JPH06208146A - Non-linear optical element with orientation stability - Google Patents
Non-linear optical element with orientation stabilityInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 経時変化に対し安定性のある非線形光学素子
の提供
【構成】 下記式で表わされる非線形光学特性を発現し
うる化合物がケイ素からなるゾルゲルガラス担体中に含
有されてなり、かつ当該化合物が該担体中において双極
子モーメントの方向が膜厚方向に配向されるように含有
されている非線形光学素子。
R1 ―Ar1 ―(CH=CH)n―CH=C(CN)―COOH・Z
[但し、Zは特定の光学活性アミンである](57) [Abstract] [Purpose] Providing a nonlinear optical element that is stable against changes over time [Configuration] A compound capable of exhibiting nonlinear optical characteristics represented by the following formula is contained in a sol-gel glass carrier made of silicon. And the compound is contained in the carrier such that the dipole moment is oriented in the film thickness direction. R 1 -Ar 1- (CH = CH) n-CH = C (CN) -COOH.Z [where Z is a specific optically active amine]
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光情報伝送材料、光記
録技術分野における短波長変換、パラメトリック発振、
屈折率変化らを主とした非線形光学素子に関するもので
ある。The present invention relates to an optical information transmission material, short wavelength conversion in the optical recording technical field, parametric oscillation,
The present invention relates to a non-linear optical element mainly including changes in refractive index.
【0002】[0002]
【従来の技術】有機材料の非線形光学特性が既存の無機
化合物に比べて大きいことが近年知られてきた。非線形
光学効果とは、例えばレーザ光のような強い光電場を物
質に印加した時、その物質の電気分極応答が印加電界の
大きさの一次に比例する関係から、その大きさの二次以
上の高次の効果があらわれることを示す。2. Description of the Related Art Recently, it has been known that the nonlinear optical characteristics of organic materials are greater than those of existing inorganic compounds. The non-linear optical effect means that when a strong photoelectric field such as laser light is applied to a substance, the electric polarization response of the substance is proportional to the magnitude of the applied electric field. It shows that higher-order effects appear.
【0003】二次の非線形光学には、入射光の波長を1
/2の波長に変換する第二高調波発生、1種類の波長の
光を2種類の光に変換させるパラメトリック発振、逆に
2種類の波長の光から1種類の波長の光を発現させる二
次光混合などがある。For second-order nonlinear optics, the wavelength of the incident light is 1
Second harmonic generation that converts to / 2 wavelength, parametric oscillation that converts light of one kind of wavelength into two kinds of light, conversely secondary that expresses light of one kind of wavelength from light of two kinds of wavelength There is light mixing.
【0004】これらの諸特性から、大きな技術発展が期
待される光データ/光情報処理や、光通信に用いられる
光スイッチ、光メモリー、あるいは、光情報記憶素子と
して使用される可能性が高い。特に近年光記録分野で
は、記録符号の読み取り、あるいは書き込みの波長の短
波長化が、高密度の記録を行う上で強く要望されるよう
になってきた。操作性、簡便性の観点から半導体レーザ
が主として用いられてきているが、既存の半導体材料の
組合わせでは、一般に630nmより短い波長の発光を
生起することは困難であるといわれている。この観点か
ら、ここに述べた二次の非線形光学特性を利用して、第
二高調波発生により、紫外領域に近い青色発光の材料が
詳しく検討され、ニオブ酸リチウム、KTP、BBOに
代表される無機材料での応用が積極的に研究されてい
る。しかしながら、無機材料は、その性能指数があまり
大きくないこと、応答速度が小さい、加工性が良くな
い、吸湿性が大きい、安定性が低いなど、実用上の問題
点が多い。Due to these characteristics, there is a high possibility that it will be used as an optical data / optical information processing, which is expected to undergo significant technological development, an optical switch used for optical communication, an optical memory, or an optical information storage element. Particularly in recent years in the optical recording field, there has been a strong demand for shortening the wavelength of reading or writing the recording code in order to perform high density recording. Although semiconductor lasers have been mainly used from the viewpoints of operability and simplicity, it is generally said that it is difficult to generate light having a wavelength shorter than 630 nm with a combination of existing semiconductor materials. From this point of view, by utilizing the second-order nonlinear optical characteristic described here, blue emission materials close to the ultraviolet region due to the generation of the second harmonic are studied in detail, and are typified by lithium niobate, KTP, and BBO. Applications in inorganic materials are being actively researched. However, inorganic materials have many practical problems such as not having a large figure of merit, low response speed, poor workability, high hygroscopicity, and low stability.
【0005】近年、これらの無機材料に対して、2―メ
チル―4―ニトロアニリン(MNA)に代表される、大
きい性能を有する有機化合物は、単結晶の形態で、デバ
イス材料への開発が行われている。しかし有機結晶は、
機械的特性や耐熱性が低いことが難点となっている。一
般に第2高調波発生能は、分子内での分極が大きくかつ
その分極の寄与が大きくなる長い共役系ほど大きくなる
が、このように分極を増大させると固体化の際、結晶が
成長する段階で分子の配向がその分極を打ち消し合うよ
うに空間的に安定化し反転対称性の構造が優先的に形成
されるため光学素子として非線形光学効果が発現しない
ことが多い。特に、分極の大きな働きが期待されるカル
ボン酸は、周知の通り2分子のカルボン酸同士が水素結
合で安定化することが知られており、この配置をとるた
めにカルボン酸類はそのままでは二次の非線形光学活性
になることはなく、高度の分極性を利用した機能素子と
して用いるための大きな障害になることが多かった。か
かる観点から、分子1ケの双極子モーメントの活性が固
体状の集合体でも残存するような工夫が種々なされてい
るが、高い電場を印加することで、双極子の方向を揃え
る事が可能となる場合があり、通常コロナ放電処理とし
て知られている。このコロナ放電処理が可能となるため
には、非線形光学材料が適当な媒体に溶解、分子分散し
ている事が必要で、ポリマーを担体としたフイルム中な
どに溶解して処理する事で、容易に達成出来る。In recent years, organic compounds having high performance represented by 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) have been developed as device materials for these inorganic materials in the form of single crystals. It is being appreciated. But organic crystals
The disadvantage is low mechanical properties and low heat resistance. Generally, the second harmonic generation ability becomes larger in a long conjugated system in which the polarization in the molecule is large and the contribution of the polarization is large. However, when the polarization is increased in this way, the stage where a crystal grows during solidification. Since the orientation of molecules is spatially stabilized so that their polarizations cancel each other and a structure of inversion symmetry is preferentially formed, a nonlinear optical effect often does not appear as an optical element. In particular, carboxylic acids, which are expected to have a large polarization effect, are known to stabilize two molecules of carboxylic acids with hydrogen bonds, as is well known. It did not become a non-linear optical activity, and was often a major obstacle for using it as a functional element utilizing a high degree of polarizability. From this point of view, various measures have been taken so that the activity of the dipole moment of one molecule remains in the solid aggregate, but it is possible to align the dipole directions by applying a high electric field. And is commonly known as corona discharge treatment. In order for this corona discharge treatment to become possible, it is necessary that the non-linear optical material is dissolved in a suitable medium and molecularly dispersed, and it can be easily treated by dissolving it in a film using a polymer as a carrier. Can be achieved.
【0006】ところで、低温合成ガラスの作製法として
近年開発された、ゾルゲル法を用いて、非線形光学効果
を有する有機物質をゾルゲルガラス担体中にドープした
材料を製造するという報告がある(例えば、特開平2―
302329号)。それによると、非線形光学効果を有
する有機分子を混合したシリコンアルコキシドを加水分
解、ゲル化させる過程において静電場を印加することに
より非線形光学有機分子が一方向に揃い、これらはアル
コキシドのゲル化に伴い、ガラスマトリックス中に固定
されるため、安定した非線形光学材料が得られるとして
いる。By the way, there has been a report that a sol-gel method, which has been recently developed as a method for producing low-temperature synthetic glass, is used to produce a material in which a sol-gel glass carrier is doped with an organic substance having a nonlinear optical effect (for example, a special method). Kaihei 2-
No. 302329). According to it, the nonlinear optical organic molecules are aligned in one direction by applying an electrostatic field in the process of hydrolyzing and gelling a silicon alkoxide mixed with an organic molecule having a nonlinear optical effect. Since it is fixed in the glass matrix, a stable nonlinear optical material can be obtained.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら該製造方
法では、室温で数日間電界を与えながらゲル化反応させ
ており、その煩雑性の点で工業的に生産性、経済性に問
題があると言わざるをえない。静電場を印加する際の温
度も50〜80℃と低く通常は長時間の処理が必要と推
測される。However, in the production method, the gelation reaction is carried out while applying an electric field at room temperature for several days, and it is said that there is a problem in productivity and economic efficiency in terms of industrial complexity due to its complexity. I have no choice. The temperature when applying the electrostatic field is as low as 50 to 80 ° C., and it is presumed that a long-time treatment is usually required.
【0008】また、添加する有機分子は一般に溶解性が
大きくなく、シリコンアルコキシド、水およびアルコー
ルへの溶解量には制限があり、非線形光学素子として、
大きい性能を得ることがむずかしい。更に、このゾルゲ
ル反応を促進する触媒として、酸、叉は塩基性化合物を
別途添付する必要がある。この為に、機能を発現させる
目的で加えられている各種材料が凝縮、変性する可能性
があり、機能性材料について限定される事がある。Further, the organic molecules to be added generally do not have large solubility, and the amount of dissolution in silicon alkoxide, water and alcohol is limited, and as a nonlinear optical element,
It is difficult to get great performance. Furthermore, as a catalyst for promoting this sol-gel reaction, it is necessary to additionally attach an acid or a basic compound. For this reason, various materials added for the purpose of exhibiting the function may be condensed and modified, and the functional material may be limited.
【0009】[0009]
【課題を達成する手段】本発明は、以上のような問題を
解決すべくなされたものであり、鋭意検討を進めた結
果、ケイ素からなるゾルゲルガラス担体中に上記カルボ
ン酸アミン塩誘導体(I)で表される非線形光学材料分
子が高濃度に含有されてなり、かつこのカルボン酸アミ
ン塩の働きで触媒を新しく加えなくても重合が進行する
という点で生産性は高められ、さらに電界を印加するこ
とによって該分子の双極子モ―メントの配向を制御し担
体内で長期にわたって固定されることが認められ、本発
明に到達したものである。The present invention has been made to solve the above problems, and as a result of intensive studies, the carboxylic acid amine salt derivative (I) was added to a sol-gel glass carrier made of silicon. The non-linear optical material molecule represented by is contained in a high concentration, and the productivity is enhanced in that the polymerization proceeds due to the action of this carboxylate amine salt without adding a new catalyst, and an electric field is applied. By this, it was confirmed that the orientation of the dipole moment of the molecule was controlled and the molecule was fixed in the carrier for a long time, and the present invention was achieved.
【0010】即ち本発明は、非線形光学特性を有する下
記一般式(I)で表されるカルボン酸誘導体の双極子モ
ーメントが、該材料を担持するゾルゲルガラス担体中に
て配向されていることを特徴とする配向非線形光学素子
とその製造方法に関するものである。That is, the present invention is characterized in that the dipole moment of the carboxylic acid derivative represented by the following general formula (I) having non-linear optical characteristics is oriented in the sol-gel glass carrier carrying the material. The present invention relates to an oriented nonlinear optical element and its manufacturing method.
【0011】ここで述べる非線形光学特性を有するカル
ボン酸アミン塩誘導体としては、下記一般式(I)で示
される。The carboxylic acid amine salt derivative having nonlinear optical characteristics described here is represented by the following general formula (I).
【0012】[0012]
【化3】 R1 ―Ar1 ―(CH=CH)n―CH=C(CN)―COOH・Z (I) 〔但しnは、0,1または2を表す。Ar1 は、炭素数
5〜14の芳香族基を表す。R1 ―は、R2 R3 N―で
表されるアミノ基、及び、そのハロゲン化水素塩、R4
―O―で表されるエーテル基、R5 ―S―で表されるチ
オエーテル基、シアノ基、―COOR6 または―OCO
R7 で表されるエステル基、―CONR8R9 、―NR
10COR11で表されるアミド基、―R12で表される炭化
水素基(R 2 ―R12は、同一もしくは異なり、炭素数1
〜8の1価の炭化水素基、または水素原子を表す)から
選ばれる官能基である。Zは、光学活性の1―フェニル
エチルアミン、1―α―ナフチルエチルアミン、1―フ
ェニル―2―メチルエチルアミン、1―フェニル―2―
アミノプロパン、2―アミノ―1―ブタノール、1―ア
ミノ―2―プロパノール、2―アミノ―1―プロパノー
ル、2―アミノ―1―(p―ニトロフェニル)―1,3
―プロパンジオール、2―ジメチルアミノ―1―フェニ
ル―1―ベンジール―1―プロパノール、1―(N,N
―ジメチルアミノ)―1―フェニルプロピルアミンの中
から選ばれる一種あるいはニ種以上の混合物である。〕[Chemical formula 3] R1-Ar1-(CH = CH) n-CH = C (CN) -COOH.Z (I) [wherein n represents 0, 1 or 2] Ar1Is the carbon number
It represents an aromatic group of 5 to 14. R1-Is R2R3N-
Amino group represented, and hydrogen halide salt thereof, RFour
An ether group represented by -O-, RFiveJ represented by -S-
Ether group, cyano group, -COOR6Or-OCO
R7An ester group represented by —CONR8R9, -NR
TenCOR11An amide group represented by12Carbonization represented by
Hydrogen group (R 2-R12Are the same or different and have 1 carbon
~ Monovalent hydrocarbon group of 8 or represents a hydrogen atom)
It is the functional group of choice. Z is optically active 1-phenyl
Ethylamine, 1-α-naphthylethylamine, 1-f
Phenyl-2-methylethylamine, 1-phenyl-2-
Aminopropane, 2-Amino-1-butanol, 1-A
Mino-2-propanol, 2-amino-1-propanol
2-amino-1- (p-nitrophenyl) -1,3
-Propanediol, 2-Dimethylamino-1-phenyl
Ru-1-benzil-1-propanol, 1- (N, N
-Dimethylamino) -In 1-phenylpropylamine
It is one kind or a mixture of two or more kinds selected from. ]
【0013】かかる材料のうち、カルボン酸誘導体の合
成については、例えば、特開平1―245230号(平
成1年9月29日公開)に示されるように、芳香族アル
デヒドと活性メチレン化合物との反応で得られるα―シ
アノアクリル酸化合物が該当する。カルボン酸誘導体
は、酸の水素結合のために結晶化する際に対称に配置し
た構造となるために、一般的に結晶化されたものは二次
の非線形光学特性は発現しない。従って、この酸を単純
に以下に述べるゾルゲルガラス担持体に溶解、分子分散
させるだけでは、二次の非線形光学特性を期待できな
い。この為に、従来法では、コロナポーリングにあらわ
される高電界を印加して、配向を強制的に制御する工夫
がなされている。Regarding the synthesis of carboxylic acid derivatives among such materials, for example, as shown in JP-A-1-245230 (published on September 29, 1991), a reaction between an aromatic aldehyde and an active methylene compound is carried out. The α-cyanoacrylic acid compound obtained in 1. is applicable. Since the carboxylic acid derivative has a symmetrically arranged structure during crystallization due to the hydrogen bond of the acid, the carboxylic acid derivative generally does not exhibit the second-order nonlinear optical characteristics. Therefore, the secondary nonlinear optical characteristics cannot be expected by simply dissolving and molecularly dispersing this acid in the sol-gel glass support described below. For this reason, the conventional method is devised to apply a high electric field represented by corona poling to forcibly control the orientation.
【0014】近年開発されたゾルゲル法と呼ばれるガラ
スの合成法は従来からの千数百度という高温を要する製
造法と違い室温以上でシリコンアルコキシドを触媒の存
在下、アルコールおよび水と反応させ、加水分解を経て
縮重合させることによりガラスを与える低温合成法であ
る。The glass synthesis method called the sol-gel method, which has been developed in recent years, is different from the conventional production method requiring a high temperature of several thousand and several hundred degrees, and the silicon alkoxide is reacted with alcohol and water in the presence of a catalyst at room temperature or higher to hydrolyze. It is a low-temperature synthesis method that gives glass by polycondensation via
【0015】この方法を用いると、耐熱性に乏しい有機
化合物を、加水分解反応以前のシリコンアルコキシド溶
液中にあらかじめ添加することで、ガラス中に均一分散
することができる。By using this method, an organic compound having poor heat resistance can be added to the silicon alkoxide solution before the hydrolysis reaction in advance, so that it can be uniformly dispersed in the glass.
【0016】本発明においてシリコンアルコキシドの加
水分解反応は、一般のゾルゲル法に準じて行われる。本
発明の特徴は、この際に何ら触媒を添加する必要のない
事である。各種の解析から、上記化合物カルボン酸アミ
ン塩(I)のアミン成分が、一部解離して、遊離アミン
として触媒作用を行っていると、考えられる。In the present invention, the hydrolysis reaction of silicon alkoxide is carried out according to a general sol-gel method. The feature of the present invention is that it is not necessary to add any catalyst at this time. From various analyzes, it is considered that the amine component of the compound carboxylic acid amine salt (I) partially dissociates and catalyzes as a free amine.
【0017】本発明の一般式General Formula of the Invention
【0018】[0018]
【化4】Si(OR0 )4 (II) で表されるシリコンアルコキシドとしては、R0 が炭素
数1〜4の飽和炭化水素基であり、テトラメトキシシラ
ン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、
テトラブトキシシランから選ばれる一種である。R0 の
炭素数の大きい炭化水素基を有するシリコンアルコキシ
ドほど一般的に加水分解速度が小さくなり、R0 の炭素
数が5以上では生産性が低く実用的でない。アルコール
は、ゾルゲル法における溶媒として用いられるものであ
って、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピル
アルコール、ブチルアルコール等を挙げることができ
る。Embedded image As the silicon alkoxide represented by Si (OR 0 ) 4 (II), R 0 is a saturated hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, and tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane,
It is a kind selected from tetrabutoxysilane. A silicon alkoxide having a hydrocarbon group of R 0 having a large number of carbon atoms generally has a low hydrolysis rate, and when R 0 has a carbon number of 5 or more, productivity is low and not practical. The alcohol is used as a solvent in the sol-gel method, and examples thereof include methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol and butyl alcohol.
【0019】上記アルコールおよび水のシリコンアルコ
キシド1モルに対する添加割合は、特に制限はないが、
アルコール0.2〜20モル、水1〜10モルである。The addition ratio of the above alcohol and water to 1 mol of silicon alkoxide is not particularly limited,
Alcohol is 0.2 to 20 mol and water is 1 to 10 mol.
【0020】ところで、上記化学式(I)あるいは(I
I)で表される有機化合物は、極性の大きい溶媒を用い
ることで容易に溶解させることができる。非線形光学素
子として性能を発揮するには、この非線形効果の大きい
有機色素化合物をできる限り高濃度に存在させることが
望ましい。ゾルゲル法における出発物質であるシリコン
アルコキシドは、極性があまり大きくなく、該化合物を
高濃度溶解することはむずかしい。By the way, the above chemical formula (I) or (I
The organic compound represented by I) can be easily dissolved by using a highly polar solvent. In order to exert the performance as a non-linear optical element, it is desirable that the organic dye compound having a large non-linear effect is present at a concentration as high as possible. Silicon alkoxide, which is a starting material in the sol-gel method, is not very polar and it is difficult to dissolve the compound at a high concentration.
【0021】一方、ゾルゲル法では加水分解反応が進行
しさらに縮重合が進みガラス体が生成する際、系内に存
在する水アルコールが蒸発していくが、ガラス体の表面
と内部で揮発成分の濃度が異なって応力が生じるため、
亀裂、破壊、細片化がおこってしまうことがある。この
ような欠陥のないガラスを製造する際に、水よりも沸点
の高い極性溶媒を添加することが効果的である。水より
小さい表面張力を有する該極性溶媒が、水の蒸発後も反
応系内に存在することにより、生成するガラス体の表面
層に生ずる引っ張り応力は弱められ、欠陥のないガラス
体が得られる。すなわち、極性溶媒を添加することによ
り、有機色素化合物を高濃度に、シリコンアルコキシド
溶液中に溶解させ、かつ欠陥のない非線形光学素子を製
造するのに非常に有効である。On the other hand, in the sol-gel method, when the hydrolysis reaction proceeds and the condensation polymerization further progresses to produce a glass body, the hydroalcohol existing in the system evaporates. Since the concentration is different and stress is generated,
Cracks, fractures, and fragmentation may occur. When manufacturing a glass without such defects, it is effective to add a polar solvent having a boiling point higher than that of water. Since the polar solvent having a surface tension smaller than that of water is present in the reaction system even after the evaporation of water, the tensile stress generated in the surface layer of the produced glass body is weakened and a glass body having no defects can be obtained. That is, by adding the polar solvent, it is very effective to dissolve the organic dye compound in the silicon alkoxide solution at a high concentration and to manufacture a non-linear optical element having no defect.
【0022】本発明で用いる極性溶媒としては、有機色
素化合物を高濃度に溶解し、かつシルコンアルコキシ
ド、アルコールおよび水と相溶し、さらにまた欠陥の生
じないガラス体を得られればよく、N,N―ジメチルホ
ルムアミド、N,N―ジメチルアセトアミド、シクロヘ
キサノンから選ばれる一種または二種以上の混合物であ
る。As the polar solvent used in the present invention, it is sufficient that an organic dye compound is dissolved in a high concentration and is compatible with silcon alkoxide, alcohol and water, and a glass body free from defects is obtained. , N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and cyclohexanone, or a mixture of two or more thereof.
【0023】添加量としては特に制限はないが、シリコ
ンアルコキシド1モルに対して0.1〜10モルであ
り、好ましくは0.5〜5モルである。0.1モルより
少ないと有機化合物を十分に添加できずガラス体にも欠
陥を生じやすくなる。また10モルを超えるとガラス体
の生成速度が小さくなり生産性が低くなってしまう。The addition amount is not particularly limited, but is 0.1 to 10 mol, preferably 0.5 to 5 mol, per 1 mol of silicon alkoxide. If the amount is less than 0.1 mol, the organic compound cannot be sufficiently added and defects are likely to occur in the glass body. On the other hand, if it exceeds 10 moles, the production rate of the glass body will be low and the productivity will be low.
【0024】一般にシリコンアルコキシドにアルコー
ル、極性溶媒ならびに有機化合物を添加した溶液に、水
および塩基性触媒を加えると加水分解及び縮重合反応が
起こる。その際、加熱することにより反応は促進され、
アルコール、水、極性溶媒の順で系内より蒸発、除去さ
れ、透明なガラス体を生産性よく効率的に得ることがで
きる。加熱温度は添加した有機化合物の融点あるいは分
解温度にもよるが、用いる極性溶媒の沸点付近でかつ有
機化合物の融点付近かそれ以下の温度であることが望ま
しく、100℃〜200℃の範囲で選ばれる。それ以下
の温度では極性溶媒がガラス担体に大量に残存してしま
い、一方、200℃を超えると有機色素化合物の一部
が、昇華したり分解、変成することがあり好ましくな
い。この加熱処理だけで、触媒を加えなくても重合反応
が進行するが、その際本発明では、上記カルボン酸アミ
ン塩(I)のアミン成分が、カルボン酸の酸性としての
寄与よりも強い塩基性を示すためと考えられる。Generally, when water and a basic catalyst are added to a solution obtained by adding an alcohol, a polar solvent and an organic compound to a silicon alkoxide, hydrolysis and polycondensation reaction occur. At that time, the reaction is accelerated by heating,
Alcohol, water, and a polar solvent are evaporated and removed from the system in this order, and a transparent glass body can be efficiently obtained with high productivity. The heating temperature depends on the melting point or decomposition temperature of the added organic compound, but it is desirable that the heating temperature is near the boiling point of the polar solvent used and near or below the melting point of the organic compound, and is selected in the range of 100 ° C to 200 ° C. Be done. When the temperature is lower than that, a large amount of the polar solvent remains on the glass carrier. On the other hand, when the temperature exceeds 200 ° C., a part of the organic dye compound may be sublimated, decomposed or metamorphosed, which is not preferable. The polymerization reaction proceeds without adding a catalyst only by this heat treatment, but in this case, in the present invention, the amine component of the carboxylic acid amine salt (I) has a stronger basicity than the contribution of the carboxylic acid as an acid. It is considered to indicate.
【0025】コロナ放電により有機分子の配向を揃え、
対称中心を崩して第二高調波発生を行っている例とし
て、ポリマーを担体として、デスパースレッド―1(Di
sperseRed 1)と呼ばれるアゾ系色素を分散させた例、
あるいは、p―ニトロアニリンを分散させた例がある。
それらは例えば、雑誌オプトロニクス(1990年)、
3号、128頁に記載の、妹尾巌らの「高分子非線形光
学材料」、あるいは、雑誌O PLUS E(1990年)
12月号、129頁に記載の佐々木啓介の「ポリマーの
光導波路への応用」等に詳細に解説されている。By aligning organic molecules by corona discharge,
As an example in which the center of symmetry is broken to generate the second harmonic, the polymer is used as a carrier and the Desperse Red-1 (Di
An example in which an azo dye called sperseRed 1) is dispersed,
Alternatively, there is an example in which p-nitroaniline is dispersed.
They are, for example, the magazine Optronics (1990),
No. 3, p. 128, Iwao Senoo, et al., "Polymer Nonlinear Optical Material," or the magazine O PLUS E (1990).
It is described in detail in "Application of Polymers to Optical Waveguides" by Keisuke Sasaki described in the December issue, page 129.
【0026】この様に対称中心を崩す方法としては、あ
らかじめキラルな誘導体にする方法があり、本方法の如
く光学活性アミン塩は、それだけでカルボン酸の空間的
配置を、その双極子を揃う方向に配列する。更にこの効
果に付加して後述のコロナ放電の配向効果があり規則性
が顕著に良好となる事が期待できる。As a method of breaking the center of symmetry as described above, there is a method of preparing a chiral derivative in advance. As in the present method, the optically active amine salt alone has a spatial arrangement of carboxylic acid and a direction in which its dipoles are aligned. To array. In addition to this effect, it is expected that there will be a corona discharge orientation effect, which will be described later, and the regularity will be remarkably improved.
【0027】上記方法を実施するにあたり、非線形光学
活性な化合物の双極子モーメントの方向をガラス体の内
部で揃えるために、直流電場を印加することが好まし
い。この高電場の印加方法としては、ポリマー担持体が
有効に帯電すればよく、各種の方法が考えられるが、コ
ロナ放電による方法を用いると容易に達成することが可
能となる。コロナ放電とは、図1に示した通り平板状電
極15と針状電極12との間に、直流電源11により高
電圧、例えば1kV以上、好ましくは5〜12kVの電
圧を印加して、コロナ放電を発生させ、該ガラス体13
を帯電させるものである。In carrying out the above method, it is preferable to apply a DC electric field in order to align the dipole moment directions of the nonlinear optically active compound inside the glass body. As a method of applying this high electric field, various methods are conceivable as long as the polymer carrier is effectively charged, and various methods are conceivable. However, the method using corona discharge can be easily achieved. Corona discharge refers to corona discharge by applying a high voltage, for example, 1 kV or more, preferably 5 to 12 kV, by the DC power supply 11 between the flat plate electrode 15 and the needle electrode 12 as shown in FIG. To generate the glass body 13
Is to be charged.
【0028】この時の現象としては、空気中の分子がイ
オン化して、平板電極の方向にイオンが飛翔し、結果的
にガラス担持体にイオンが多数蓄積され、上部電極とガ
ラス担持体表面とが電位が等しくなるまで放電が継続す
ることになる。この間、担持体表面13と平板電極15
の間には、印加した電位差が生じており、担持体中の非
線形光学材料の有機化合物は電場と平行にその双極子モ
ーメントが保持されることになる。即ち、ガラス担持体
膜厚方向に、配向が揃う形になる。As a phenomenon at this time, molecules in the air are ionized, and the ions fly toward the plate electrode, and as a result, a large number of ions are accumulated in the glass carrier, and the upper electrode and the glass carrier surface are The discharge will continue until the potentials become equal. During this time, the carrier surface 13 and the plate electrode 15
An applied potential difference is generated between the two, and the organic compound of the nonlinear optical material in the carrier retains its dipole moment in parallel with the electric field. That is, the orientation is uniform in the film thickness direction of the glass carrier.
【0029】ここに述べられる通り、ポリマーを担体と
する試みは、既に公知の知見であるが、この際有機分子
の配向は揃うもののポリマーの自由空間容積が時間と共
に変化し、その結果有機分子はその空間内で配向を逐次
消失し結果的に非線形性が減少する事が認められる。As described herein, an attempt to use a polymer as a carrier is already known, but at this time, although the orientation of the organic molecules is uniform, the free space volume of the polymer changes with time, and as a result, the organic molecules become It is recognized that the orientation disappears successively in that space, and as a result, the nonlinearity decreases.
【0030】一方、本発明に述べたゾルゲルガラスは、
高分子材料のもつ自由容積空間の変化に対応する挙動が
抑制される。これは、まずゾルガラスの形成が縮重合反
応の完全な3次元架橋を基本構造にもち、ゾルゲルガラ
スへの変化でこの架橋過程が更に促進する為にミクロの
空間が、ほぼ固定される状態になるためであろうと考え
られる。このような形態変化への安定化はガラス中に分
散して配向された有機分子の形態を保持するために非対
称性が保持し、結果的に非線形特性の経時変化が大幅に
制御される事となり本発明に到達したものである。On the other hand, the sol-gel glass described in the present invention is
The behavior corresponding to the change of the free volume space of the polymer material is suppressed. This is because the formation of sol glass has a complete three-dimensional cross-linking of the polycondensation reaction as a basic structure, and the change to sol-gel glass further accelerates this cross-linking process, so that the microscopic space is almost fixed. It is thought to be because of it. Stabilization to such morphological changes retains the morphology of the organic molecules that are dispersed and oriented in the glass, so that the asymmetry is maintained, and as a result, the change in nonlinear characteristics over time is significantly controlled. The present invention has been reached.
【0031】このコロナ放電においては、一方の極は、
必ずしも針状である必要性がなく、線状でもここに示し
た目的に合致するもので、むしろガラス担持体に均等な
電場の印加が効果的に発現するために、より望ましい場
合もある。In this corona discharge, one pole is
It is not always necessary to have a needle shape, and a linear shape is also suitable for the purpose shown here, and in some cases it is more desirable because an even electric field is effectively applied to the glass carrier.
【0032】分子の配向の確認は、上記コロナ放電した
ガラス担持体を回転させながら、入射光の偏光の方向を
変化させて、二次の高調波を観測することでも確認でき
るし、あるいは、電子スペクトルの測定を偏光の方向依
存性を測定することで、確認できる。The orientation of the molecules can be confirmed by observing the second harmonic by changing the polarization direction of the incident light while rotating the corona-discharged glass carrier. The spectrum can be confirmed by measuring the polarization direction dependence.
【0033】以下、実施例により本発明を詳述する。The present invention will be described in detail below with reference to examples.
【0034】[0034]
【実施例1】有機色素分子として5―(4―ジメチルア
ミノフェニル)―2―シアノペンタジェノン酸、1―フ
ェニルエチルアミン塩0.21gを、N,N―ジメチル
ホルムアミド(DMF)2.83gとともにテトラエト
キシシラン1.74gとメタノール4.8gの混合液に
添加し撹拌、溶解させた。これに、水1.0gを加え一
晩反応させたのち、これを1分間2000回転のスピン
コーターで製膜し、ガラス基板上に作成した。このガラ
ス基板を室温で10分間放置後、図1に示すような平板
電極の上に置き、片側の線状電極の下8mmのところに
静置して150℃に加熱しながら、10kVの電界をコ
ロナ放電により60分間印加した。得られた試料をNd-Y
AGレーザーの1.06μの波長の基本光を入射したとこ
ろ、第二高調波である0.53μの緑色の発光が観測さ
れた。Example 1 As an organic dye molecule, 0.21 g of 5- (4-dimethylaminophenyl) -2-cyanopentagenonic acid and 1-phenylethylamine salt was added together with 2.83 g of N, N-dimethylformamide (DMF) to give tetra. The mixture was added to a mixed liquid of 1.74 g of ethoxysilane and 4.8 g of methanol, stirred and dissolved. After adding 1.0 g of water to this and making it react overnight, this was formed into a film by the spin coater of 2000 rpm for 1 minute, and it created on the glass substrate. After leaving this glass substrate at room temperature for 10 minutes, it was placed on a flat plate electrode as shown in FIG. 1 and was placed 8 mm below the linear electrode on one side and heated to 150 ° C. while applying an electric field of 10 kV. It was applied for 60 minutes by corona discharge. The obtained sample is Nd-Y
When the fundamental light of the AG laser with a wavelength of 1.06 μ was incident, a green emission of 0.53 μ, which was the second harmonic, was observed.
【0035】[0035]
【比較例1】有機色素分子として、デスパースレッド1
を用いて、実施例1と同様の操作(触媒無添加系)を行
ったが、ガラス基板上に膜を得ることができなかった。[Comparative Example 1] Desperse Red 1 as an organic dye molecule
The same operation as in Example 1 (catalyst-free system) was carried out using, but no film could be obtained on the glass substrate.
【0036】[0036]
【実施例2〜6】実施例1と同様の実験を、下記化合物
を用いて行い、いずれも第2高調波の発生が観測され
た。Examples 2 to 6 The same experiment as in Example 1 was conducted using the following compounds, and the generation of the second harmonic was observed in each case.
【0037】[0037]
【表1】 [Table 1]
【図1】コロナ放電の概略を示す。FIG. 1 shows an outline of corona discharge.
11 高電圧電源 12 ワイアー 13 担持体 14 基板 15 平板電極 11 high-voltage power supply 12 wire 13 carrier 14 substrate 15 plate electrode
Claims (4)
ケイ素からなるゾルゲルガラス担体中に含有されてな
り、かつ当該化合物が該担体中において双極子モーメン
トの方向が膜厚方向に配向されるように含有されている
非線形光学素子において、前記化合物が、下記式(I) 【化1】 R1 ―Ar1 ―(CH=CH)n―CH=C(CN)―COOH・Z (I) 〔但しnは、0,1または2を表す。Ar1 は、炭素数
5〜14の芳香族基を表す。R1 ―は、R2 R3 N―で
表されるアミノ基、及び、そのハロゲン化水素塩、R4
―O―で表されるエーテル基、R5 ―S―で表されるチ
オエーテル基、シアノ基、―COOR6 または―OCO
R7 で表されるエステル基、―CONR8R9 、―NR
10COR11で表されるアミド基、―R12で表される炭化
水素基(R 2 ―R12は、同一もしくは異なり、炭素数1
〜8の1価の炭化水素基、または水素原子を表す)から
選ばれる官能基である。Zは、光学活性の1―フェニル
エチルアミン、1―α―ナフチルエチルアミン、1―フ
ェニル―2―メチルエチルアミン、1―フェニル―2―
アミノプロパン、2―アミノ―1―ブタノール、1―ア
ミノ―2―プロパノール、2―アミノ―1―プロパノー
ル、2―アミノ―1―(p―ニトロフェニル)―1,3
―プロパンジオール、2―ジメチルアミノ―1―フェニ
ル―1―ベンジール―1―プロパノール、1―(N,N
―ジメチルアミノ)―1―フェニルプロピルアミンの中
から選ばれる一種あるいはニ種以上の混合物である。〕
で表されるカルボン酸アミン塩誘導体であることを特徴
とする非線形光学素子。1. A compound capable of exhibiting non-linear optical properties,
Be contained in a sol-gel glass carrier made of silicon.
And the compound has a dipole moment in the carrier.
Is contained so that the direction of the film is oriented in the film thickness direction.
In the non-linear optical element, the compound is represented by the following formula (I):1-Ar1-(CH = CH) n-CH = C (CN) -COOH.Z (I) [wherein n represents 0, 1 or 2] Ar1Is the carbon number
It represents an aromatic group of 5 to 14. R1-Is R2R3N-
Amino group represented, and hydrogen halide salt thereof, RFour
An ether group represented by -O-, RFiveJ represented by -S-
Ether group, cyano group, -COOR6Or-OCO
R7An ester group represented by —CONR8R9, -NR
TenCOR11An amide group represented by12Carbonization represented by
Hydrogen group (R 2-R12Are the same or different and have 1 carbon
~ Monovalent hydrocarbon group of 8 or represents a hydrogen atom)
It is the functional group of choice. Z is optically active 1-phenyl
Ethylamine, 1-α-naphthylethylamine, 1-f
Phenyl-2-methylethylamine, 1-phenyl-2-
Aminopropane, 2-Amino-1-butanol, 1-A
Mino-2-propanol, 2-amino-1-propanol
2-amino-1- (p-nitrophenyl) -1,3
-Propanediol, 2-Dimethylamino-1-phenyl
Ru-1-benzil-1-propanol, 1- (N, N
-Dimethylamino) -In 1-phenylpropylamine
It is one kind or a mixture of two or more kinds selected from. ]
Characterized by being a carboxylic acid amine salt derivative represented by
And a nonlinear optical element.
下記一般式(II) 【化2】Si(OR0 )4 (II) [但しR0 は、炭素数1〜4の炭化水素基を示す]で表
されるシリコンアルコキシドを出発原料とするものであ
ることを特徴とする請求項1記載の非線形光学素子。2. The sol-gel glass made of silicon,
A silicon alkoxide represented by the following general formula (II): Si (OR 0 ) 4 (II) [wherein R 0 represents a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms] is used as a starting material. The non-linear optical element according to claim 1, wherein the non-linear optical element is present.
溶液に、100℃以上200℃以下の沸点を有する極性
溶媒ならびに一般式(I)で表される化合物を存在さ
せ、これに水を添加後、100℃以上200℃以下の温
度において、0.5kV以上40kV以下の電圧を印加
してコロナポーリングして上記化合物を配向させ、同時
に上記シリコンアルコキシド重合させることを特徴とす
る、非線形光学素子の製造方法。3. A polar solvent having a boiling point of 100 ° C. or more and 200 ° C. or less and a compound represented by the general formula (I) are present in the alcohol solution of silicon alkoxide, and water is added thereto, and then 100 ° C. or more. A method for producing a non-linear optical element, characterized in that a voltage of 0.5 kV or more and 40 kV or less is applied at a temperature of 200 ° C. or less to corona-poling to orient the compound and at the same time polymerize the silicon alkoxide.
ムアミド、N,N―ジメチルアセトアミド、シクロヘキ
サノンの中から選ばれる一種あるいはニ種以上の混合物
である請求項4記載の非線形光学素子の製造方法。4. The method for producing a nonlinear optical element according to claim 4, wherein the polar solvent is one kind or a mixture of two or more kinds selected from N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and cyclohexanone. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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