JPH022535A - 有機非線形光学素子 - Google Patents
有機非線形光学素子Info
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- JPH022535A JPH022535A JP14813288A JP14813288A JPH022535A JP H022535 A JPH022535 A JP H022535A JP 14813288 A JP14813288 A JP 14813288A JP 14813288 A JP14813288 A JP 14813288A JP H022535 A JPH022535 A JP H022535A
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- nonlinear optical
- general formula
- medium
- optical element
- organic nonlinear
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/361—Organic materials
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、第二、第三高調波発生、光混合、光変調、光
パラメトリツク発振、光スィッチなど光デバイスに利用
される非線形光学素子に係り、特に、優れた非線形光学
性能をもつ有機化合物を用いた有機非線形光学素子に関
する。
パラメトリツク発振、光スィッチなど光デバイスに利用
される非線形光学素子に係り、特に、優れた非線形光学
性能をもつ有機化合物を用いた有機非線形光学素子に関
する。
非線形光学素子は、電磁場による二次、三次の非線形分
極を利用し、高調波発生、光混合、光パラメトリツク発
振、光変調、光スィッチ等の素子として使われる。また
、将来、実現すると予想される光コンピュータの基本素
子となり得る光双安定素子としても注目を浴びている。
極を利用し、高調波発生、光混合、光パラメトリツク発
振、光変調、光スィッチ等の素子として使われる。また
、将来、実現すると予想される光コンピュータの基本素
子となり得る光双安定素子としても注目を浴びている。
従来、非線形光学素子は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏａ）、燐酸二水素カリウＡ（ＫＤＰ＞、砒化ガリウム
（ＧａＡｓ）などの無機材料、及び、半導体材料が主に
検討されてきた。ところが、近年、それらの材料に比べ
て、非線形光学性能に倶れ、また、光応答速度が非常に
速い有機系の非線形光学材料が見つかり、それらを利用
した非線形光学素子の開発が盛んとなってきた。それら
の有機非線形光学材料には、尿素、２−メチル−４−ニ
トロアニリン（ＭＮＡ）（特開昭５５−５００９６号公
報）、Ｎ−（４−二トロフェニル）−Ｌ−プロリノール
（ＮＰＩ））（特開昭５９−２１６６５号公報）などが
ある、特に、ＭＮＡやＮＰＰは、無機材料と比べて、百
倍以上の非線形光学定数をもっことが知られている。
Ｏａ）、燐酸二水素カリウＡ（ＫＤＰ＞、砒化ガリウム
（ＧａＡｓ）などの無機材料、及び、半導体材料が主に
検討されてきた。ところが、近年、それらの材料に比べ
て、非線形光学性能に倶れ、また、光応答速度が非常に
速い有機系の非線形光学材料が見つかり、それらを利用
した非線形光学素子の開発が盛んとなってきた。それら
の有機非線形光学材料には、尿素、２−メチル−４−ニ
トロアニリン（ＭＮＡ）（特開昭５５−５００９６号公
報）、Ｎ−（４−二トロフェニル）−Ｌ−プロリノール
（ＮＰＩ））（特開昭５９−２１６６５号公報）などが
ある、特に、ＭＮＡやＮＰＰは、無機材料と比べて、百
倍以上の非線形光学定数をもっことが知られている。
従来の非線形光学材料は、大きい非線形光学定数を持ち
、基本性能の面では優れている。しかし、大きな単結晶
が形成しにくい点、結晶の安定性が悪い点、透明性が悪
い点などの問題点がある。
、基本性能の面では優れている。しかし、大きな単結晶
が形成しにくい点、結晶の安定性が悪い点、透明性が悪
い点などの問題点がある。
上記の問題点の中でも、熱的安定性は、実用上の観点か
ら、特に、改善されねばならない点である。一般に、優
れた有機非線形光学材料は、無機材料に比べて、光損傷
しきい値（瞬間的な耐光性）は、かなり大きい、しかし
、有機材料は、長時間光にさらされた場合、耐性は、そ
れ程大きいとは言えない、何故なら、光エネルギが熱に
変換され、その熱によって材料が安定でなくなるからで
ある。
ら、特に、改善されねばならない点である。一般に、優
れた有機非線形光学材料は、無機材料に比べて、光損傷
しきい値（瞬間的な耐光性）は、かなり大きい、しかし
、有機材料は、長時間光にさらされた場合、耐性は、そ
れ程大きいとは言えない、何故なら、光エネルギが熱に
変換され、その熱によって材料が安定でなくなるからで
ある。
従って、有機非線形光学材料の実用性を考えた場合、熱
的安定性は非常に重要なポイントとなる。
的安定性は非常に重要なポイントとなる。
この観点から、有機非線形光学材料の融点は１５０℃以
上が望ましい、現在のところ、大きな非線形光学性能を
もつ有機材料で、この点を満足した非線形光学材料は、
まだ見出されていない、特に高速の光処理を考える場合
、解決が望まれる問題である。
上が望ましい、現在のところ、大きな非線形光学性能を
もつ有機材料で、この点を満足した非線形光学材料は、
まだ見出されていない、特に高速の光処理を考える場合
、解決が望まれる問題である。
本発明の目的は、非線形光学定数が大きく、かつ、熱的
に安定な有機非線形光学材料を用いた有機非線形光学素
子を提供することにある。
に安定な有機非線形光学材料を用いた有機非線形光学素
子を提供することにある。
上記の目的を達成するために、大きい非線形光学定数を
もち、かつ、熱的に安定な、つまり、融点が高く高温ま
で熱破壊を起さない材料を開発する必要がある。分子設
計を行ないながら種々検討した結果、次の一般式のベリ
ナフチノン系化合物が有効であることが分かった。
もち、かつ、熱的に安定な、つまり、融点が高く高温ま
で熱破壊を起さない材料を開発する必要がある。分子設
計を行ないながら種々検討した結果、次の一般式のベリ
ナフチノン系化合物が有効であることが分かった。
Ｒ４Ｒ３
一般式中の置換基Ｒｎの代表的なものとして、Ｒｎ＝−
〇Ｃｎ Ｈ２ｎ”ｌ ｌ Ｎ Ｈ２＊ Ｎ ＨＣＨａ
ｒＮ （ＣＨａ）２．−ＮＯｚ、−ＣＮ、−ＣＯＣＨａ
。
〇Ｃｎ Ｈ２ｎ”ｌ ｌ Ｎ Ｈ２＊ Ｎ ＨＣＨａ
ｒＮ （ＣＨａ）２．−ＮＯｚ、−ＣＮ、−ＣＯＣＨａ
。
−Ｈ，−Ｃｌ、−Ｂ ｒ、 −５ＣＨ３゜一般式（１）
で表される化合物を組成物として含む透明高分子は、そ
の化合物をアクリル酸、メチルアクリレ−１−、エチル
アクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリ
レート、メタクリル酸、メチルメタクリレート、エチル
メタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、イソブチ
ルアクリレート、トリエチルプロパンメタクリレート、
ｎ−へキシルメタクリレート、シクロへキシルメタクリ
レ−１〜、フェニルメタクリレート。
で表される化合物を組成物として含む透明高分子は、そ
の化合物をアクリル酸、メチルアクリレ−１−、エチル
アクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリ
レート、メタクリル酸、メチルメタクリレート、エチル
メタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、イソブチ
ルアクリレート、トリエチルプロパンメタクリレート、
ｎ−へキシルメタクリレート、シクロへキシルメタクリ
レ−１〜、フェニルメタクリレート。
ベンジルメタクリレ−１−、エチレングリコールジメタ
クリレ−１−、グリシジルメタクリレート、ペンタフル
オロブチルメタクリレート、スチレン。
クリレ−１−、グリシジルメタクリレート、ペンタフル
オロブチルメタクリレート、スチレン。
クロロスチレン、２，５−ジクロロスチレン、メトキシ
スチレンなどに混合し、重合させたものである。また、
必要に応じて、重合時、または、重合後、ポーリング処
理を行なって、分子を配向させると、生成物の非線形光
学性能を向上させることができる。
スチレンなどに混合し、重合させたものである。また、
必要に応じて、重合時、または、重合後、ポーリング処
理を行なって、分子を配向させると、生成物の非線形光
学性能を向上させることができる。
一般に非線形光学定数の大きい有機材料は、まずその構
成分子そのものが大きい非線形光学定数をもつことが必
要である。そして、それらの分子が、その非線形性をマ
クロな物性として有効に反映するように凝集する（結晶
化する）ことが必要である。
成分子そのものが大きい非線形光学定数をもつことが必
要である。そして、それらの分子が、その非線形性をマ
クロな物性として有効に反映するように凝集する（結晶
化する）ことが必要である。
まず、分子として大きな非線形光学定数を示すには、骨
格にπ電子共役系が存在し、置換基として、電子供与基
と電子吸引基をもつことが重要である。しかし、これは
一般論であり、π電子共役系をもつ骨格として具体的に
どのような骨格が適当であるか、また、ｉ換基として何
が適当であるかを選定することは非常に難しい、そこで
発明者らは、分子軌道法を用いて分子の非線形定数を予
測し、ｄｃ−３ＨＧ法による実測も合わせて行ない１分
子設計を進めた。
格にπ電子共役系が存在し、置換基として、電子供与基
と電子吸引基をもつことが重要である。しかし、これは
一般論であり、π電子共役系をもつ骨格として具体的に
どのような骨格が適当であるか、また、ｉ換基として何
が適当であるかを選定することは非常に難しい、そこで
発明者らは、分子軌道法を用いて分子の非線形定数を予
測し、ｄｃ−３ＨＧ法による実測も合わせて行ない１分
子設計を進めた。
また、第二の凝集構造に関しても、エネルギ計算の手法
により解析し、予測して、上記の目的に合った分子構造
の選定を行なった。
により解析し、予測して、上記の目的に合った分子構造
の選定を行なった。
更に、有機非線形光学材料が熱的に安定、すなわち、高
い融点を示すためには、結晶形成時の凝集エネルギが大
きく、かつ、融解時のエントロピ増加が小さいような分
子を選定すればよい、一般式（１）で表される化合物は
、上述の諸点が有効に作用しあい、極めて大きな非線形
光学性能をもち、かつ、高温まで熱的に安定である。
い融点を示すためには、結晶形成時の凝集エネルギが大
きく、かつ、融解時のエントロピ増加が小さいような分
子を選定すればよい、一般式（１）で表される化合物は
、上述の諸点が有効に作用しあい、極めて大きな非線形
光学性能をもち、かつ、高温まで熱的に安定である。
本発明の内容を、実施例とともに詳細に説明する。
〈実施例１〉
一般式（１）で表される化合物の構造を分子力学的方法
により最適化し、ＣＮＤＯ／Ｓ３−ＣＩ法（ＣＮ Ｄ
Ｏ： ＣｏｍｐｌｅｔｃＮ＋４１ｅｃｔ Ｏｆ Ｄｆｆ
ｅｒｅｎｔｉａｌＯＶｃｒｌａｐ、ＣＩ：Ｃｏｎｆｉｇ
ｕｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）により分子
軌道を計算した。その計算結果をもとに分子の二次非線
形分極率βと最大励起波長λｗａｘを算出した。その例
を表１に示す。
により最適化し、ＣＮＤＯ／Ｓ３−ＣＩ法（ＣＮ Ｄ
Ｏ： ＣｏｍｐｌｅｔｃＮ＋４１ｅｃｔ Ｏｆ Ｄｆｆ
ｅｒｅｎｔｉａｌＯＶｃｒｌａｐ、ＣＩ：Ｃｏｎｆｉｇ
ｕｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）により分子
軌道を計算した。その計算結果をもとに分子の二次非線
形分極率βと最大励起波長λｗａｘを算出した。その例
を表１に示す。
表 １
次に、各試料をｄｃ−ＳＨＧ法により評価した。
試料をエタノールに溶解させ、５ｋＶ、２μｓのパルス
電圧を印加し、それに同期して、ビークパワー１００Ｍ
Ｗ、ＩｏｎｓのＹＡ（Ｅレーザ光（波長１０１０６４ｎ
を試料に照射し、波長５３２ｎｍの波長変換光の強度を
光電子増倍管により測定した。同様の方法により測定し
たニトロベンゼン純液体の出力光をリファレンスとして
βの値を見積もった。βとλｍａｘの計算値、及び、β
の実測値を表１に示した。比較のためＭＮＡの値も示し
た。
電圧を印加し、それに同期して、ビークパワー１００Ｍ
Ｗ、ＩｏｎｓのＹＡ（Ｅレーザ光（波長１０１０６４ｎ
を試料に照射し、波長５３２ｎｍの波長変換光の強度を
光電子増倍管により測定した。同様の方法により測定し
たニトロベンゼン純液体の出力光をリファレンスとして
βの値を見積もった。βとλｍａｘの計算値、及び、β
の実測値を表１に示した。比較のためＭＮＡの値も示し
た。
更に、試料０．００ １ｍｏｌ／ｌのエタノール溶液を
調製し、磁気分光光度計により吸収スペクトルを測定し
た。
調製し、磁気分光光度計により吸収スペクトルを測定し
た。
次に粉末法により、結晶の非線形光学定数を測定した。
まず、試料を乳鉢ですりつぶし、粒径を１００μｍ程度
に揃えた後、Ｑ−スイッチＹＡＧレーザ光を照射し、波
長５３２ｎｍの波長変換光を集光レンズで集め、各種フ
ィルタで５３２ｎｍ以外の光をカットし、強度測定を行
なった０表２に測定結果を対尿素比として示した。
に揃えた後、Ｑ−スイッチＹＡＧレーザ光を照射し、波
長５３２ｎｍの波長変換光を集光レンズで集め、各種フ
ィルタで５３２ｎｍ以外の光をカットし、強度測定を行
なった０表２に測定結果を対尿素比として示した。
表 ２
熱的安定性をみるために、ＤＳＣ測定を行なった１代表
例として一般式（１）で表わされる化合物の置換基Ｒｎ
がすべて水素である化合物の結果を第２図に示した。こ
れをみると、融点１５６℃まで熱的に安定であることが
分かる。
例として一般式（１）で表わされる化合物の置換基Ｒｎ
がすべて水素である化合物の結果を第２図に示した。こ
れをみると、融点１５６℃まで熱的に安定であることが
分かる。
〈実施例２〉
第二高調波発生を利用した波長変換素子の概略図を第１
図に示す、非線形光学媒体は、一般式（１）で表わされ
る化合物を用い、基板４上に液相エピタキシャル成長法
により薄膜状の単結晶を成長させ、素子を作製した０位
相材合がとれる物質の場合、バルクの単結晶をそのまま
素子化することも可能である。この場合の単結晶は、６
０℃でブタノール飽和溶液を作り、恒温槽中で１分間に
０．０３ ℃の割合で１０℃まで徐冷することにより得
られる。
図に示す、非線形光学媒体は、一般式（１）で表わされ
る化合物を用い、基板４上に液相エピタキシャル成長法
により薄膜状の単結晶を成長させ、素子を作製した０位
相材合がとれる物質の場合、バルクの単結晶をそのまま
素子化することも可能である。この場合の単結晶は、６
０℃でブタノール飽和溶液を作り、恒温槽中で１分間に
０．０３ ℃の割合で１０℃まで徐冷することにより得
られる。
素子にビークパワー１ｋＷ、ＬｏｏｐｓのＹＡＧレーザ
光１ （波長１０１０６４ｎを入射させ、５３２ｎｍの
第二高調波（波長変換光）の強度を光電子増倍管により
測定した。変換効率は尿素と比較して、一般式（１）で
表わされる化合物の置換基Ｒｎがすべて水素である化合
物の場合、第１．８倍であった０図中２はレンズ、３は
非線形媒体、５は出射レーザ光。
光１ （波長１０１０６４ｎを入射させ、５３２ｎｍの
第二高調波（波長変換光）の強度を光電子増倍管により
測定した。変換効率は尿素と比較して、一般式（１）で
表わされる化合物の置換基Ｒｎがすべて水素である化合
物の場合、第１．８倍であった０図中２はレンズ、３は
非線形媒体、５は出射レーザ光。
〈実施例３〉
組成物として一般式（１）で表わされる化合物を含む透
明高分子の作製例をあげる。
明高分子の作製例をあげる。
組成物として一般式（１）で表わされる化合物で置換基
Ｒｎがすべて水素である化合物５ｇをメタクリル酸メチ
ル５０ｇに溶解させ２重合開始剤としてラウロイルパー
オキシドを０．０２重量パーセント加えた後、６０℃で
４８時間保ち１重合させた０重合物をガラス転移温度以
上（８０℃）に熱し、−時間コロナ放電してポーリング
し、素子化した。実施例２と同様の操作で、ＹＡＧレー
ザの第二高調波の変換効率を求めたところ、尿素と同程
度の大きさであった。
Ｒｎがすべて水素である化合物５ｇをメタクリル酸メチ
ル５０ｇに溶解させ２重合開始剤としてラウロイルパー
オキシドを０．０２重量パーセント加えた後、６０℃で
４８時間保ち１重合させた０重合物をガラス転移温度以
上（８０℃）に熱し、−時間コロナ放電してポーリング
し、素子化した。実施例２と同様の操作で、ＹＡＧレー
ザの第二高調波の変換効率を求めたところ、尿素と同程
度の大きさであった。
本発明の素子は、非線形光学材料の本質的な特性を利用
したものであり、実施例にあげた第二高調波を利用した
波長変換素子のみならず、広く非線形光学素子として動
作させることができる。
したものであり、実施例にあげた第二高調波を利用した
波長変換素子のみならず、広く非線形光学素子として動
作させることができる。
本発明によれば、熱的に安定で、非線形光学性能に優れ
、効率的に動作する非線形光学素子が得られた。
、効率的に動作する非線形光学素子が得られた。
第１図は、本発明の一実施例の有機非線形光学素子の説
明図、第２図は、本発明の非線形光学媒体の一つの化合
物のＤ Ｓ ＣＩＩｌ＋線である。 １・・・レーザ光、３・・・薄膜状の有機非線形光学媒
体、Ｎ１図 第２図 ＮＯ＋２ｆ） １３０１４０ １５０ １＆０１１０
１８０温友 （Ｃ）
明図、第２図は、本発明の非線形光学媒体の一つの化合
物のＤ Ｓ ＣＩＩｌ＋線である。 １・・・レーザ光、３・・・薄膜状の有機非線形光学媒
体、Ｎ１図 第２図 ＮＯ＋２ｆ） １３０１４０ １５０ １＆０１１０
１８０温友 （Ｃ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、媒体に光を入射した際に生じる非線形光学効果を利
用した非線形光学素子において、前記媒体が、下記の一
般式で表わされる化合物よりなることを特徴とする有機
非線形光学素子。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ２、前記媒体が、特許請求の範囲第１項記載の一般式で
表わされる化合物を主鎖及び側鎖の少なくとも一方に含
んだ透明高分子よりなることを特徴とする有機非線形光
学素子。 ３、前記媒体が、特許請求の範囲第１項記載の一般式で
表わされる化合物を組成物として含む透明高分子よりな
ることを特徴とする有機非線形光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14813288A JPH022535A (ja) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | 有機非線形光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14813288A JPH022535A (ja) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | 有機非線形光学素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH022535A true JPH022535A (ja) | 1990-01-08 |
Family
ID=15445979
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14813288A Pending JPH022535A (ja) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | 有機非線形光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH022535A (ja) |
-
1988
- 1988-06-17 JP JP14813288A patent/JPH022535A/ja active Pending
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