(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子中の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う薄膜光素子において、前記光吸収層膜の厚さが、収束された前記制御光の共焦点距離の２倍を越えないことを特徴とする薄膜光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜光素子において、
前記光吸収層膜の片側または両側に、前記制御光および前記信号光の波長帯域において光透過性の保温層膜が設けられたことを特徴とする薄膜光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の薄膜光素子において、
前記保温層膜が存在しない場合には、前記光吸収層膜の片側または両側に前記伝熱層膜が設けられ、
一方、前記保温層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記保温層膜を介して、伝熱層膜が設けられたことを特徴とする薄膜光素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜光素子において、
前記光吸収層膜および／または前記保温層膜および／または前記伝熱層膜が自己形態保持性の材質からなることを特徴とする薄膜光素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜光素子において、
収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜が前記光吸収層膜の制御光入射側に、また前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設けられたことを特徴とする薄膜光素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜光素子において、
前記光吸収層膜が、前記制御光の波長帯域の光を吸収する色素ないし色素分子凝集体を含有していることを特徴とする薄膜光素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子において、
前記光吸収膜、保温層膜、光反射膜のいずれかを介して、光透過膜層が設けられ、
更に前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とする薄膜光素子。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする光制御方法。
【請求項９】
請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする光制御方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の光制御方法において、
前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲で取り出すことによって、
強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すことを特徴とする光制御方法。
【請求項１１】
請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段を有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なるように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする光制御装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることにより、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段として前記凸レンズを有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする光制御装置。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の光制御装置において、
強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すための手段として、前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲で取り出す手段を設けたことを特徴とする光制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば光通信、光情報処理などの光エレクトロニクスおよびフォトニクスの分野において有用な、薄膜光素子およびそれを用いる光制御方法および光制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超高速情報伝達・処理を目的として、光の多重性、高密度性に着目した光エレクトロニクスおよびフォトニクスの分野において、光学材料または光学組成物を加工して作成した光学素子に光を照射することで引き起こされる透過率や屈折率の変化を利用して、電子回路技術を用いずに、光の強度（振幅）または周波数（波長）を変調しようとする光・光制御方法の研究開発が盛んに進められている。また、光の特徴を活かして、並列光論理演算や画像処理を行おうとする場合、光ビームの断面に光強度分布変化など、何等かの変調を行うための「空間光変調器」が極めて重要であり、ここへも光・光制御方法の適用が期待される。
【０００３】
光・光制御方法への応用が期待される現象としては可飽和吸収、非線形屈折、フォトリフラクティブ効果などの非線形光学効果、およびフォトクロミック現象が広く注目を集めている。
【０００４】
一方、第一の波長帯域の光で励起された分子が、分子構造の変化を伴わずに、第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域において新たに光吸収を起こす現象も知られており、これを「励起状態吸収」または「誘導吸収」、あるいは「過渡吸収」と呼ぶことができる。
【０００５】
励起状態吸収の応用を試みた例としては、例えば、特開昭５３−１３７８８４号公報にはポルフィリン系化合物と電子受容体を含んだ溶液または固体に対して波長の異なる少なくとも二種類の光線を照射し、この照射により一方の波長の光線が有する情報を他方の光線の波長に移すような光変換方法が開示されている。また、特開昭５５−１００５０３号公報および特開昭５５−１０８６０３号公報にはポルフィリン誘導体などの有機化合物の基底状態と励起状態の間の分光スペクトルの差を利用し、励起光の時間的な変化に対応して伝搬光を選択するような機能性の液体コア型光ファイバーが開示されている。また、特開昭６１−１２９６２１には、酸化ウラニウムをドープしたバリウムクラウンガラスからなるファイバーに、第一光子束を減衰しないように導入し、第二光子束を導入することにより第一光子束を減衰させると共に、ファイバーのエネルギーレベル２をポピュレイトし、第一光子束の一部が吸収されてエネルギーレベル３をポピュレイトし、エネルギーレベル３の一部が再びエネルギーレベル２に戻って第一光子束を更に減衰させる段階を含む放射エネルギー透過制御方法が開示されている。また、特開昭６３−８９８０５号公報には光によって励起された三重項状態から更に上位の三重項状態への遷移に対応する吸収を有するポルフィリン誘導体などの有機化合物をコア中に含有しているプラスチック光ファイバーが開示されている。また、特開昭６３−２３６０１３号公報にはクリプトシアニンなどのシアニン色素の結晶に第一の波長の光を照射して分子を光励起した後、第一の波長とは異なる第二の波長の光を前記分子に照射し、第一の波長の光による光励起状態によって第二の波長の光の透過または反射をスイッチングするような光機能素子が開示されている。また、特開昭６４−７３３２６号公報にはポルフィリン誘導体などの光誘起電子移動物質をマトリックス材料中に分散した光変調媒体に第一および第二の波長の光を照射して、分子の励起状態と基底状態の間の吸収スペクトルの差を利用して光変調するような光信号変調媒体が開示されている。
【０００６】
これら従来技術で用いられている光学装置の構成としては、特開昭５５−１００５０３号公報、特開昭５５−１０８６０３号公報、および特開昭６３−８９８０５号公報には伝搬光の伝播する光ファイバーを励起光の光源（例えばフラッシュランプ）の周囲に巻きつけるような装置構成が開示されており、特開昭５３−１３７８８４号公報および特開昭６４−７３３２６号公報には光応答性光学素子内部の信号光に相当する光の伝播している部分全体に信号光の光路とは別の方向から制御光に相当する光を収束させることなくむしろ投射レンズなどの手段によって拡散させて照射するような装置構成が開示されている。
【０００７】
更に、従来技術においては、熱効果による屈折率分布を利用して光の変調を行う方法も検討されている。特開昭５９−６８７２３号公報には、発熱抵抗体へ入力電気信号を通電し、前記発熱手段からの熱を受け屈折率分布を生じる液体媒体中の屈折率分布によって、光束の波面を変形するような光変調素子が開示されており、ＫＨｚのオーダー、すなわちミリ秒のオーダーで屈折率分布形成から消滅までのサイクルを行うことができると記載されている。また、特開昭６０−１３０７２３号公報には、近赤外線制御光を熱吸収層で熱エネルギーに変換し、この熱を近赤外線反射膜層および可視光線反射膜層を通じて熱効果媒体まで伝熱させ、熱効果媒体中に発生する屈折率分布によって、可視光線反射膜層へ入射する光束の波面を変換する方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の熱効果による屈折率分布を利用した光の変調を行う方法は、熱効果を生ずるまでの熱の伝達経路が長く、かつ、制御光ビーム断面積よりも温度上昇部分の面積が拡大しながら伝達されるため伝達経路の体積、すなわち熱容量が大きくなって、制御光から与えられるエネルギーの利用効率が低く、また、高速応答も望めない。
【０００９】
また、上述したいずれの従来技術も、実用に足りる大きさの透過率変化または屈折率変化を引き起こすため、非常に高密度の光パワーを必要としたり、光照射に対する応答が遅かったり、光学系の微妙な調整が必要で、かつ光学系の多少の変動で制御光出力が大きく変動したりするため、実用に至るものは未だ得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決し、できる限り低い光パワーで充分な大きさおよび速度の光応答を引き出せるような薄膜光素子およびそれを用いる光制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の請求項１記載の発明に係る薄膜光素子は、少なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子中の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う薄膜光素子において、前記光吸収層膜の厚さが、収束された前記制御光の共焦点距離の２倍を越えないことを特徴とする。
【００１２】
ここで、信号光および制御光は、反射による損失を最小限にするため、前記薄膜光素子へほぼ垂直に入射するものとする。
【００１３】
また、ここで共焦点距離とは、凸レンズなどの収束手段で収束された光束がビームウエスト（焦点）の近傍において、ほぼ平行光と見なすことのできる区間の距離である。進行方向ビーム断面の電場の振幅分布、すなわち光束のエネルギー分布がガウス分布となっているガウスビームの場合、共焦点距離Ｚc は、円周率π、ビームウエスト半径ω0 および波長λを用いた式（１）で表すことができる。
【００１４】
【数１】
Ｚc   ＝  πω0 2 ／λ          …（１）
なお、光吸収層膜の膜厚の下限については、光応答が検知できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好ましい。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項２記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１に記載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記制御光および前記信号光の波長帯域において光透過性の保温層膜が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項３記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１または請求項２に記載の薄膜光素子において、前記保温層膜が存在しない場合には、前記光吸収層膜の片側または両側に前記伝熱層膜が設けられ、一方、前記保温層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記保温層膜を介して、伝熱層膜が設けられたことを特徴とする。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項４記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜および／または前記保温層膜および／または前記伝熱層膜が自己形態保持性の材質からなることを特徴とする。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項５記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜光素子において、収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜が前記光吸収層膜の制御光入射側に、また前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設けられたことを特徴とする。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項６記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜が、前記制御光の波長帯域の光を吸収する色素ないし色素分子凝集体を含有していることを特徴とする。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項７記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸収膜、保温層膜、光反射膜のいずれかを介して光透過膜が設けられ、
更に、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とする。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項８記載の発明に係る光制御方法は、請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする。
【００２２】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項９記載の発明に係る光制御方法は、請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１０記載の発明に係る光制御方法は、請求項８または請求項９に記載の光制御方法において、前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲（開口角）で取り出すことによって、強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すことを特徴とする。
【００２４】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１１記載の発明に係る光制御装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段を有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１２記載の発明に係る光制御装置は、請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることにより、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段として前記凸レンズを有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする。
【００２６】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１３記載の発明に係る光制御方法は、請求項１１または請求項１２に記載の光制御装置において、強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すための手段として、前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲（開口角）で取り出す手段を設けたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２８】
［薄膜光素子の構成］
本発明の薄膜光素子は単層型または積層膜型構造を有し、その構成としては以下のような組み合わせを挙げることができる
（１）光吸収層膜単独
（２）光吸収層膜／保温層膜
（３）保温層膜／光吸収層膜／保温層膜
（４）光吸収層膜／伝熱層膜
（５）伝熱層膜／光吸収層膜／伝熱層膜
（６）光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（７）伝熱層膜／光吸収層膜／保温層膜
（８）伝熱層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（９）伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜
（１０）伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（１１）凸レンズ／光透過層膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光素子。
【００２９】
積層膜の構成が非対称な場合、例えば、上記（２）「光吸収層膜／保温層膜」のような場合、制御光を光吸収層膜側から入射させても良いし、保温層膜側から入射させても良い。従って、凸レンズ／光透過膜層を積層した場合の構成は、例えば次のようになる
（１２）凸レンズ／光透過層膜／光吸収層膜／保温層膜
（１３）凸レンズ／光透過層膜／保温層膜／光吸収層膜。
【００３０】
収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を前記光吸収層膜の制御光入射側に、前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設ける。その場合の構成は、次のようになる
（１４）光反射膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光素子
（１５）凸レンズ／光透過層膜／光反射膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光素子。
【００３１】
なお、必要に応じて光の入射面および出射面に反射防止膜層（ＡＲコート膜層）を設けても良い。
【００３２】
本発明の薄膜光素子の構成を例示した断面図を図１１に示す。図１１に示すように、薄膜光素子は、制御光Ｓ１および信号光Ｓ２の入射側から、凸レンズ８７／光透過層膜８６／孔８３を設けた反射膜８４／保温層膜８１／光吸収層膜８０／保温層膜８１／伝熱層膜８２の順に積層されてなる。
【００３３】
光吸収層膜、保温層膜、伝熱層膜、および光反射膜の材料、作成方法、各々の膜厚、光反射膜の孔の大きさなどについて、以下に、順を追って説明する。
【００３４】
［光吸収層膜の材料］
本発明の薄膜光素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料としては、公知の種々のものを使用することができる。
【００３５】
本発明の薄膜光素子が光吸収層膜単独の単層型構造である場合、光吸収層膜は自己形態保持性の材質である必要がある。ここで、自己形態保持性の材質とは、薄膜光素子としての形態（薄膜）を、支持手段なしに維持できるような性状を有する材料のことをいう。例えば、無機ガラス材質であれば、数μｍの厚さで、数ｍｍ角の大きさの薄膜光素子としての形態を「自己形態保持」することができるものである。一方、色素を含有したポリメタクリル酸メチルのような材料を用いて数μｍの厚さの光吸収膜を形成させる場合は、何等かの支持手段が必要である。このような場合は、例えば、後述のように、無機ガラス材質からなる伝熱層膜を支持手段を兼ねて、組み合わせて用いる必要がある。
【００３６】
本発明の薄膜光素子が積層型構造であっても、光吸収性材料自身に自己形態保持能力があれば、薄膜光素子の構成を設計する際の自由度が増す。一方、後に述べる保温層膜および／または伝熱層膜が自己形態保持性であれば、光吸収層膜が自己形態保持性でなくても差し支えない。
【００３７】
本発明の薄膜光素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料の例を具体的に挙げるならば、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＴｅ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体の単結晶、前記化合物半導体の微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、異種金属イオンをドープした金属ハロゲン化物（例えば、臭化カリウム、塩化ナトリウムなど）の単結晶、前記金属ハロゲン化物（例えば、臭化銅、塩化銅、塩化コバルトなど）の微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、銅などの異種金属イオンをドープしたＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅなどのカドミウムカルコゲナイドの単結晶、前記カドミウムカルコゲナイドの微粒子をマトリックス材料中に分散したもの、シリコン、ゲルマニウム、セレン、テルルなどの半導体単結晶薄膜、多結晶薄膜ないし多孔質薄膜、シリコン、ゲルマニウム、セレン、テルルなどの半導体微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、ルビー、アレキサンドライト、ガーネット、Ｎｄ：ＹＡＧ、サファイア、Ｔｉ：サファイア、Ｎｄ：ＹＬＦなど、金属イオンをドープした宝石に相当する単結晶（いわゆるレーザー結晶）、金属イオン（例えば、鉄イオン）をドープしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、ＬｉＢ3Ｏ5、ＬｉＴａＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＮｂＯ3、ＢａＢ2Ｏ2などの強誘電性結晶、金属イオン（例えば、ネオジウムイオン、エルビウムイオンなど）をドープした石英ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、その他のガラスなどのほか、マトリックス材料中に色素を溶解または分散したものを好適に使用することができる。
【００３８】
これらの中でも、マトリックス材料中に色素を溶解または分散したものは、マトリックス材料および色素の選択範囲が広く、かつ薄膜光素子への加工も容易であるため、本発明で特に好適に用いることができる。
【００３９】
本発明で用いることができる色素の具体例としては、例えば、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、エオシン、フロキシンＢなどのキサンテン系色素、アクリジンオレンジ、アクリジンレッドなどのアクリジン系色素、エチルレッド、メチルレッドなどのアゾ色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、３，３’−ジエチルチアカルボシアニンヨージド、３，３’−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージドなどのシアニン色素、エチル・バイオレット、ビクトリア・ブルーＲなどのトリアリールメタン系色素などを好適に使用することができる。
【００４０】
本発明では、これらの色素を単独で、または、２種以上を混合して使用することができる。
【００４１】
本発明で用いることのできるマトリックス材料は、
（１）本発明の光制御方法で用いられる光の波長領域で透過率が高いこと、
（２）本発明で用いられる色素または種々の微粒子を安定性良く溶解または分散できること、
（３）前述のように必要に応じて自己形態保持性であること、
という条件を満足するものであれば任意のものを使用することができる。
【００４２】
無機系のマトリックス材料としては、例えば金属ハロゲン化物の単結晶、金属酸化物の単結晶、金属カルコゲナイドの単結晶、石英ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラスなどの他、いわゆるゾルゲル法で作成された低融点ガラス材料などを使用することができる。
【００４３】
また、有機系のマトリックス材料としては、例えば種々の有機高分子材料を使用することができる。
【００４４】
これらのマトリックス材料中へ色素を溶解または分散させるには公知の方法を用いることができる。例えば、色素とマトリックス材料を共通の溶媒中へ溶解して混合した後、溶媒を蒸発させて除去する方法、ゾルゲル法で製造する無機系マトリックス材料の原料溶液へ色素を溶解または分散させてからマトリックス材料を形成する方法、有機高分子系マトリックス材料のモノマー中へ、必要に応じて溶媒を用いて、色素を溶解または分散させてから該モノマーを重合ないし重縮合させてマトリックス材料を形成する方法、色素と有機高分子系マトリックス材料を共通の溶媒中に溶解した溶液を、色素および熱可塑性の有機高分子系マトリックス材料の両方が不溶の溶剤中へ滴下し、生じた沈殿を濾別し乾燥してから加熱・溶融加工する方法などを好適に用いることができる。色素とマトリックス材料の組み合わせおよび加工方法を工夫することで、色素分子を凝集させ、「Ｈ会合体」や「Ｊ会合体」などと呼ばれる特殊な会合体を形成させられることが知られているが、マトリックス材料中の色素分子をこのような凝集状態もしくは会合状態を形成する条件で使用しても良い。
【００４５】
また、これらのマトリックス材料中へ前記の種々の微粒子を分散させるには公知の方法を用いることができる。例えば、前記微粒子をマトリックス材料の溶液、または、マトリックス材料の前駆体の溶液に分散した後、溶媒を除去する方法、有機高分子系マトリックス材料のモノマー中へ、必要に応じて溶媒を用いて、前記微粒子を分散させてから該モノマーを重合ないし重縮合させてマトリックス材料を形成する方法、微粒子の前駆体として、例えば過塩素酸カドミウムや塩化金などの金属塩を有機高分子系マトリックス材料中へ溶解または分散した後、硫化水素ガスで処理して硫化カドミウムの微粒子を、または、熱処理することで金の微粒子を、それぞれマトリックス材料中に析出させる方法、化学的気相成長法、スパッタリング法などを好適に用いることができる。
【００４６】
なお、本発明で用いられる光吸収性材料は、その機能に支障をきたさない範囲において、加工性を向上させたり、光学素子としての安定性・耐久性を向上させるため、添加物として公知の酸化防止剤、紫外線吸収剤、一重項酸素クエンチャー、分散助剤などを含有しても良い。
【００４７】
［保温層膜の材料］
保温層膜としては気体、液体、および、固体の材料を用いることができる。保温層膜の材質が気体や液体の場合のように、自己形態保持性でない場合は、例えば、光吸収層膜および伝熱層膜を自己形態保持性の材質で作成し、保温層膜の厚さに相当する空乏を設け、そこへ気体または液体の保温層膜材料を注入することで、保温層膜を作成することができる。保温層膜の材質が固体の場合は、光吸収層膜に保温層膜を積層させて作成すれば良い。
【００４８】
保温層膜の厚さは、用いる材料の種類にもよるが、数ナノメートルから数百μｍの範囲の厚さであれば良く、数十ナノメートルから数十μｍの範囲であれば特に好適である。
【００４９】
保温層膜として気体を用いる場合は、空気の他、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスを好適に用いることができる。
【００５０】
保温層膜として液体を用いる場合は、熱伝導率が光吸収層膜と同等か光吸収層膜よりも小さい材質であって、かつ、制御光および信号光を透過し、光吸収層膜の材質を溶解または腐食しないものであれば、任意の液体を用いることができる。例えば、光吸収層膜がシアニン色素を含有したポリメタクリル酸メチルからなる場合、流動性パラフィンを用いることができる。
【００５１】
保温層膜として固体を用いる場合は、熱伝導率が光吸収層膜と同等か光吸収層膜よりも小さい材質であって、かつ、制御光および信号光を透過し、光吸収層膜や伝熱層膜の材質と反応しないものであれば、任意の固体を用いることができる。例えば、光吸収層膜がシアニン色素を含有したポリメタクリル酸メチルからなる場合、色素を含まないポリメタクリル酸メチル［３００Ｋにおける熱伝導率０．１５Ｗｍ-1Ｋ-1］を保温層膜として用いることができる。
【００５２】
［伝熱層膜の材料］
伝熱層膜としては、熱伝導率が光吸収層膜よりも大きい材質が好ましく、制御光および信号光を透過し、光吸収層膜や保温層膜の材質と反応しないものであれば、任意のものを用いることができる。熱伝導率が高く、かつ、可視光線の波長帯域における光吸収が小さい材質として、例えば、ダイアモンド［３００Ｋにおける熱伝導率９００Ｗｍ-1Ｋ-1］、サファイア［同４６Ｗｍ-1Ｋ-1］、石英単結晶［ｃ軸に平行方向で同１０．４Ｗｍ-1Ｋ-1］、石英ガラス［同１．３８Ｗｍ-1Ｋ-1］、硬質ガラス［同１．１０Ｗｍ-1Ｋ-1］などを伝熱層膜として好適に用いることができる。
【００５３】
［光反射膜の材料］
光反射膜としては、制御光および信号光を反射し、光吸収層膜、保温層膜および伝熱層膜の材質と反応しないものであれば、任意のものを用いることができる。アルミニウムや金などの金属薄膜、もしくは、酸化チタンと酸化ケイ素の交互積層膜からなる誘電体多層膜を光反射膜として好適に用いることができる。
【００５４】
［凸レンズの材料］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とするが、この凸レンズの材質としては、公知の、任意のものを使用することができる。  例えば、ポリメチルメタクリル酸エステル系樹脂などのプラスチック、光学ガラスなどを好適に使用することができる。
【００５５】
［光透過層膜の材料］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とするが、光透過層膜の材質としては、固体の保温層膜および／または伝熱層膜の材質と同様のものを使用することができる。
【００５６】
［薄膜光素子の作成方法］
本発明の薄膜光素子の作成方法は、薄膜光素子の構成および使用する材料の種類に応じて任意に選定され、公知の方法を用いることができる。
【００５７】
例えば、薄膜光素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料が、前述のような単結晶の場合、単結晶の切削・研磨加工によって、光吸収層膜を作成することができる。
【００５８】
例えば、色素を含有したマトリックス材料からなる光吸収層膜と、光学ガラスを伝熱層膜として組み合わせて用いた「光吸収層膜／伝熱層膜」という積層型構造の薄膜光素子を作成する場合、以下に列挙するような方法によって、光吸収層膜を作成することができる。
【００５９】
色素およびマトリックス材料を溶解した溶液を、伝熱層膜として用いられるガラス板上に塗布法、ブレードコート法、ロールコート法、スピンコート法、ディッピング法、スプレー法などの塗工法で塗工するか、あるいは、平版、凸版、凹版、孔版、スクリーン、転写などの印刷法で印刷して光吸収膜層を形成する方法。この場合、光吸収膜層の形成にゾルゲル法による無機系マトリックス材料作成方法を利用することもできる。
【００６０】
電着法、電解重合法、ミセル電解法（特開昭６３−２４３２９８号報）などの電気化学的成膜手法を用いることができる。
【００６１】
水の上に形成させた単分子膜を移し取るラングミア・ブロジェット法を用いることができる。
【００６２】
光吸収層膜を形成する有機高分子系マトリックス材料が熱可塑性の場合、ガラス板を伝熱層膜として組み合わせることによって、ホットプレス法（特開平４−９９６０９号公報）を用いて「伝熱層膜／光吸収膜層／伝熱膜層」という積層型構造の薄膜光素子を作成することができる。
【００６３】
原料モノマーの重合ないし重縮合反応を利用する方法として、例えば、モノマーが液体の場合、キャスティング法、リアクション・インジェクション・モールド法、プラズマ重合法、および、光重合法などがあげられる。
【００６４】
昇華転写法、蒸着法、真空蒸着法、イオンビーム法、スパッタリング法、プラズマ重合法、ＣＶＤ法、有機分子線蒸着法、などの方法を用いることもできる。
【００６５】
２成分以上の有機系光学材料を溶液または分散液状態で各成分毎に設けた噴霧ノズルから高真空容器内に噴霧して基板上に堆積させ、加熱処理することを特徴とする複合型光学薄膜の製造方法（特許公報第２５９９５６９号）を利用することもできる。
【００６６】
以上のような固体の光吸収層膜の作成方法は、例えば、固体の有機高分子材料からなる保温層膜を作成する場合にも、好適に使用することができる。
【００６７】
［凸レンズの作成方法］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とするが、この凸レンズの作成方法としては、公知の、任意のものを使用することができる。
例えば、モノマーの浸透・拡散現象を利用して、屈折率分布型の凸レンズを有機高分子系材質で作成することができる［M.Oikawa,K.Iga,T.Sanada: Jpn.J.Appl.Phys,20(1),L51-L54(1981)］。すなわち、モノマー交換技術によって、屈折率分布レンズを平坦な基板上にモノリシックに作ることができ、例えば、低屈折率プラスチックとしてのメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９４）を、３．６ｍｍφの円形ディスクのマスクのまわりから、高屈折率を持つポリイソフタル酸ジアクリル（ｎ＝１．５７０）の平坦なプラスチック基板中へ拡散させる。
【００６８】
また、無機イオンの拡散現象を利用し、屈折率分布型凸レンズを無機ガラス系材質で作成することができる［M.Oikawa,K.Iga:  Appl.Opt.,21(6),1052-1056(1982)］。すなわち、ガラス基板にマスクを付けてからフォトリソグラフィの手法により直径百μｍ前後の円形窓を設け、溶融塩に浸けてイオン交換により屈折率分布を形成させるに当たり、数時間に渡って電界を印加してイオン交換を促進させることによって、例えば、直径０．９ｍｍ、焦点距離２ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．２３のレンズを形成させることができる。
【００６９】
なお、上記のような方法で、基板中に凸レンズを作成する際に用いられる「マスク」を、本発明の薄膜光素子における「収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜」と兼用して用いることができる。
【００７０】
［光反射膜に孔を設ける方法］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を有することを特徴とするが、光反射膜に、この孔を設ける方法としては、公知の任意の方法を用いることができる。例えば、ガラス性の伝熱層膜上に設けられた、金属蒸着膜からなる光反射膜にフォトレジストを塗工した後、定法に従って、フォトエッチングの手法によって、孔を設けることができる。孔の形および大きさについては後で述べる。
【００７１】
［ビームウエスト直径の計算］
以下、進行方向ビーム断面の電場の振幅分布、すなわち光束のエネルギー分布がガウス分布となっているガウスビームの場合について述べる。なお、以下の説明では、ビーム収束手段として集光レンズ（凸レンズ）を用いる場合について説明するが、収束手段が凹面鏡や屈折率分散型レンズであっても同様である。
【００７２】
ガウスビームを、集光レンズ７などで、開き角２θで収束させたときの焦点Ｆc 近傍における光線束および波面３０の様子を図３に示す。ここで、波長λのガウスビームの直径２ωが最小になる位置を「ビームウエスト」という。以下、ビームウエスト直径を２ω0 で表すものとする。光の回折作用のため、２ω0 はゼロにはならず、有限の値を持つ。なお、ビーム半径ωやω0 の定義は、ガウスビームのビーム中心部分のエネルギーを基準として、エネルギーが１／ｅ2 （ｅは自然対数の底）になる位置をビーム中心から測ったときの距離である。いうまでもなく、ビームウエストの中心において、光子密度は最も高い。
【００７３】
ガウスビームの場合、ビームウエストから充分に遠方でのビーム広がり角θは波長λおよびビームウエスト径ω0 と、次の式（２）で関係づけられる。
【００７４】
【数２】
π・θ・ω0   ≒  λ        …（２）
ここで、πは円周率である。
【００７５】
「ビームウエストから充分に遠方」という条件を満たす場合に限りこの式を用いて、集光レンズに入射するビーム半径ω、集光レンズの開口数および焦点距離から、集光レンズで集光されたビームウエスト径ω0 を計算することができる。
【００７６】
更に一般的に、有効開口半径ａおよび開口数ＮＡの集光レンズで、ビーム半径ωの平行ガウスビーム（波長λ）を収束させた場合のビームウエスト直径２ω0 は、次の式（３）で表すことができる。
【００７７】
【数３】
２ω0 ≒  ｋ・λ／ＮＡ      …（３）
ここで、係数ｋは代数的に解くことができないため、レンズ結像面での光強度分布についての数値解析計算を行うことによって決定することができる。
【００７８】
集光レンズに入射するビーム半径ωと集光レンズの有効開口半径ａの比率を変えて、数値解析計算を行うと、式（３）の係数ｋの値は以下のように求まる。
【００７９】
【数４】
ａ／ω  ＝  １  のとき    ｋ  ≒  ０．９２
ａ／ω  ＝  ２  のとき    ｋ  ≒  １．３
ａ／ω  ＝  ３  のとき    ｋ  ≒  １．９
ａ／ω  ＝  ４  のとき    ｋ  ≒  ３
すなわち、集光レンズの有効開口半径ａよりもビーム半径ωが小さければ小さい程、ビームウエスト径ω0 は大きくなる。
【００８０】
例えば、集光レンズとして焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径約４ｍｍのレンズを用い、波長６９４ｎｍの信号光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４９μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．６μｍと計算される。同様にして波長６３３ｎｍの制御光を収束したとき、ビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４５μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．５μｍと計算される。
【００８１】
この計算例から明らかなように、集光レンズの焦点近傍の光子密度が最も高い領域、すなわちビームウエストにおける光ビームの断面積を最小にするには、集光レンズが受光可能な最大限まで、ビーム径を拡大（ビームエキスパンド）すれば良い。また、集光レンズへ入射するビーム径が同一の場合、光の波長が短い程、ビームウエスト径は小さくなることも判る。
【００８２】
本発明の光制御方法において光応答を大きくするには、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記信号光のビーム断面積が、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記制御光のビーム断面積を越えないように前記信号光および前記制御光のビーム断面の形状および大きさをそれぞれ設定することが好ましい。信号光および制御光ともにガウスビームを用いる場合であれば、以上の説明および計算式に従って、集光レンズなどの収束手段で収束する前の平行ビームの状態で、波長に応じて、信号光および制御光のビーム径を、必要に応じてビームエキスパンドするなどして、調節することによって、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記信号光のビーム断面積が、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記制御光のビーム断面積を越えないようにすることができる。ビームエキスパンドの手段としては、公知のもの、例えば２枚の凸レンズからなるケプラー型の光学系を用いることができる。
【００８３】
［共焦点距離Ｚc の計算］
先に述べたように、ガウスビームの場合、凸レンズなどの収束手段で収束された光束のビームウエスト近傍、すなわち、焦点を挟んで共焦点距離Ｚc の区間においては、収束ビームはほぼ平行光と見なすことができ、共焦点距離Ｚc は、円周率π、ビームウエスト半径ω0 および波長λを用いた式（１）で表すことができる。
【００８４】
【数５】
Ｚc   ＝  πω0 2 ／λ            …（１）
式（１）のω0 に式（３）を代入すると、式（４）が得られる。
【００８５】
【数６】
Ｚc   ≒  π（ｋ／ＮＡ）2 λ／４  …（４）
例えば、集光レンズとして焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径約４ｍｍのレンズを用い、波長６９４ｎｍの信号光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４９μｍ、共焦点距離Ｚc は１．０９μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．６μｍ、共焦点距離Ｚc は１１．６μｍと計算される。同様にして波長６３３ｎｍの制御光を収束したとき、ビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４５μｍ、共焦点距離Ｚc は０．９９６μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．５μｍ、共焦点距離Ｚc は１０．６μｍと計算される。
【００８６】
［光吸収層膜の最適膜厚］
光吸収膜の光学濃度が一定になるように膜厚と膜中の色素濃度の積が一定になるように色素濃度と膜厚を調整して試料を作製し、種々実験の結果、上記のようにして計算される共焦点距離の２倍を光吸収層膜の膜厚の上限としたとき、本発明の光制御方法の光応答速度が充分高速になることが判った。
【００８７】
光吸収層膜の膜厚の下限については、光応答が検知できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好ましい。
【００８８】
［保温層膜の膜厚］
保温層膜の膜厚には、光応答の大きさおよび／または速度を最大にするような最適値（下限値および上限値）が存在する。その値は薄膜光素子の構成、光吸収層膜の材質および厚さ、保温層の材質、伝熱層膜の材質および厚さなどに応じて、実験的に決定することができる。
【００８９】
［伝熱層膜の膜厚］
伝熱層膜の膜厚にも、光応答の大きさおよび／または速度を最大にするような最適値（この場合は下限値）が存在する。その値は薄膜光素子の構成、光吸収層膜の材質および厚さ、保温層の材質および厚さ、伝熱層膜の材質などに応じて、実験的に決定することができる。
【００９０】
［光反射膜に設ける孔の役割、形および大きさ］
本発明の薄膜光素子において、収束されて照射される前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を、前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の制御光入射側に、前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設けることによって、収束されて照射される前記制御光および前記信号光の光軸の調整を容易に行えるようにすることができる。すなわち、前記の孔を通過する信号光および制御光の光量が、各々最大になるよう、信号光および制御光の光軸を各々調節する、という簡便な操作によって、結果的に、信号光および制御光の光軸の位置関係を最適化することができる。
【００９１】
孔の形および大きさは、上記役割を果たす限りにおいて、信号光および制御光の光束をできる限り有効に通過させる形および大きさであることが好ましい。信号光および制御光がガウスビームであれば、その光束断面は円形であるので、孔の形も円形であることが好ましい。円形孔の半径は、孔を通過する信号光および制御光のビーム半径と同等であることが好ましい。ここで、注意しなければならないこととして、孔の半径が小さくなりすぎると、光の干渉が顕著になる。具体的な目安として、孔の直径が信号光および制御光の波長の百倍よりも小さくならないようにすることが好ましい。通常、直径がミリメートルオーダーの信号光および制御光が「収束」されてから孔を通過することから、孔を設けた光反射膜の設置位置を調整することによって、孔の大きさを、前記の値よりも大きくすることが可能になる。
【００９２】
〔実施形態１〕
図１には本実施形態の光制御装置の概略構成が示されている。
【００９３】
図１に概要を例示する本発明の光制御装置は、制御光の光源１、信号光の光源２、ＮＤフィルター３、シャッター４、半透過鏡５、光混合器６、集光レンズ７、本発明の薄膜光素子８、受光レンズ９、波長選択透過フィルター２０、絞り１９、光検出器１１および２２、およびオシロスコープ１００から構成される。これらの光学素子ないし光学部品のうち、制御光の光源１、信号光の光源２、光混合器６、集光レンズ７、薄膜光素子８、受光レンズ９、および、波長選択透過フィルター２０は、図１の装置構成で本発明の光制御方法を実施するために必須の装置構成要素である。なお、ＮＤフィルター３、シャッター４、および半透過鏡５は必要に応じて設けるものであり、また、光検出器１１および２２、およびオシロスコープ１００は、本発明の光制御方法を実施するためには必要ないが光制御の動作を確認するための電子装置として、必要に応じて用いられる。
【００９４】
次に、個々の構成要素の特徴ならびに動作について説明する。
【００９５】
制御光の光源１にはレーザー装置が好適に用いられる。その発振波長および出力は、本発明の光制御方法が対象とする信号光の波長および使用する光吸収層膜の光吸収特性に応じて適宜選択される。レーザー発振の方式については特に制限はなく、発振波長帯域、出力、および経済性などに応じて任意の形式のものを用いることができる。また、レーザー光源の光を非線形光学素子によって波長変換してから使用しても良い。具体的には例えば、アルゴンイオンレーザー（発振波長４５７．９ないし５１４．５ｎｍ）、ヘリウム・ネオンレーザー（６３３ｎｍ）などの気体レーザー、ルビーレーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、色素レーザー、半導体レーザーなどを好適に使用することができる。信号光の光源２にはレーザー光源からのコヒーレント光だけではなく非コヒーレント光を使用することもできる。また、レーザー装置、発光ダイオード、ネオン放電管など、単色光を与える光源の他、タングステン電球、メタルハライドランプ、キセノン放電管などからの連続スペクトル光を光フィルターやモノクロメーターで単色化して用いても良い。
【００９６】
以下、信号光の光源２として半導体レーザー（発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍＷ）の出射光をビーム整形して直径約８ｍｍの平行ガウスビームとして用い、一方、制御光の光源１としてヘリウム・ネオンレーザー（発振波長６３３ｎｍ、ビーム直径約２ｍｍの平行ビーム、ビーム断面のエネルギー分布はガウス分布）を用いた場合について実施形態を説明する。
【００９７】
ＮＤフィルター３は必ずしも必要ではないが、装置を構成する光学部品や光学素子へ必要以上に高いパワーのレーザー光が入射することを避けるため、また、本発明の薄膜光素子の光応答性能を試験するに当たり、制御光の光強度を増減するために有用である。本実施形態では後者の目的で数種類のＮＤフィルターを交換して使用した。
【００９８】
シャッター４は、制御光として連続発振レーザーを用いた場合に、これをパルス状に明滅させるために用いられるものであり、本発明の光制御方法を実施する上で必須の装置構成要素ではない。すなわち、制御光の光源１がパルス発振するレーザーであり、そのパルス幅および発振間隔を制御できる形式の光源である場合や、適当な手段で予めパルス変調されたレーザー光を光源１として用いる場合は、シャッター４を設けなくても良い。
【００９９】
シャッター４を使用する場合、その形式としては任意のものを使用することができ、例えば、オプティカルチョッパ、メカニカルシャッター、液晶シャッター、光カー効果シャッター、ポッケルセル、光音響素子などを、シャッター自体の作動速度を勘案して適宜選択して使用することができる。
【０１００】
半透過鏡５は、本実施形態において、本発明の光制御方法の作用を試験するに当たり、制御光の光強度を常時見積もるために用いるものであり、光分割比は任意に設定可能である。
【０１０１】
光検出器１１および２２は、本発明の光・光制御による光強度の変化の様子を電気的に検出して検証するため、また、本発明の薄膜光素子の機能を試験するために用いられる。光検出器１１および２２の形式は任意であり、検出器自体の応答速度を勘案して適宜選択して使用することができ、例えば、光電子増倍管やフォトダイオード、フォトトランジスターなどを使用することができる。
【０１０２】
前記光検出器１１および２２の受光信号はオシロスコープ１００などの他、ＡＤ変換器とコンピューターの組み合わせ（図示せず）によってモニターすることができる。
【０１０３】
光混合器６は、前記薄膜光素子中を伝播していく制御光および信号光の光路を調節するために用いるものであり、本発明の光制御方法および光制御装置を実施するに当たり重要な装置構成要素の一つである。偏光ビームスプリッター、非偏光ビームスプリッター、またはダイクロイックミラーのいずれも使用することができ、光分割比についても任意に設定可能である。
【０１０４】
集光レンズ７は、信号光および制御光に共通の収束手段として、光路が同一になるように調節された信号光および制御光を収束させて前記薄膜光素子へ照射するためのものであり、本発明の光制御方法および光制御装置の実施に必須な装置構成要素の一つである。集光レンズの焦点距離、開口数、Ｆ値、レンズ構成、レンズ表面コートなどの仕様については任意のものを適宜使用することができる。
【０１０５】
本実施形態では、以下、集光レンズ７として、焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径４．０３ｍｍの顕微鏡用対物レンズを用いた場合について述べる。
【０１０６】
この場合の集光レンズの焦点近傍の光子密度が最も高い領域、すなわちビームウエストにおける光ビームの半径ω0 および共焦点距離Ｚc は、先に示した式（２）および式（４）を用いた計算例の通り、波長６３３ｎｍ、ビーム直径２ｍｍの制御光についてω0 は１．５μｍ、Ｚc は１０．６μｍと計算される。
【０１０７】
同様にして波長６９４ｎｍ、ビーム直径８ｍｍの信号光についてビームウエストにおける光ビームの半径ω0 は０．４９μｍと計算される。すなわち、本実施形態において、ビームウエストにおける制御光ビームと信号光ビームの大小関係は、ビーム径として約３：１、ビーム断面積として約１０：１の割合で、制御光の方が大きい。
【０１０８】
薄膜光素子中での制御光Ｓ１と信号光Ｓ２との関係を模式的に図４に示す。
【０１０９】
このようにビームウエストにおける制御光のビームサイズを信号光に比べて大きくすると、集光レンズの焦点近傍における制御光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域に、信号光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域を重ね合わせるように光学系を調整することが容易になり、かつ、光学系諸要素の変動の影響を受け難くなる。すなわち、焦点近傍において、制御光および信号光の光軸中心を完全に一致させる必要はなく、制御光および信号光のビーム位置が、ある程度変動ないしドリフトしても、信号光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域が制御光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域から逸脱しないように調整することが可能となる。
【０１１０】
受光レンズ９は、収束されて薄膜光素子８へ照射され、透過してきた信号光および制御光を平行および／または収束ビームに戻すための手段であるが、充分な大きさの信号光を再現性良く得るためには、前記集光レンズ７の開口数より小さい開口数のレンズを用いる。この実施形態では受光レンズ９として、開口数０．４の顕微鏡レンズを用いた。すなわち、集光レンズ７の開口数より受光レンズ９の開口数を小さくすることにより、信号光の光束のうち、強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の光束を分別して取り出すことが可能となり、充分な大きさの信号光を再現性良く検出できるようになる。なお、レンズ開口数が大きくても、絞り１９を入れたり光検出器に光束の中心部分のみ入射させて実質的に開口数を小さくすることもできるが、開口数の小さい受光レンズを用いる方が経済的である。また、集光レンズおよび受光レンズの代わりに凹面鏡を用いることも可能である。
【０１１１】
波長選択透過フィルター２０は、図１の装置構成で本発明の光制御方法を実施するために必須の装置構成要素の一つであり、前記薄膜光素子中の同一の光路を伝播してきた信号光と制御光とから信号光のみを取り出すための手段の一つとして用いられる。
【０１１２】
波長の異なる信号光と制御光とを分離するための手段としては他に、プリズム、回折格子、ダイクロイックミラーなどを使用することができる。
【０１１３】
図１の装置構成で用いられる波長選択透過フィルター２０としては、制御光の波長帯域の光を完全に遮断し、一方、信号光の波長帯域の光を効率良く透過することのできるような波長選択透過フィルターであれば、公知の任意のものを使用することができる。例えば、色素で着色したプラスチックやガラス、表面に誘電体多層蒸着膜を設けたガラスなどを用いることができる。
【０１１４】
本発明の薄膜光素子の一形態として、伝熱層膜／光吸収層膜／伝熱層膜タイプの薄膜光素子８は、例えば以下の手順で作成することができる。すなわち、シアニン色素の３，３’−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージド（慣用名ＤＯＤＣＩ、エキシトン社製）：５７．４ｍｇおよびポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピル：１９４２．６ｍｇをアセトン：２００ｍｌに溶解し、ｎ−ヘキサン：６００ｍｌ中へかき混ぜながら加えて析出した沈殿（色素およびポリマーの混合物）を濾別し、ｎ−ヘキサンで洗浄してから減圧下乾燥し、粉砕した。得られた色素およびポリマーの混合粉末を１０-5Ｐａ未満の超高真空下、１００℃で２日間加熱を続け、残留溶媒等の揮発成分を完全に除去して、色素／ポリマー混合物の粉末を得た。この粉末２０ｍｇを伝熱層膜として用いるスライドガラス（２５ｍｍ×７６ｍｍ×厚さ１．１５０ｍｍ）および同カバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）の間に挟み、真空下１６０℃に加熱し、２枚のガラス板を圧着する方法（真空ホットプレス法）を用いてスライドガラス／カバーガラス間に色素／ポリマーの膜として、膜厚２０μｍの光吸収層膜を作成した。この光吸収層膜へ収束させて照射する制御光（波長６３３ｎｍ、ビーム直径２ｍｍ）の共焦点処理は前述のように１０．６μｍと計算される。すなわち、前記光吸収層膜の厚さは制御光の共焦点距離の２倍を越えていない。
【０１１５】
なお、色素／ポリマー膜中の色素濃度は、色素／ポリマー混合物の密度を１．０６として計算すると、６．２６×１０-2ｍｏｌ／ｌである。
【０１１６】
以上のようにして作成した薄膜光素子の透過率スペクトルを図２に示す。この膜の透過率は制御光の波長（６３３ｎｍ）で３８．３％、信号光の波長（６９４ｎｍ）で９０．３％であった。
【０１１７】
以上のような構成要素からなる図１の光学装置において、光源１から出射された制御光の光ビームは、透過率を加減することによって透過光強度を調節するためのＮＤフィルター３を通過し、次いで制御光をパルス状に明滅するためのシャッター４を通過して、半透過鏡５によって分割される。
【０１１８】
半透過鏡５によって分割された制御光の一部は光検出器１１によって受光される。ここで、光源２を消灯、光源１を点灯し、シャッター４を開放した状態において薄膜光素子８への光ビーム照射位置における光強度と光検出器１１の信号強度との関係を予め測定して検量線を作成しておけば、光検出器１１の信号強度から、薄膜光素子８に入射する制御光の光強度を常時見積もることが可能になる。この実施形態では、ＮＤフィルター３によって、薄膜光素子８へ入射する制御光のパワーを０．５ｍＷないし２５ｍＷの範囲で調節した。
【０１１９】
半透過鏡５で分割・反射された制御光は、光混合器６および集光レンズ７を通って、薄膜光素子８に収束されて照射される。薄膜光素子８を通過した制御光の光ビームは、受光レンズ９を通過した後、波長選択透過フィルター２０によって遮断される。
【０１２０】
光源２から出射された信号光の光ビームは、前記光混合器６によって、制御光と同一光路を伝播するよう混合され、集光レンズ７を経由して、薄膜光素子８に収束・照射され、素子を通過した光は受光レンズ９および波長選択透過フィルター２０を透過した後、光検出器２２にて受光される。
【０１２１】
図１の光学装置を用いて光制御の実験を行い、図５または図６に示すような光強度変化を観測した。図５および／または図６において、１１１は光検出器１１の受光信号、２２２および２２３は光検出器２２の受光信号である。光検出器２２の受光信号２２２の得られる場合と２２３の得られる場合の違いは、以下の通りである。
【０１２２】
図１の装置配置においては薄膜光素子８に制御光と信号光とを収束して入射させているが、最小収束ビーム径位置、すなわちビームウエスト（焦点）を薄膜光素子８の集光レンズ７に近いところ（光の入射側）に設定すると、前記薄膜光素子を透過した前記信号光が減少する方向の光応答２２２が観察される。一方、ビームウエストを薄膜光素子８の受光レンズ９に近いところ（光の出射側）に設定すると、前記薄膜光素子を透過した前記信号光の見かけの強度が増大する方向の光応答２２３が観察される。
【０１２３】
このような光応答が生じる機構は、次のように想定される。
【０１２４】
光吸収層膜を設けた薄膜光素子に、前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれた波長の制御光を、集光レンズ７によって収束させて照射すると、制御光は前記光吸収層膜によって吸収され、吸収された光エネルギーの一部分は熱エネルギーに変化し、まず前記光吸収層膜中の制御光照射部分の温度が上昇し、次いで熱伝導によって、前記制御光を吸収した領域の周辺領域の温度も上昇する。制御光としてガウスビームを用いたときの温度上昇の分布は、ビーム中心部分が大きく、周辺にいくに従って小さくなるガウス分布に類似すると推測される。このような温度上昇およびその分布に起因して、前記光吸収層膜中の制御光照射部分に熱膨張が起こり、その結果、分布を持った密度変化および屈折率変化が起こる。このようにして生じた屈折率分布に基づく光学的作用を「熱レンズ」と呼ぶことができる。熱レンズ形成のきっかけとなった制御光の照射を止めると、光吸収による温度上昇は止まり、密度変化および屈折率分布は解消し、熱レンズは消滅する。すなわち、制御光の断続に対応して、熱レンズは可逆的に形成され、消滅する。ここで、収束されていない平行な制御光（ガウスビーム）が、比較的薄い光吸収層を透過する場合に、光吸収によって形成される熱レンズを考えると、ビーム中心に近いほど温度上昇が大きく、熱膨張が大きく、密度低下が大きくなり、結果的に、中心部分に近い程、屈折率が小さくなるような分布が形成され、その光学的作用は凹レンズに相当すると推定される。しかるに、収束された制御光が、比較的厚い光吸収層を透過していく場合に形成される熱レンズの光学的作用は、光吸収の影響によって、ビーム断面のエネルギー分布がガウス分布から乖離していくと推測され、単純な凹レンズが形成されるとは限らない。
【０１２５】
そこで、次に述べるようにして、薄膜光素子を透過した信号光ビーム断面の光強度分布およびその変化についての測定を行った。なお、以下の測定で収束ビームのビームウエスト（焦点Ｆc ）の位置を薄膜光素子８内で移動するには、集光レンズ７および受光レンズ９の間隔（ｄ78＋ｄ89）を固定したまま、薄膜光素子８を移動させて行った。すなわち、集光レンズ７および受光レンズ９の間隔を固定したまま、薄膜光素子８と集光レンズ７の距離を変化させ、同一の光路で収束された制御光および信号光の焦点位置と薄膜光素子８との位置関係を変化させた。
【０１２６】
図１の装置において、受光レンズ９を集光レンズ７の開口数（本実施形態の場合は０．６５）よりも大きな開口数（例えば０．７５）のものに変更し、光検出器２２の代わりに図７に示すようなスリットを設けた光強度分布測定器を設置し、薄膜光素子８を透過した光線束の全てを受光レンズ９で受光・収束させて前記光強度分布測定器の受光部３１（有効直径４ｍｍ）へ入射させ、信号光光線束断面の光強度分布を測定した。測定結果を図８ないし１０に示す。ここで、光強度分布測定器は、図７に示すように、受光部３１（有効直径４ｍｍ）に対して幅１ｍｍの第一のスリット３２を設け、第一のスリットの長さ方向、すなわち図７において点Ｘから点Ｙの向きに、幅２５μｍの第二のスリット３３を一定速度で移動させて、２枚のスリットが作る１ｍｍ×２５μｍの長方形の窓を通過した光の強度を、前記窓の移動位置に対応させて測定する装置である。前記窓の移動位置に対応させて光強度を測定するには、例えば、第二のスリット３３の移動速度に同期させたストレージオシロスコープ上に、前記窓を通過した光を受光した検出器の出力を記録すれば良い。図８ないし１０は、以上のようにして、ストレージオシロスコープ上に記録された信号光の光ビーム断面についての光強度分布を示すものであり、横軸（光ビーム断面内の位置）は図７の点Ｘから点Ｙの方向の位置に対応し、縦軸は光強度を表す。
【０１２７】
図８は、薄膜光素子８に制御光を入射せず、信号光のみが入射された場合の前記信号光の光強度分布である。この場合の光強度分布は、中心部分の強度が強く、周辺にいくに従い強度が弱まる分布（ガウス分布）である。
【０１２８】
図９は、制御光および信号光のビームウエスト位置（焦点Ｆc ）を薄膜光素子８の集光レンズ７に近いところ（光の入射側）に設定し、制御光を照射したとき見かけの信号光強度が減少する向きの光応答２２２が観察される条件において、制御光を照射したときの信号光ビーム断面の光強度分布である。この場合の光強度分布は、中心部分の光強度が弱く、周辺で光強度が増大する分布になっている。信号光ビーム断面の中心部の光強度は、制御光強度および薄膜光素子８と焦点の位置関係に依存して減少し、制御光強度が増すに従い、ゼロに近づいていく。これは制御光の照射により照射された中心部分ほど屈折率が小さくなり、その部分の光がビームの外周方向に曲げられるためと考えられる。従って、この場合、信号光ビームの中心部分だけを取り出して、見かけの信号光強度を測定すると、制御光の断続に対応して、信号光の強度が減少する向きの光応答２２２を、充分な大きさで取り出すことができる。
【０１２９】
図１０は、制御光および信号光のビームウエスト位置（焦点Ｆc ）を薄膜光素子８の受光レンズ９に近いところ（光の出射側）に設定し、制御光を照射したとき見かけの信号光強度が増大する向きの光応答２２３が観察される条件において、制御光を照射したときの信号光ビーム断面の光強度分布である。この場合は、中心部分の光強度が、制御光を照射しない場合の中心部分の光強度（図８）より強くなっている。ここで、信号光ビーム断面の中心部の光強度は、制御光強度および薄膜光素子８を焦点位置の関係に依存するが、制御光非照射時の数倍にも達する。これは、この配置においては、収束されて照射された制御光によって形成される熱レンズの光学作用は、同じく収束されて照射される信号光の収束点を、結果的に薄膜光素子８の外側に伸ばした状態にする（条件にもよるが、ほぼ無限遠に伸ばされた状態にもなる）ためと考えられる。従って、この場合、信号光ビームの中心部分だけを取り出して、見かけの信号光強度を測定すると、制御光の断続に対応して、信号光の強度が増大する向きの光応答２２３を充分な大きさで取り出すことができる。
【０１３０】
なお、受光レンズ９の開口数を集光レンズ７の開口数よりも大きくし、薄膜光素子を透過した信号光を全て受光した場合には、上記のような光強度分布を持った信号光を光検出器２２に入射させても、光応答は小さいかほとんどない。すなわち、制御光および信号光を薄膜光素子８の集光レンズ側に収束して入射させた場合でも、受光レンズ側に収束して入射させた場合でも、光応答は小さいかほとんどない。これは、この実施形態においては、薄膜光素子中の色素の励起状態からの吸収は、事実上起きていないことを示唆している。
【０１３１】
一方、本実施形態の図１のように受光レンズ９の開口数を集光レンズ７の開口数よりも小さくすると、光検出器２２に入射する信号光は外周部分が除外され、制御光および信号光を薄膜光素子８の集光レンズ側（入射側）に収束して入射させた場合には光検出器２２に入射する信号光は小さくなり、受光レンズ側（出射側）に収束して入射させた場合には光検出器２２に入射する信号光は大きくなり、大きな光応答が得られることになる。
【０１３２】
図１の光学装置を用いて光制御の実験を行い、図５または図６に示すような光強度変化を観測したが、その詳細は以下に述べる通りである。
【０１３３】
まず、制御光の光ビームと信号光の光ビームとが、薄膜光素子８内部の同一領域で焦点Ｆc を結ぶように、それぞれの光源からの光路、光混合器６、および集光レンズ７を調節した。なお、前記薄膜光素子８のカバーガラス側から信号光および制御光が入射し、スライドガラス基板側から出射するような向きに薄膜光素子を配置した。次いで、波長選択フィルター２０の機能を点検した。すなわち、光源２を消灯した状態で、光源１を点灯し、シャッター４を開閉した場合には光検出器２２に応答が全く生じないことを確認した。
【０１３４】
まず、前記焦点Ｆc を薄膜光素子８の集光レンズ側（入射側）に設置した場合について図５を用いて述べる。
【０１３５】
シャッター４を閉じた状態で制御光の光源１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源２を点灯し薄膜光素子８へ信号光を照射すると、光検出器２２の信号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。
【０１３６】
時刻ｔ2 においてシャッター４を開放し、薄膜光素子８内部の信号光が伝播しているのと同一の光路へ制御光を収束・照射すると光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＢへ減少した。この変化の応答時間は２マイクロ秒未満であった。
【０１３７】
時刻ｔ3 においてシャッター４を閉じ、薄膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２２の信号強度はレベルＢからレベルＡへ復帰した。この変化の応答時間は３マイクロ秒未満であった。
【０１３８】
時刻ｔ4 においてシャッター４を開放し、次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＢへ減少し、次いでレベルＡへ復帰した。
【０１３９】
時刻ｔ6 において光源２を消灯すると光検出器２２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。
【０１４０】
次いで、前記焦点Ｆc を薄膜光素子８の受光レンズ側（光の出射側）に設置した場合について図６を用いて述べる。
【０１４１】
シャッター４を閉じた状態で制御光の光源１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源２を点灯し薄膜光素子８へ信号光を照射すると、光検出器２２の信号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。
【０１４２】
時刻ｔ2 においてシャッター４を開放し、薄膜光素子８内部の信号光が伝播しているのと同一の光路へ制御光を収束・照射すると光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＤへ増加した。この変化の応答時間は２マイクロ秒未満であった。
【０１４３】
時刻ｔ3 においてシャッター４を閉じ、薄膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２２の信号強度はレベルＤからレベルＡへ復帰した。この変化の応答時間は３マイクロ秒未満であった。
【０１４４】
時刻ｔ4 においてシャッター４を開放し、次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＤへ増加し、次いでレベルＡへ復帰した。
【０１４５】
時刻ｔ6 において光源２を消灯すると光検出器２２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。
【０１４６】
以上まとめると、薄膜光素子８へ、制御光を図５の１１１に示すような波形で表される光強度の時間変化を与えて照射したところ、信号光の光強度をモニターして示す光検出器２２の出力波形は図５または図６の２２２または２２３に示すように、制御光の光強度の時間変化に対応して可逆的に変化した。すなわち、制御光の光強度の増減または断続により信号光の透過を制御すること、すなわち光で光を制御すること（光・光制御）、または、光で光を変調すること（光・光変調）ができることが確認された。
【０１４７】
なお、制御光の断続に対応する信号光光強度の変化の程度は、前記の光検出器２２の出力レベルＡ、ＢおよびＣを用いて次に定義される値ΔＴ［単位％］または、Ａ、ＣおよびＤを用いて次に定義される値ΔＴ’［単位％］
【数７】
ΔＴ  ＝１００［（Ａ−Ｂ）／（Ａ−Ｃ）］
ΔＴ’＝１００［（Ｄ−Ａ）／（Ａ−Ｃ）］
によって定量的に比較することができる。ここで、Ａは制御光を遮断した状態で信号光の光源２を点灯した場合の光検出器２２の出力レベル、ＢおよびＤは信号光と制御光を同時に照射した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｃは信号光の光源２を消灯した状態の光検出器２２の出力レベルである。
【０１４８】
上の例において、制御光の入射パワーを２０ｍＷとし、薄膜光素子８の位置を前述のように移動して信号光の光応答の向きと大きさを調べたところ、信号光強度が減少する向きの応答の大きさΔＴの最大値は８０％、見かけの信号光強度が増加する向きの応答の大きさΔＴ’の最大値は４０％であった。
【０１４９】
〔実施形態２〕
次に、光吸収層膜の光学濃度を一定にして、光吸収層膜中の色素濃度および膜厚を変える実験を行った。
【０１５０】
まず、実施形態１で用いた光吸収層膜における色素濃度を２倍にし、一方、光吸収層膜の膜厚を実施形態１の場合の半分の１０μｍとしたところ、光応答の大きさΔＴおよびΔＴ’の大きさは実施形態１の場合とほぼ同一、光応答速度もほぼ同一であった。
【０１５１】
〔比較例１〕
実施形態１の薄膜光素子における光吸収層膜の色素濃度を半分にし、一方、光吸収層膜の膜厚を２倍の４０μｍにして薄膜光素子を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答の大きさΔＴの最大値は６８％、ΔＴ’の最大値は２５％となった。実施形態１の場合に比べて、明らかに光応答の大きさが減少した。これは、光吸収層膜の厚さが制御光の共焦点距離の２倍を越えるほど厚くなり、その中に色素が、実施形態１の場合に比べて希釈された形で存在するため、制御光の光吸収に起因する熱レンズ形成が実施形態１の場合よりも阻害されたためであると推測される。
【０１５２】
〔比較例２〕
実施形態１の薄膜光素子における光吸収層膜の色素濃度を変えずに、光吸収層膜の膜厚のみを２倍の４０μｍに変更して薄膜光素子を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答の大きさΔＴおよびΔＴ’の最大値は実施形態１の場合と遜色ないものの、信号光透過率の絶対値が著しく減少してしまい、高速応答の際の信号／ノイズ比が悪化した。
【０１５３】
〔実施形態３〕
特許公報第２５９９５６９号に記載の複合型光学薄膜の製造方法を利用して、伝熱層膜として用いるスライドガラス（２５ｍｍ×７６ｍｍ×厚さ１．１５０ｍｍ）の上に、（i）ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜、（ii）色素としてＤＯＤＣＩ、マトリックス樹脂としてポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを用い、色素／ポリマー膜中の色素濃度１．２５×１０-1ｍｏｌ／ｌになるように調整した光吸収層膜、（iii）ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜（膜厚１０μｍ）を積層・堆積させ、更に、伝熱層膜としてのカバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）を重ねて真空下、加熱・加圧処理（真空ホットプレス処理）し、本発明の薄膜光素子実施形態の一つとして「伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜」タイプの薄膜光素子を作成した。なお、２枚の伝熱層膜（ガラス板）の厚さは各々、上記の通りであり、２層の保温層膜の厚さは、真空ホットプレス処理後において、ともに１０μｍ、また、光吸収層膜の厚さは、同じく真空ホットプレス処理後において１０μｍになるよう成膜条件を調整した。
【０１５４】
以上のようにして作成した実施形態３の薄膜光素子の吸収スペクトルは実施形態１の薄膜光素子の場合（図２参照）と、同等であった。
【０１５５】
この薄膜光素子を用いて、実施形態１の場合と同様に、制御光の入射パワー２０ｍＷにおいて、信号光の光応答の向きと大きさを調べたところ、信号光強度が減少する向きの応答の大きさΔＴの最大値は８８％、見かけの信号光強度が増加する向きの応答の大きさΔＴ’の最大値は４６％であった。すなわち、実施形態１および実施形態２の場合よりも、光応答が大きくなった。これは光吸収層膜を挟むように設けた保温層膜によって、熱レンズの形成が円滑に行われるようになったためであると推測される。
【０１５６】
一方、実施形態２の場合、光吸収層膜中の色素濃度および光吸収層膜の厚さは本実施形態３と同等であるが、光応答は小さい（実施形態１と同等）。これは、保温層膜が存在しないため、光吸収層膜において吸収された制御光のエネルギーが、急速に伝熱層膜に奪われてしまい熱レンズの形成が阻害されるものと推測される。
【０１５７】
〔比較例３〕
実施形態１の薄膜光素子における光吸収層膜の色素濃度を変えずに、光吸収層膜の膜厚のみを０．０１倍の０．２μｍに変更して薄膜光素子を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答は検出されなかった。これは、光吸収層膜中の色素量が少なく、制御光の吸収による発熱量が少ないことに加えて、制御光の吸収による発熱が急速に伝熱層膜に奪われてしまい熱レンズの形成が阻害されるためであると推測される。
【０１５８】
〔実施形態４〕
文献［M.Oikawa,K.Iga:  Appl.Opt.,21(6),1052-1056(1982)］記載の方法に従い、無機イオンの拡散現象を利用し、屈折率分布型凸レンズを無機ガラス系材質で作成した。すなわち、ガラス基板にマスク兼反射膜として金の蒸着膜を設け、これにフォトリソグラフィの手法により直径４００μｍの円形窓を設けた。次いで、溶融塩に浸けてイオン交換により屈折率分布を形成させるに当たり、数時間に渡って電界を印加してイオン交換を促進させることによって、直径０．９ｍｍ、焦点距離２ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．２３の屈折率分布型凸レンズを形成させた。
【０１５９】
このガラス基板の反射膜側に、ポリメタクリル酸メチルからなる厚さ２ｍｍの光透過層兼保温層膜をキャスティング法によって設けた。
【０１６０】
この光透過層兼保温層膜の上に、特許公報第２５９９５６９号に記載の複合型光学薄膜の製造方法を利用して、（i）色素としてＤＯＤＣＩ、マトリックス樹脂としてポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを用い、色素／ポリマー膜中の色素濃度１．２５×１０-1ｍｏｌ／ｌになるように調整した光吸収層膜、（ii）ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜（膜厚１０μｍ）を積層・堆積させ、更に、伝熱層膜としてのカバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）を重ねて真空下、加熱・加圧処理（真空ホットプレス処理）し、本発明の薄膜光素子実施形態の一つとして「凸レンズ／光透過層膜兼保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜」タイプの薄膜光素子を作成した。なお、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルからなる保温層膜の厚さおよび光吸収層膜の厚さは、真空ホットプレス処理後において、いずれも１０μｍになるよう成膜条件を調整した。
【０１６１】
以上のようにして作成した本実施形態４の薄膜光素子を、集光レンズ７を取り除き、受光レンズの開口数を０．１のものに代えた他は実施形態１の場合と同様な光制御装置へ取り付け、本実施形態４の薄膜光素子の反射膜へ設けた孔へ向けて、実施形態１における集光レンズ７の代わりに、ガラス基板内に形成された屈折率分布型凸レンズを経由して、信号光および制御光を、薄膜光素子の面に垂直に入射させた。ここで、信号光としては、発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍＷの半導体レーザー出射光をビーム整形して直径約０．９ｍｍの平行ガウスビームとして用い、一方、制御光としては、発振波長６３３ｎｍのヘリウム・ネオンレーザー出射光をビーム整形して直径約０．９ｍｍの平行ガウスビームとして用いた。前述の式（２）および式（４）を用いて計算すると、信号光および制御光ともにａ／ωは１でｋは約０．９２であって、信号光のビームウエスト半径ω0 は約１．４μｍ、共焦点距離Ｚc は約８．７μｍ、制御光のビームウエスト半径ω0 は約１．３μｍ、共焦点距離Ｚc は約８．０μｍと算出される。すなわち、上記のように、光吸収層膜の厚さは１０μｍであり、制御光の共焦点距離の２倍（約１６μｍ）を越えていない。
【０１６２】
信号光および制御光の光軸合わせは、以下のようにして、極めて簡便に行うことができた。まず、信号光のみを入射させ、反射膜に設けた孔を通過してくる信号光の大きさが最大になるよう、信号光の光軸（具体的には光源の取り付け位置）を調節した。次いで、制御光のみを入射させ、反射膜に設けた孔を通過してくる制御光の大きさが最大になるよう、制御光の光軸（具体的には光源の取り付け位置）を調節した。なお、このとき、波長選択透過フィルター２０を一時的に取り外し、光検出器２２にて制御光の光強度を測定した。
【０１６３】
以下、実施形態１の場合と同様にして本実施形態の薄膜光素子の光応答を測定し、実施形態１の場合と同等の速度および大きさの光応答を観察した。
【０１６４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の薄膜光素子、光制御方法および光制御装置によれば、例えば、可視領域にある低パワーのレーザー光を制御光として、近赤外線領域にある信号光を精度良く変調することが、極めて単純な光学装置によって、電子回路などを一切用いることなく、実用上充分な応答速度において実現可能になる。また、制御光と信号光の光軸調整を簡便に行うことができ、更に、極めてコンパクトな光制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を実施する際に用いられる装置構成を例示した構成図である。
【図２】  薄膜光素子の透過率スペクトルである。
【図３】  集光レンズなどで収束されたガウスビームの焦点近傍における様子を表した模式図である。
【図４】  薄膜光素子中での信号光と制御光との関係を模式的に示した図である。
【図５】  最小収束ビーム径位置を薄膜光素子の集光レンズに近いところに設定したときの制御光および信号光の光強度時間変化を例示した図である。
【図６】  最小収束ビーム径位置を薄膜光素子の受光レンズに近いところに設定したときの制御光および信号光の光強度時間変化を例示した図である。
【図７】  光強度分布測定に用いたスリットと光ビームとの関係を示す図である。
【図８】  信号光のビーム断面の光強度分布を表した図である。
【図９】  信号光のビーム断面の光強度分布を表した図である。
【図１０】  信号光のビーム断面の光強度分布を表した図である。
【図１１】  本発明の薄膜光素子の構成例を例示した断面図である。
【符号の説明】
１  制御光の光源、２  信号光の光源、３  ＮＤフィルター、４  シャッター、５  半透過鏡、６  光混合器、７  集光レンズ、８  膜型光学素子、９  受光レンズ、１１  光検出器、１９  絞り、２０  波長選択透過フィルター（制御光遮断用）、２２  光検出器（信号光の光強度検出用）、８０光吸収層膜、８１  保温層膜、８２  伝熱層膜、８３  孔、８４  光反射膜、８５  熱レンズが形成されうる領域、８６  光透過層膜、８７  凸レンズ、１００  オシロスコープ、１１１  光検出器１１からの信号（制御光の光強度時間変化曲線）、２２２および２２３  光検出器２２からの信号（信号光の光強度時間変化曲線）、Ａ  制御光を遮断した状態で信号光の光源を点灯した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｂ  焦点Ｆｃが膜型光学素子８の集光レンズ側に設定された場合で、かつ信号光の光源を点灯した状態で制御光を照射した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｃ信号光を消灯した状態の光検出器２２の出力レベル、Ｄ  焦点Ｆｃが膜型光学素子８の受光レンズ側に設定された場合で、かつ信号光の光源を点灯した状態で制御光を照射した場合の光検出器２２の出力レベル、ｄ78  集光レンズ７と光学素子８の距離、ｄ89 光学素子８と受光レンズ９の距離、Ｆc  焦点、Ｓ１  制御光、Ｓ２  信号光、ｔ1   信号光の光源を点灯した時刻、ｔ2   制御光を遮断していたシャッターを開放した時刻、ｔ3   制御光をシャッターで再び遮断した時刻、ｔ4   制御光を遮断したシャッターを開放した時刻、ｔ5   制御光をシャッターで再び遮断した時刻、ｔ6   信号光の光源を消灯した時刻、θ  集光レンズで収束させた光ビームの外周部が光軸となす角度、ω0 集光レンズで収束させたガウスビームのビームウエスト（焦点位置におけるビーム半径）、Ｚc   共焦点距離。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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