JPH063714A - 非線形光学薄膜素子およびその作製方法 - Google Patents

非線形光学薄膜素子およびその作製方法

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JPH063714A
JPH063714A JP18613692A JP18613692A JPH063714A JP H063714 A JPH063714 A JP H063714A JP 18613692 A JP18613692 A JP 18613692A JP 18613692 A JP18613692 A JP 18613692A JP H063714 A JPH063714 A JP H063714A
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JP
Japan
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thin film
pom
substrate
film element
optical thin
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JP18613692A
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Shinichiro Tamura
眞一郎 田村
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Sony Corp
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形感受率が高く非線形光学材料として優
れた特性を有する3−メチル−4−ニトロピリジン−N
−オキシド(POM)の薄膜結晶からなる非線形光学薄
膜素子を得る。 【構成】 非線形光学薄膜素子は、3−メチル−4−ニ
トロピリジン−N−オキシド(POM)の薄膜結晶層お
よびPOMの昇華を防止するための透明保護層が基板上
に順次積層された構造を有している。この場合、POM
の薄膜結晶層は、基板を0℃以下に冷却してPOMを真
空蒸着することにより形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザーの波長変換
素子等として有用な、有機化合物からなる非線形光学薄
膜素子およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】非線形光学材料は、該材料を透過した光
が高調波に変換されることから、波長変換素子、光変調
器等の光学素子として使用される。従来、非線形光学材
料としては、KDP(リン酸二水素カリウム)等の無機
系材料が使用されているが、近年では非線形感受率が高
いことなどから有機系の非線形光学材料が注目されてい
る。例えば、下記構造式を有する3−メチル−4−ニト
ロピリジン−N−オキシド(以下POMと称する)は、
カットオフ波長が414nmと短波長であり、青色の波
長領域でも非線形光学特性を発現し、2次の非線形性能
指数もKDPと比較して1600倍高いという優れた特
徴を有するので注目されており(Laser& Optics,p59,19
87.11. )、そのバルク結晶について、第2高調波発
生、パラメトリック発振等が観測されている(J.Zyss,
D.S.Chemia and J.F.Nicoud,Journalof Chemical Physi
cs,74,p4800,1981; J.Zyss,I.Ledoux,R.B.Hierle,R.K.
Rajand J.L.Oudar, IEEE Journal of Quantum Electron
ics,QE-21,p1286,1985 )。
【0003】
【化1】
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、POMを小
光強度で動作する非線形デバイスとして使用するために
は、光を有効に利用するためにPOMで光導波路を作製
することが必須となる。しかしながら、そのための技術
は未だ検討段階であり確立していない。すなわち、MN
A(2−メチル−4−ニトロアニリン)、DAN(1−
ジメチルアミノ−2−アセトアミド−4−ニトロベンゼ
ン)等の他の有機系の非線形光学材料においては、当該
材料を溶融後徐冷することによりスラブ状あるいはファ
イバ状の導波路に加工することがなされているが、この
方法をPOMに適用するとPOMが熱分解してしまうの
で適用することはできない。そのため、POMの光導波
路の作製方法としては、溶液からの単結晶作製法による
薄膜導波路の作製が試みられているにすぎない。
【0005】この発明は、このような従来技術の課題を
解決しようとするものであり、POM薄膜結晶からなる
非線形光学薄膜素子を容易に得られるようにし、それに
よりPOMの薄膜光導波路の作製を可能としてPOMを
小光強度で動作する非線形デバイスとして利用できるよ
うにすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明者は、真空蒸着
によりPOMの結晶薄膜を形成し、さらにその上に透明
保護層を設けるとPOMを薄膜結晶の形態に保持でき、
薄膜光導波路として利用できることを見出し、この発明
を完成させるに至った。
【0007】すなわち、この発明は、基板上に、POM
薄膜結晶層および透明保護層が順次積層されてなる非線
形光学薄膜素子を提供する。
【0008】また、このような非線形光学薄膜素子の作
製方法として、基板を0℃以下に冷却してPOMを真空
蒸着することにより基板上にPOM薄膜結晶層を形成
し、その後その上に透明保護層を形成することを特徴と
する非線形光学薄膜素子の作製方法を提供する。
【0009】上記のように、この発明の非線形光学薄膜
素子は、ガラス基板上にPOM薄膜結晶層および透明保
護層が積層した構造を有している。このPOM薄膜結晶
層としては、必ずしもPOM単結晶層を設ける必要はな
いが、非線形光学薄膜素子の用途に応じてPOM結晶の
大きさがある程度の大きさに成長したPOMの薄膜層を
設ける。例えば、波長変換素子として使用する場合に、
POM結晶の大きさは基本波長よりも大きくすることが
好ましい。
【0010】基板上にPOM薄膜結晶層を形成する方法
としては、この発明の方法により基板の温度を0℃以下
に冷却してPOMを真空蒸着することが好ましい。真空
蒸着法で形成することによりPOM薄膜結晶層の膜厚を
精密に制御することが可能となり、また、その際の基板
温度を0℃以下に冷却することによりPOM結晶の成長
したPOM薄膜結晶層を形成することが可能となる。な
お、真空蒸着によりPOM薄膜結晶層を形成するに際し
ては、必要に応じてマスキングし、パターン形成しても
よい。これにより微小非線形光学回路への応用が可能と
なる。
【0011】この発明において、POM薄膜結晶層上に
積層する透明保護層としては、POMの昇華を防止でき
る透明層を設ける。POMは蒸気圧が高いので、基板上
に単にその薄膜結晶層を形成しただけでは室温で速やか
に昇華して消失してしまうが、透明保護層を設けること
により、POM薄膜結晶層を基板上に安定的に保持させ
ることが可能となる。
【0012】このような透明保護層としては、種々の有
機化合物あるいは無機化合物からなる透明層を設けるこ
とができ、例えば、ポリスチレン、ポリメチルメタクリ
レート、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリエチレン
グリコール、ポリイソブチレン、ポリメチルスチレン等
の有機高分子化合物からなる透明膜、あるいはフッ化マ
グネシウム、氷晶石等からなる透明膜を設けることがで
きる。
【0013】透明保護層の形成方法としては、真空蒸着
によることが好ましい。これによりPOM薄膜結晶層を
真空蒸着により形成した後、引続き同装置で透明保護層
を形成することが可能となる。
【0014】
【作用】この発明の非線形光学薄膜素子によれば、基板
上のPOM薄膜結晶層上にさらに透明保護層が積層され
ているので、非線形感受率が高く非線形光学材料として
優れた特性を有するPOMの薄膜結晶層が、昇華により
消失することなく基板上に安定的に保持される。
【0015】また、この発明の非線形光学薄膜素子の作
製方法によれば、POM薄膜結晶層を真空蒸着により形
成するので、その膜厚を精密に制御することが可能とな
り、さらに蒸着時にマスキングすることによりパターン
形成することも可能となる。また、この発明の非線形光
学薄膜素子の作製方法によれば、基板温度を0℃以下に
冷却するので、POM薄膜結晶層中のPOM結晶の大き
さを、波長変換素子として使用する際の基本波に対して
十分に大きくすることが可能となる。
【0016】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて具体的に
説明する。
【0017】実施例1 図1は、この発明の非線形光学薄膜素子を作製するに際
して使用した真空蒸着装置の構成図である。同図の真空
蒸着装置は、Nガスを電磁弁1を介して矢印のように
液体Nデュア2に供給し、デュア2内の液体Nから
気化した低温のNガスを蒸着室3内の基板装着部4の
裏面に供給することにより基板装着部4を冷却できるよ
うになっている。また、基板装着部4には熱電対5が設
けられており、温度コントローラ6でNガスの供給量
を制御して基板装着部4の温度を制御できるようになっ
ている。
【0018】このような装置を使用して、蒸着基板とし
てガラス基板を用い、POM蒸発源をタングステン製蒸
発ボート(フルウチ化学製、BP−16)に入れ、基板
温度を−4℃に設定してPOMを厚さ500nm蒸着し
た。この場合、蒸着開始時の真空度は10−3Paもし
くはそれより高い真空度とした。また、蒸着は抵抗加熱
法で行い、電源は2.5V、100Aの電流可変のもの
を使用した。POM蒸発源の蒸発速度およびガラス基板
上の蒸着膜の膜厚は水晶振動式の膜厚計を用いて測定し
た。
【0019】POMをガラス基板に蒸着後、さらに同装
置でスチレンオリゴマー(分子量1250)を別の蒸発
ボートから蒸発させて厚さ200nmに蒸着し、この発
明の非線形光学薄膜素子を作製した。そして、この非線
形光学薄膜素子の温度が室温に上昇した後、それを装置
から取り出した。
【0020】得られた非線形光学薄膜素子を光学顕微鏡
で観察したところ、10〜40μm程度の結晶が観察さ
れた。
【0021】また、図2に示した構成の第2高調波観測
装置において、得られた非線形光学薄膜素子を試料室に
載置し、XeClエキシマレーザ(波長308nm)励
起の色素レーザ(レーザ色素、スチリル9)で波長86
0nmの光を照射し、第2高調波を観測した。この場
合、パルス当りのエネルギーは1.6mJ、パルス幅は
約20nsとした。この結果、色素レーザの発振波形に
対応して発生する第2高調波の波形は、トランジェント
デジタイザで図3に示したように観測された。また、比
較のため、この発明の非線形光学薄膜素子の代わりに粉
末のPOMを使用して、同様に第2高調波を観測した。
この結果も図3に示した。これにより、この発明の非線
形光学薄膜素子を使用した場合の第2高調波の強度は、
粉末のPOMを使用した場合に比べて約10倍以上大き
く、この発明の有効性が確認された。このようにこの発
明の非線形光学素子により大きい強度が得られるのは、
非線形相互作用をする距離が結晶形成により増大したた
めと思われる。
【0022】実施例2 ガラス基板の温度を−25℃に設定し、実施例1と同様
にしてPOMを厚さ500nm蒸着し、その後スチレン
オリゴマー(分子量1250)を厚さ200nm蒸着し
た。そして、この基板の温度が室温に上昇した後、それ
を装置から取り出した。これを光学顕微鏡で観察したと
ころ、20〜50μmの大きさの結晶が観察された。
【0023】比較例1 ガラス基板の温度を20℃(室温)に設定し、実施例1
と同様にしてPOMを厚さ200nm蒸着した。その後
蒸発ボートが冷却する間にPOMの蒸着膜厚が減少する
のが観察された。5分後に蒸着室を真空状態から常圧に
戻し、ガラス基板を取り出したところ、その基板にはわ
ずかに粉状のPOMが付着していただけであった。
【0024】比較例2 ガラス基板の温度を2℃に設定し、実施例1と同様にし
てPOMを厚さ500nm蒸着し、その後スチレンオリ
ゴマー(分子量1250)を厚さ200nm蒸着した。
そして、この基板の温度が室温に上昇した後、それを装
置から取り出した。これを光学顕微鏡で観察したとこ
ろ、1〜2μmの大きさの結晶が観察された。この程度
の大きさの結晶は基本波の波長と同程度であるため光導
波路を作製するのに適当ではなく、POMの蒸着時にガ
ラス基板をより低温にすべきことが確認できた。
【0025】比較例3 ガラス基板の温度を−2℃に設定し、実施例1と同様に
してPOMを厚さ500nm蒸着した。そしてその上に
スチレンオリゴマーを蒸着させることなく、基板温度を
室温に戻し、それを装置から取り出した。その結果、P
OM蒸着膜は昇華して基板上に残存していなかった。そ
こで、POMの蒸着時のガラス基板の温度をさらに低く
して同様の実験を繰り返したが、結果は同じであった。
【0026】これにより、POMの蒸着時にガラス基板
を冷却することによりその基板上にPOM蒸着膜が形成
されたとしても、POM蒸着膜上にPOMの昇華を防ぐ
保護層が存在しない場合には、POMは蒸気圧が高いた
めに昇華して消失することが確認できた。
【0027】
【発明の効果】この発明によれば、非線形感受率が高く
非線形光学材料として優れた特性を有するPOMの薄膜
結晶からなる非線形光学薄膜素子を容易に得られるよう
になり、POMを小光強度で動作する非線形デバイスと
して利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】非線形光学薄膜素子の作製に使用した真空蒸着
装置の構成図である。
【図2】第2高調波観測装置の構成図である。
【図3】第2高調波の波形図である。
【符号の説明】
1 電磁弁 2 液体Nデュア 3 蒸着室 4 基板装着部 5 熱電対 6 温度コントローラ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、3−メチル−4−ニトロピリ
    ジン−N−オキシドの薄膜結晶層および透明保護層が順
    次積層されてなる非線形光学薄膜素子。
  2. 【請求項2】 透明保護層が有機高分子化合物からなる
    請求項1記載の非線形光学薄膜素子。
  3. 【請求項3】 基板を0℃以下に冷却して3−メチル−
    4−ニトロピリジン−N−オキシドを真空蒸着すること
    により基板上にその薄膜結晶層を形成し、その後その上
    に透明保護層を形成することを特徴とする非線形光学薄
    膜素子の作製方法。
  4. 【請求項4】 透明保護層を、有機高分子化合物を真空
    蒸着することにより形成する請求項3記載の非線形光学
    薄膜素子の作製方法。
JP18613692A 1992-06-19 1992-06-19 非線形光学薄膜素子およびその作製方法 Pending JPH063714A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160074590A (ko) * 2013-10-25 2016-06-28 도요 고한 가부시키가이샤 비선형 광학 색소, 포토리프랙티브 재료 조성물, 포토리프랙티브 기재 및 홀로그램 기록 매체
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