(57)【要約】【課題】  コストを大幅に低減し、かつストレージ容量を著しく増加することができるホログラフィック格子およびその作製方法を提供する。【解決手段】  本発明によるホログラフィック格子１０は、第１の屈折率を有するアクリル系ポリマー１６を含む複数の第１の構造領域１２と、第２の屈折率を有する非液晶分子１８を含む複数の第２の構造領域１４と、を含み、第１の構造領域１２が第２の構造領域１４に隣接し、第２の屈折率が第１の屈折率よりも高い。さらに、本発明は上記ホログラフィック格子を作製する方法も提供する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有するアクリル系ポリマーを含む複数の第１の構造領域と、
第２の屈折率を有する非液晶分子を含む複数の第２の構造領域と、を含み、
前記第１の構造領域が前記第２の構造領域に隣接し、前記第２の屈折率が前記第１の屈折率よりも高いホログラフィック格子。
【請求項２】
前記アクリル系ポリマーがポリ（メチルメタクリレート）を含む請求項１記載のホログラフィック格子。
【請求項３】
前記第１の屈折率が１．４〜１．５である請求項１または２に記載のホログラフィック格子。
【請求項４】
前記非液晶分子が透明である請求項１〜３のいずれかに記載のホログラフィック格子。
【請求項５】
前記非液晶分子が含硫黄化合物または含ハロゲン化合物を含む請求項１〜４のいずれかに記載のホログラフィック格子。
【請求項６】
前記含硫黄化合物が硫化ジフェニルまたはジメチルスルホキシドを含む請求項５記載のホログラフィック格子。
【請求項７】
前記含ハロゲン化合物が１−クロロナフタレンを含む請求項５または６に記載のホログラフィック格子。
【請求項８】
前記第２の屈折率が１．６〜１．８である請求項１〜７のいずれかに記載のホログラフィック格子。
【請求項９】
前記アクリル系ポリマーにグラフトされる多官能モノマーをさらに含む請求項１〜８のいずれかに記載のホログラフィック格子。
【請求項１０】
前記多官能モノマーがアクリル系モノマー誘導体を含む請求項９記載のホログラフィック格子。
【請求項１１】
前記アクリル系モノマー誘導体が、１，６−ヘキサンジオールジメタクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレートまたはペンタエリスリトールテトラアクリレートを含む請求項１０記載のホログラフィック格子。
【請求項１２】
線密度が８００〜１，２００本／ｍｍである請求項１〜１１のいずれかに記載のホログラフィック格子。
【請求項１３】
アクリル系モノマー、非液晶分子および光開始剤を混合する工程、ならびに、
光干渉ステップを実行して、第１の屈折率を有するアクリル系ポリマーを含む複数の第１の構造領域と、第２の屈折率を有する非液晶分子を含む複数の第２の構造領域と、を形成する工程を含み、
前記第１の構造領域が前記第２の構造領域に隣接し、前記第２の屈折率が前記第１の屈折率よりも高いホログラフィック格子の作製方法。
【請求項１４】
前記アクリル系モノマーがメチルメタクリレートを含む請求項１３記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項１５】
前記非液晶分子が含硫黄化合物または含ハロゲン化合物を含む請求項１３または１４に記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項１６】
前記光開始剤がローズベンガルまたはＮ−フェニルグリシンを含む請求項１３〜１５のいずれかに記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項１７】
多官能モノマーを混合する工程をさらに含む請求項１３〜１６のいずれかに記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項１８】
前記多官能モノマーがアクリル系モノマー誘導体を含む請求項１７記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項１９】
前記アクリル系モノマー、前記多官能モノマーおよび前記非液晶分子の重量比が１〜１．５：１〜１．５：１〜２．５である請求項１７または１８に記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項２０】
前記光干渉ステップがコヒーレントレーザー源を用いて実行される請求項１３〜１９のいずれかに記載のホログラフィック格子の作製方法。
【請求項２１】
前記コヒーレントレーザー源の波長が５００〜６００ｎｍである請求項２０記載のホログラフィック格子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホログラフィック格子（holographic grating）に関し、より詳細には非液晶分子を含むホログラフィック格子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
２１世紀初頭より、光学デバイスの信号処理およびストレージ技術は急速に発展してきている。また、１９６０年代に発明されたコヒーレントレーザーは、応用光学分野に画期的な発展をもたらした。非コヒーレントレーザーに比べ、コヒーレントレーザーは、光学式ストレージおよび信号転送の安定性がより高く、同時に、信号漏れが低減され、かつ信号分解能（signal resolution）が高められている。さらに、コヒーレントレーザーシステムには、１９４８年に英国の科学者Ｄ．ガボール（D. Gabor）によって開発されたホログラフィー技術が取り入れられている。ホログラフィーでは、光波場（light wave field）に対する媒体の感度を利用することにより、位相または振幅の光信号が、記録媒体の例えば屈折率または吸収係数などといった光学特性によって直接反映される。そして、参照光または検出光により干渉面の波面（wave-fronts）が再形成され、信号が再現および記録される。
【０００３】
コヒーレント光源（ホログラフィーにおいては物体光と参照光）の干渉下、媒体は干渉場の影響を受けて、三次元中で周期的な変化を生じる。露光の過程において、外殻電子の分極、温度勾配またはキャリア濃度の変化に加え、光エネルギーの変換によって、例えば光重合（photopolymerization）、フォトクロミズム（photochromism）または光分解（photodecomposition）などの化学反応機構が生じ、媒体の光学特性が変わることにより、三次元構造、すなわち光回折格子（optical gratings）が形成される。光回折格子は、例えば光論理演算デバイス、ホログラフィックイメージのストレージ技術、光スイッチ、ならびに画像信号処理および増幅などに広く利用されている。
【０００４】
従来の光ストレージシステムでは、光信号は二次元で記録されるため、ストレージ密度は制限されている。ホログラフィーは、三次元記録の方式を提供すると共に、例えば複屈折性、光学異方性および偏光選択性の高い液晶分子などの有機感光材を媒体にできるという利点を有する。しかしながら、高価な液晶分子および液晶分子を用いるデバイスの光拡散の問題は、コストを引き上げ、かつ信号のストレージと記録の効率を低下させている（たとえば、特許文献１〜３等）
【特許文献１】米国特許第６５３８７７５号公報
【特許文献２】米国特許第６５３７６２４号公報
【特許文献３】米国特許第６５３５４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述に鑑みて、本発明の目的は、コストを大幅に低減し、かつストレージ容量を著しく増加することができるホログラフィック格子およびその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１実施形態は、第１の屈折率を有するアクリル系ポリマーを含む複数の第１の構造領域と、第２の屈折率を有する非液晶分子を含む複数の第２の構造領域と、を含み、第１の構造領域が第２の構造領域に隣接し、第２の屈折率が第１の屈折率よりも高いホログラフィック格子を提供する。
【０００７】
本発明の１実施形態は、アクリル系モノマー、非液晶分子および光開始剤を混合する工程、ならびに光干渉ステップ（light interference step）を実行して、第１の屈折率を有するアクリル系ポリマーを含む複数の第１の構造領域と、第２の屈折率を有する非液晶分子を含む複数の第２の構造領域と、を形成する工程を含み、第１の構造領域が第２の構造領域に隣接し、第２の屈折率が第１の屈折率よりも高いホログラフィック格子の作製方法を提供する。
【０００８】
上記ホログラフィック格子は画像記録、情報伝送、データストレージ、および光論理演算デバイスに用いることができる。かかる低コストおよび高解像度の非液晶媒体ホログラフィック格子は、安価な低屈折率のアクリル系モノマー、例えばメチルメタクリレート（ＭＭＡ）と、本来の液晶媒体に代わる高屈折率および高流動性の透明非液晶分子と、を含んでいる。本発明のホログラフィック格子は三次元の情報ストレージの形態を提供する。該ホログラフィック格子は、媒体の分布を利用して記録性能を実現させており、コストを大幅に低減し、かつストレージ容量を著しく増加することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のホログラフィック格子によれば、コストの大幅な削減とストレージ容量の増加が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の詳細な説明および実施形態を添付の図面を参照にしながら読めば、本発明がより十分に理解されることとなろう。
【００１１】
以下の記載は本発明を実施するための最良の形態である。この記載は本発明の主要な原理を説明することを目的としたものであり、限定の意味で解釈されるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することによって決定されるべきである。
【００１２】
図１を参照されたい。本発明の１実施形態はホログラフィック格子を提供する。ホログラフィック格子１０は、約１．４〜１．５である第１の屈折率を有するアクリル系ポリマー１６を含む複数の第１の構造領域１２と、約１．６〜１．８である第２の屈折率を有する非液晶分子１８を含む複数の第２の構造領域１４と、を含んでいる。第１の構造領域１２は第２の構造領域１４に隣接し、第２の屈折率は第１の屈折率よりも高い。
【００１３】
アクリル系ポリマー１６としては、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）を挙げることができる。非液晶分子１８は透明であってよく、例えば硫化ジフェニル（ＤＳ）もしくはジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）などの含硫黄化合物、または、例えば１−クロロナフタレンなどの含ハロゲン化合物を挙げることができる。
【００１４】
ホログラフィック格子１０は、アクリル系ポリマー１６にグラフトされる多官能モノマー（multi-functional monomers）（図示せず）をさらに含む。多官能モノマーとしては、例えば１，６−ヘキサンジオールジメタクリレート（ＨＤ２Ａ）、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート（ＤＰＰＡ）、ペンタエリスリトールトリアクリレート（ＰＥ３Ａ）またはペンタエリスリトールテトラアクリレート（ＰＥ４Ａ）などのアクリル系モノマー誘導体を挙げることができる。ホログラフィック格子１０の線密度は約８００〜１，２００本／ｍｍまたは１，０００本／ｍｍである。また、ホログラフィック格子１０の回折効率の極値は約３０％であり、ラマン・ナスレジーム（Raman-Nath regime）の透過型回折格子の理論極値（３３．９％）に近い。
【００１５】
上記ホログラフィック格子は画像記録、情報伝送、データストレージ、および光論理演算デバイスに用いることができる。かかる低コストおよび高解像度の非液晶媒体ホログラフィック格子は、安価な低屈折率のアクリル系モノマー、例えばメチルメタクリレート（ＭＭＡ）と、本来の液晶媒体に代わる高屈折率および高流動性の透明非液晶分子と、を含んでいる。本発明のホログラフィック格子は三次元の情報ストレージの形態を提供する。該ホログラフィック格子は、媒体の分布を利用して記録性能を実現させており、コストを大幅に低減し、かつストレージ容量を著しく増加することができる。
【００１６】
図２Ａ〜２Ｂを参照されたい。本発明の１実施形態は、ホログラフィック格子の作製方法を開示する。先ず、適度な厚さのスペーサ２０をクリーンなガラス基板２２の両側に配置する。次いで、図２Ａに示されるように、もう一枚のガラス基板２４をスペーサ２０上に、覆うように設置して、スペース２６を形成する。別の実施形態では、ガラス基板をプラスチック基板に替えてもよい。
【００１７】
次に、アクリル系モノマー、多官能モノマー、非液晶分子および光開始剤を混合して溶液を調製する。アクリル系モノマーと多官能モノマーと非液晶分子のモル比は約１〜１．５：１〜１．５：１〜２．５である。アクリル系モノマーとしてはメチルメタクリレート（ＭＭＡ）を挙げることができる。多官能モノマーとしては、例えば１，６−ヘキサンジオールジメタクリレート（ＨＤ２Ａ）、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート（ＤＰＰＡ）、ペンタエリスリトールトリアクリレート（ＰＥ３Ａ）またはペンタエリスリトールテトラアクリレート（ＰＥ４Ａ）などのアクリル系モノマー誘導体を挙げることができる。非液晶分子としては、例えば硫化ジフェニル（ＤＳ）もしくはジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）などの含硫黄化合物、または、例えば１−クロロナフタレンなどの含ハロゲン化合物を挙げることができる。光開始剤としてはローズベンガル（ＲＢ）またはＮ−フェニルグリシン（ＮＰＧ）を挙げることができる。
【００１８】
続いて、上記溶液をスペース２６中に注ぎ入れる。完全に充填したら、溶液と空気が漏れないようにスペーサ２６を密封する。次に、光学系（図示せず）により、コヒーレントレーザーを光源として用い、波長５００〜６００ｎｍで光干渉ステップを実行し、これによってホログラフィック格子を得る。図２Ｂに示されるように、このホログラフィック格子は、アクリル系ポリマーからなる第１の構造領域２８と、非液晶分子からなる第２の構造領域３０と、を含んでいる。
【００１９】
該ホログラフィック格子は、感光性ポリマーおよび不活性の（光反応に参与しない）高屈折率非液晶分子を含む。記録媒体（光開始剤、アクリル系モノマーおよび不活性の高屈折率非液晶分子を含む）は、光の強い領域（highlight areas）と光の弱い領域（weak-light areas）それぞれのエネルギー分布によって、干渉面上で各種の機構（mechanisms）を生じる。図３Ａ〜３Ｃにホログラフィック格子の形成機構が示されている。図３Ａを参照されたい。光干渉ステップを実行する前、アクリル系モノマー３２、非液晶分子３４および光開始剤３６は支持材３８上に均一に分布している。照射後、光の強い領域４０内において、励起された光開始剤３６はアクリル系モノマー３２の重合を誘導し始める。物質移動の上では、重合反応のため、光の強い領域４０内のアクリル系モノマー３２の濃度は光の弱い領域４２におけるよりも低い。熱力学的には、分子が化学ポテンシャルの差によって移動する。濃度のバランスをとるため、アクリル系モノマー３２は光の弱い領域４２から光の強い領域４０へと移る。同時に、図３Ｂに示されるように、不活性の非液晶分子３４が光の強い領域４０から光の弱い領域４２へ拡散する。そして、アクリル系ポリマー４４が徐々に形成されていき、溶解度の変化によって相分離が起こる。最後に、図３Ｃに示されるように、光の強い領域４０および光の弱い領域４２内にそれぞれアクリル系ポリマー４４および不活性の非液晶分子３４が分布した、連続式の屈折の差異（continuous-type refractive index alteration）を呈するホログラフィック格子が得られる。
【００２０】
本発明が提供するアクリル系モノマーは、透過または反射型ホログラフィック格子の干渉波面の完全な情報を記録するのに用いられる。ただし、１実施形態において、プロピレンモノマーはアクリル系モノマーと代替することができる。モノマー分子の透過性は、情報ストレージデバイスにとって重要な特性である。また、モノマー分子の流動性はその拡散に影響する。よって、高流動性のモノマー分子は、粘度を低めることができ、不完全な相分離を回避することができる。
【００２１】
多官能モノマーの添加は重合反応を加速すると共に、アクリル系モノマーを架橋させて網状ポリマー構造を形成させることができる。該網状ポリマー構造は線状ポリマーよりも溶解度が低く、かつ移動が低減されるため、構造が変わることで記録情報がダメージを受けるのを回避することができる。このように、多官能モノマーは光重合の相分離において重要な役割を果たす。
【００２２】
本発明では、異なる屈折率を有するホログラフィック格子を作製するため、アクリル系ポリマー（ｎ＝１．５）と差異ができるように、屈折率の高い（ｎ＝１．６）不活性の非液晶分子を加える。
【００２３】
ポリマーおよび高屈折率の添加物を含むホログラフィック格子は、フリーラジカル重合によって短時間で形成でき、情報を効率的に保存することができるものである。故に、フリーラジカル光開始剤は重要である。ローズベンガル（ＲＢ）は可視光の範囲内に広い吸収帯を有する。ＲＢは、ダイオードレーザーを用いる場合に適した光開始剤である。さらに、励起状態の光増感剤（photosensitizer）は光開始剤と作用してフリーラジカルを生じることができるため、光重合反応の初速度が効果的に高められる。
【００２４】
本発明のホログラフィック格子を作製するのに用いる光学系を以下に説明する。５３２ｎｍダイオードレーザーを本発明のホログラフィック干渉記録の光源とする。動作の流れは次のとおりである。先ず、減衰器でレーザーの出力を適切な範囲に下げる。次にレーザーを平面鏡で反射させ、光路を変更させる。レーザーは、ビームスプリッターを通過した後２本に分離される。この時、これら２本のレーザー光の出力を１：１に調整する。そして計算を行った後、入射角を設定する。次に、ビームスプリッターまたは平面鏡を微調整することによって、２本のレーザー光の干渉面がサンプルに集まるようにする。２本のレーザー光を平行にする、または同一のポイントに集めるよう制御することは、誤差を回避するために特に重要である。続いて、耐震システムを起動させ、数分後、シャッターを用い露光時間を制御して、ホログラフィック干渉実験を行う。別の６３３ｎｍレーザーをスプリッターで２本に分離する。一方のレーザー光は第１段階の回折シグナルの検出に用い、もう一方のレーザー光は、回折効率の計算エラーを回避するべく、レーザー強度を安定させるのに用いる。次いで、サンプルを１８Ｗ蛍光ランプの下で露光し、未反応のモノマーを消費させると共に、格子構造を固定させる。こうして、低コストおよび高解像度の非液晶媒体ホログラフィック格子が出来上がる。
【実施例】
【００２５】
実施例１
先ず、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）（ｎ＝１．５）１モル、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート（ＤＰＰＡ）（ｎ＝１．４９）１モル、硫化ジフェニル（ＤＳ）（ｎＤＳ＝１．６３）２．２５モル、およびローズベンガル（ＲＢ）０．１モルを混合して溶液を調製した。
【００２６】
次いで、上記溶液をセル(厚さ５０μｍ)中に注ぎ入れ、完全に充填したら、溶液の漏れと空気の侵入が起こらないように、セルを密封した。続いて、光学系を用いて光干渉ステップを実行することにより、高屈折率化合物を含むホログラフィック格子(線幅１μｍ)を得た。光源には波長５３２ｎｍのコヒーレントレーザーを用い、出力０．５ｍＷ／ｃｍ２、入射角１．１３°とした。
【００２７】
実施例２
先ず、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）（ｎ＝１．５）１モル、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート（ＤＰＰＡ）（ｎ＝１．４９）１モル、硫化ジフェニル（ＤＳ）（ｎＤＳ＝１．６３）１．１４モル、およびローズベンガル（ＲＢ）０．１モルを混合して溶液を調製した。
【００２８】
次いで、上記溶液をセル(厚さ５０μｍ)中に注ぎ入れ、完全に充填したら、溶液の漏れと空気の侵入が起こらないように、セルを密封した。続いて、光学系を用いて光干渉ステップを実行することにより、高屈折率化合物を含むホログラフィック格子(線幅１μｍ)を得た。光源には波長５３２ｎｍのコヒーレントレーザーを用い、出力０．５ｍＷ／ｃｍ２、入射角１．１３°とした。
【００２９】
以上、好適な実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定はされないと解されるべきである。本発明は、（当業者であれば明らかであるように）各種変更および均等なアレンジをカバーするよう意図されている。よって、添付の特許請求の範囲は、かかる各種変更および均等なアレンジがすべて包含されるように、最も広い意味に解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の１実施形態によるホログラフィック格子構造を示している。
【図２Ａ】図２Ａは本発明の１実施形態によるホログラフィック格子の作製方法を示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明の１実施形態によるホログラフィック格子の作製方法を示している。
【図３Ａ】図３Ａは本発明のホログラフィック格子の形成機構を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明のホログラフィック格子の形成機構を示している。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明のホログラフィック格子の形成機構を示している。
【符合の説明】
【００３１】
１０      ホログラフィック格子
１２、２８      第１の構造領域
１４、３０      第２の構造領域
１６、４４      アクリル系ポリマー
１８、３４      非液晶分子
２０      スペーサ
２２、２４      ガラス基板
２６        スペース
３２      アクリル系モノマー
３６      光開始剤
３８      支持材
４０      光の強い領域
４２      光の弱い領域
【図１】
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【図２Ａ】
2009151300.tif 000004
【図２Ｂ】
2009151300.tif 000005
【図３Ａ】
2009151300.tif 000006
【図３Ｂ】
2009151300.tif 000007
【図３Ｃ】
2009151300.tif 000008