。吸収極大は４８８ｎｍで、二色比は８であった。
＜非線形光学効果の測定＞
得られた配向色素薄膜を備える配向薄膜試料を用いて、実施例１と同様の実験を行なった。SHG強度と入射角度の関係を図３に示す。その結果、得られた配向色素薄膜は、水晶結晶から得られるSHGの約０．１５％に相当するSHGが得られた。
【００２１】
比較例１
＜色素配向薄膜の作製＞
ＰＴＦＥ配向膜のないガラス基板上に、上記構造式(１)で示される色素分子を真空蒸着した以外は、実施例１と同様の実験を行なった。この際、可視の偏光吸収スペクトルには二色性がなく、いかなる方向でも二色比はほぼ１であった。
＜非線形光学効果の測定＞
得られた上記色素薄膜試料を用いて実施例１と同様の実験を行なった。その結果、SHG強度は、入射角度４０度付近で、実施例１の約半分であった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の非線形光学素子は、式(Ａ)で表される構造を有する色素分子が配向した薄膜を備え、該薄膜が、昇華性が小さく、より安定な配向薄膜であるので、非線形素子として安定でかつ性能が高い。従って、工業的利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で調製した配向色素薄膜に対して行った、入射角度とSHG強度との関係を測定するための装置の概略を説明するための説明図である。
【図２】実施例１〜３で調製した配向色素薄膜に対して行った、入射角度とSHG強度との関係を示すグラフである。
【図３】実施例４〜６で調製した配向色素薄膜に対して行った、入射角度とSHG強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ａ：配向色素薄膜
１０：配向薄膜試料
Ｌ：レーザー光
θ：レーザー光Ｌの入射角度
Ｌｓ：配向薄膜試料を通過したレーザー光(ＳＨＧ)
【図１】
0004567235.tif 000005
【図２】
0004567235.tif 000006
【図３】
0004567235.tif 000007