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JP3545270B2 - Method for manufacturing second-order nonlinear optical material - Google Patents
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JP3545270B2 - Method for manufacturing second-order nonlinear optical material - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、通信機器分野で汎用されている光変調器,光スイッチ等として多様な用途に使用可能な二次非線形光学材料を製造する方法に関する。
【0002】
【従来技術及び問題点】
二次非線形光学効果をもつ有機色素含有有機材料の位相整合条件を満足した分極処理として、光ポーリングが開発されている(J. Si et al., Appl. Phys. Let., Vol.72, 7(1998) 762‐764)。具体的には、数ピコ秒から数ナノ秒のパルスレーザーを用い、基本波及び基本波の2倍高調波を同軸上で偏光方向を一致させた状態で光学材料を照射している。
光ポーリングには、有機色素が光吸収する波長のレーザー光が使用される。光ポーリングで位相整合を満足する分極構造が形成されるが、光ポーリングに使用した波長のみで位相整合が満足される。そのため、素子として導波路構造の光路長を長くすると、有機色素による光吸収の影響が現れ第2高調波を効率的に取り出せない。
【0003】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二次非線形光学素子におけるこのような使用上の問題を解消し、多光子吸収を利用して光ポーリングを起こさせることにより、光路長が長くても光損失が極めて少ない二次非線形光学素子を提供することを目的とする。
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、照射するパルスレーザー光の3光子吸収以上の多光子吸収に相当する波長帯と吸収帯が重なり、前記波長帯の光吸収により光異性化反応を起こす有機色素分子又は該有機色素を側鎖にもつ分子を分散させた材料又は化学結合させた材料に、パルスレーザーを用いて、有機色素の吸収帯が存在しない二つの波長の光束を同軸で同時照射させ光ポーリングすることを特徴とする。
【0004】
【実施の形態】
本発明では、二次非線形光学効果をもつ有機色素を含む材料に二つの波長の光束を同軸で同時に照射させることにより、材料を光ポーリングする。被照射材料としては、二次非線形光学効果をもつ有機色素分子又は有機色素を側鎖にもつ分子を分散又は化学結合させて成膜された薄膜の外に、ファイバーやバルクも使用できる。
二次非線形光学効果をもつ有機色素分子としては、特に限定されるものではないが、パラニトロアニリン,スチリルピリジウムシアニン,4−4’トリシアノビニルジメチルアミノジアゾスチルベン,3メチル4ニトロピリジン1オキシド,ヘミシアニン,4−4’ジメチルアミノシアノビフェニール,ジメチルアミノフェニルウレア,4−アミノ4’ニトロジフェニルサルファイド,4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン等が例示される。
【0005】
光吸収により分子構造が変化する光異性化反応分子を有機色素として使用するとき、光異性化反応を示さない有機色素を用いた場合に比較してレーザーのパルス幅が長い場合でも容易に電場配向を起こすことが可能になる。光異性化反応分子には、4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン,ヘミシアニン,スチリルピリジウムシアニン等が挙げられる。双極子をもつこれら非線形の有機色素は、光電場が存在すると、光電場の方向に分子を揃わせる回転モーメントが発生する。その際に光異性化反応が生じるため、配向が促進される。光吸収を起こさない波長のレーザーを用いても、パルス幅が短くピークエネルギの大きなパルスレーザー光を照射すると、多光子吸収により光異性化反応が生じ、光電場による配向分極が促進される。
【0006】
有機色素を側鎖にもつ分子も特に制約されるものではなく、ポリメチルメタクリレート−4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン,ポリメチルメタクリレート−パラニトロアニリン,ポリイミド−4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン,熱架橋アゾポリウラセン等がある。
有機色素又は有機色素を側鎖にもつ分子は、マトリックスに分散される。マトリックス材料としては、ゾル−ゲル法により成膜可能で熱的及び化学的に安定なシリカ,チタニア,ジルコニア,アルミナ等の金属酸化物、フェニル基等の官能基が付加された金属酸化物等が使用される。ポリメチルメタクリレート等のポリマーもマトリックス材料に使用できる。
【0007】
有機色素又は有機色素を側鎖にもつ分子を分散させたマトリックス材料は、スピンコート,ディップコート,真空蒸着等により基板上で薄膜化される。ゾル−ゲル法で薄膜化することもできる。基板には、石英ガラス,無アルカリガラス等のガラス基板、ITO等の透明電極をコートしたガラス基板、シリコン基板等が使用される。薄膜は、特に限定されるものではないが、一般的に100〜10000nm(好ましくは100〜1000nm)の膜厚で基板上に形成される。
また、ゾル−ゲル法における溶液調製過程で、ゾルが曳糸性を呈するように加水分解の程度を制御するとき、紡糸装置でゲルファイバーが作製される。このゲルファイバーを熱処理することにより有機−無機複合型のファイバーが作製される。ポリマー材料では、温度や溶媒量等を制御することにより容易にファイバー化できる。更には、鋳型を用いた鋳込み等によってバルク材料も作製される。このようにして得られたファイバーやバルク材料も被照射材料として使用でき、同様に光ポーリングされる。
【0008】
薄膜,ファイバー又はバルク材料は、二つの波長の光束を同軸で同時照射させることにより光ポーリングされる。たとえば、図1に示すように励起光源1としてNd:YVOレーザー,種光発生用光源2としてTi:サファイアレーザー,再生増幅器3を励起する光源4としてNd:YLFレーザーを使用する。
励起光源1から出射されたレーザー光は、種光発生用光源2,再生増幅器3によりパルス間隔がピコ秒オーダからフェムト秒オーダに制御される。次いで、光パラメトリック増幅器5によりレーザー光の波長を1.1〜3.0μmに変換する。光パラメトリック増幅器5から出たレーザー光は、短波長カットフィルタ6で短波長成分がカットされた後、アパーチャ7を経て偏光プリズム8を透過して直線偏光になる。
【0009】
直線偏光は、ビームスプリッタ9で二つの光束に分けられる。一方の光(反射光)をシャッタ10を経て二次非線形光学結晶11に入射させ、第2高調波を発生させる。第2高調波の基本波成分は、長波長カットフィルタ12でカットされる。
他方の光(透過光)は、遅延素子13で光路長を調整した後、ダイクロイックミラー14で長波長カットフィルタ12からの光と混合される。混合したレーザー光は、凸レンズ15で集束され、試料16に入射される。このように二つの波長をもつ光束を同軸で同時照射するとき、試料16が光ポーリングされる。
【0010】
試料16が光ポーリングされたか否かは、基本波のみを試料16に入射させ、試料16を透過した光を凸レンズ17,短波長反射ミラー18,シャッタ19,長波長カットフィルタ20,干渉フィルタ21を経て検出器22に入射させ、検出器22で第2高調波を検出することにより確認される。
光ポーリングでは、基本波及び第2高調波が干渉する結果、三次非線形光学効果により周期的な直流電場が発生する。従来の光ポーリングでは、2光束のうち第2高調波の波長が有機色素の吸収波長であり、光吸収によって色素の配向が促進されることにより分極構造が形成されることを前提とし、色素の吸収波長と異なる光線を照射しても光ポーリングが生じないと考えられていた。ところが、本発明者等による調査・研究の結果から、光吸収が起きない波長においても多光子吸収により色素のもつ吸収帯と一致させるとき、光ポーリングが生じることが判った。
【0011】
たとえば、約500nmに吸収ピークをもつ4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンセン色素は、1500nm及び750nmの光を照射しても光吸収がないために光ポーリングが生じないと考えられていた。しかし、この場合でもナノ秒からフェムト秒オーダのパルスレーザーを使用すると、1500nmの3光子吸収により4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンセン色素の光吸収帯と一致する。多光子吸収により色素のもつ吸収帯に一致し、光異性化反応,共鳴効果等によって色素の配向分極が容易に起きることにより光ポーリングが生じる。
照射するレーザー光の強度は、光ポーリングを起こさせる上では大きいほど好ましいが、レーザー強度に対する薄膜材料及び基板材料の耐久性を考慮して定められる。たとえば、1500nmの光を基本波にする場合、2MWcm‐2〜100GWcm‐2(たとえば、パルス幅が150フェムト秒の場合は0.3μJcm‐2〜15.0mJcm‐2,3.5ナノ秒の場合は7mJcm‐2〜350Jcm‐2),好ましくは2.7MWcm‐2〜11GWcm‐2(たとえば、パルス幅が150フェムト秒の場合は0.4μJcm‐2〜1.7mJcm‐2,3.5ナノ秒の場合は9.5mJcm‐2〜39Jcm‐2)のフルエンスに定められる。
【0012】
分子の配向分極による光ポーリングは、材料内部に直流電場を励起するピークパワーが大きくなるほど発生し易くなる。同じピークパワーで比較すると、光のパルス幅が短くなるほど平均パワーが小さくなるので、大きなピークパワーを与えても材料が熱的損傷を受け難くなるが、短いパルス幅では2光束が材料の電子励起を通じて干渉できる時間的,空間的な幅が狭くなる。レーザー照射される材料にはスペクトルによる群速度の相違があるため、2光束を入射すると材料中で波長の短い方が遅く進行する。そのため、パルスタイミングを完全に一致させて2光束のレーザー照射によって導波路構造を作製しても、干渉できる幅、すなわち周期的な直流電場が誘起され、光ポーリングできる長さが短くなってしまう。
【0013】
このようなことから、光異性化反応を起こさない有機色素分子又は該有機色素分子を含む材料を被照射材料に使用する場合、レーザー光のパルス幅を100フェムト秒〜30ピコ秒(好適には、150フェムト秒〜2ピコ秒)の範囲に設定することが好ましい。他方、光異性化反応を起こす有機色素分子又は該有機色素分子を含む被照射材料にあっては、前述したように光異性化反応や共鳴効果等によって色素の配向分極が容易に生じるので、パルス幅のタイミングを100フェムト秒〜5ナノ秒(好適には、150フェムト秒〜4ナノ秒)の範囲に設定することが好ましい。
光ポーリングで形成された分極構造は、第2高調波(前掲の条件では750nm)の生成に適した位相整合条件を満足し、有機色素が光吸収する波長以外の波長の光でも第2高調波を生成する。そのため、得られた分極構造を導波路構造として使用するとき、光の伝播距離を長くしても光損失が極めて少ない素子を作製することが可能となる。
【0014】
【実施例1】
テトラヒドロフランにポリメチルメタクリレートを溶解し、得られた溶液に4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼンを分散させることにより、重量比でポリメチルメタクリレート:テトラヒドロフラン:4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン=5:20:1のコーティング溶液を調製した。コーティング溶液を2000rpmで無アルカリガラス基板にスピンコーティングし、基板上に形成されたコーティング膜を直ちに80℃のオーブンで20分間乾燥させた。
【0015】
図1の光ポーリング装置を用い、次のように基板上の薄膜を光ポーリングした。波長800nm,パルス幅150フェムト秒,繰返し周波数1kHzのパルスレーザー光を種光発生用光源2及び再生増幅器3から放射させ、光パラメトリック増幅器5で波長を1500nmに変換し、短波長カットフィルタ6で短波長成分をカットして1500±50nmの光を取り出した後、偏光プリズム8で直線偏光にした。直線偏光をビームスプリッタ9で2光束に分けた。一方の光(反射光)をカリウム・タンタル・リン酸結晶(二次非線形光学結晶11)に入射させ、750nmの光を発生させた。直線偏光のうち、1500nmの光成分を長波長カットフィルタ12でカットした。他方の光(透過光,1500nm)は、遅延素子13で光路長を調整した後、二次非線形光学結晶11を透過した750nmの光とダイクロイックミラー14で混合した。混合光を凸レンズ15で集束し、同軸で且つパルスの時間的な同期を取り、膜に対して垂直方向から試料16に入射し、試料16を光ポーリングした。なお、1500nm及び750nmのパルスレーザー光のフルエンスは、それぞれ9μJcm‐2及び0.5μJcm‐2に調節した。
【0016】
試料16が光ポーリングされたか否かを調べるため、1500nmの光を試料16に照射し、そのときの第2高調波の発生を検出器22でモニターしたところ、第2高調波が検出された。第2高調波が検出されたことから、光ポーリングにより色素が配向分極し、二次非線形性が試料16中に誘起されたことが確認された。発生した第2高調波は、僅か30秒の間にピークに達して飽和することから、極めて高速に分極構造が誘起されることが判った。誘起された二次非線形性感受率は、0.3pmV‐1であった。
【0017】
【実施例2】
モル比でエタノール:テトラエトキシシラン:ジメチルホルモアミド:4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン:塩酸:水=4:1:2:0.05:1.18:6を含むゾル溶液を次のように調製した。先ず、モル比で全量の半分のエタノールにテトラエトキシシラン,ジメチルホルモアミドを加えて攪拌し、更に4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼンを加えて攪拌し均一に分散させた溶液Aを用意した。溶液Aとは別に、残りのエタノールを塩酸,水と混合して溶液Bを用意した。溶液Aに溶液Bを滴下混合することにより、ゾル溶液を調製した。
ゾル溶液を1時間攪拌した後、2000rpmで無アルカリガラス基板にスピンコーティングした。基板上に形成されたコーティング膜を直ちに150℃のオーブンで20分間熱処理し、色素分散シリカ複合薄膜を作製した。
【0018】
得られた色素分散複合薄膜を実施例1と同様に光ポーリングした。実施例2では、1500nm及び750nmのレーザー光をそれぞれ9μJcm‐2,0.5nJcm‐2のフルエンスに調節した。
光ポーリングされた薄膜試料に1500nmの光を照射し、そのときの第2高調波の発生を検出器22でモニターしたところ第2高調波が検出された。したがって、光ポーリングにより色素が配向分極し、二次非線形性が薄膜試料中に誘起されたことが確認された。発生した第2高調波は、120秒の間にピークに達して飽和することから、極めて高速に分極構造が誘起されることが判った。誘起された二次非線形性感受率は、0.17pmV‐1であった。
【0019】
【実施例3】
モル比でエタノール:テトラエトキシシラン:テトラエチルフェニルシラン:ジメチルホルモアミド:4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン:塩酸:水=4:0.95:0.05:2:0.05:1.18:6を含むゾル溶液を次のように調製した。先ず、モル比で全量の半分のエタノールにテトラエトキシシラン,テトラエチルフェニルシラン,ジメチルホルモアミドを加えて攪拌し、更に4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼンを加えて攪拌し均一に分散させた溶液Cを用意した。溶液Cとは別に、残りのエタノールを塩酸,水と混合して溶液Dを用意した。溶液Cに溶液Dを滴下混合することにより、ゾル溶液を調製した。
ゾル溶液を1時間攪拌した後、2000rpmで無アルカリガラス基板にスピンコーティングした。基板上に形成されたコーティング膜を直ちに150℃のオーブンで20分間熱処理し、色素分散フェニル基シリカ複合薄膜を作製した。
【0020】
色素分散フェニル基シリカ複合薄膜が形成された基板Sに、図2に示すようにゲル膜Gを塗布(a)した後、ポリイミド膜Fを用いた反応性イオンエッチングで導波路部分を残してゲル膜Gを除去した(b)。導波路部分が形成された面に、更にスピンコートによりポリイミド膜Fを形成し(c)、150℃で熱硬化させた。導波路部分の両端面を研磨することにより、長さ1mmの導波路Wを形成した。
次いで、ポーリング用光束Lを導波路Wの研磨端面Pから入射させ、ゲル膜Gを光ポーリングした。実施例3では、パルス幅3ピコ秒のレーザー光を使用し、1500nm及び750nmの光を同軸で同時入射させた(d)。このとき、1500nmの光は9μJcm‐2のフルエンスに、750nmの光は0.5nJcm‐2のフルエンスに調製した。その他は、実施例1と同様な条件を採用した。
光ポーリングされたか否かを調べるため、1500nmの基本波Bを導波路Wに入射させたところ、第2高調波Hが検出された(e)。誘起された二次非線形性感受率は、0.25pmV‐1であった。
【0021】
【実施例4】
モル比でエタノール:テトラエトキシシラン:ジフェニルジメトキシシラン:ジメチルホルモアミド:ヘミシアニン:塩酸:水=4:0.8:0.2:2:0.003:1.18:6を含むゾル溶液を次のように調製した。先ず、モル比で全量の半分のエタノールにテトラエトキシシラン,ジメチルフェニルジメトキシシラン,ジメチルホルモアミドを加えて攪拌し、更にヘミシアニンを加えて攪拌し均一に分散させた溶液Eを用意した。溶液Eとは別に、残りのエタノールを塩酸,水と混合して溶液Fを用意した。溶液Eに溶液Fを滴下混合することにより、ゾル溶液を調製した。
ゾル溶液を1時間攪拌した後、2000rpmで無アルカリガラス基板にスピンコーティングした。基板上に形成されたコーティング膜を直ちに150℃のオーブンで20分間熱処理し、色素分散フェニル基シリカ複合薄膜を作製した。
色素分散フェニル基シリカ複合薄膜から、実施例3と同様に長さ1mmの導波路を形成し、光ポーリングした。次いで、光ポーリングされたか否かを調べるため、1500nmの基本波を導波路に入射させたところ、第2高調波が検出された(e)。誘起された二次非線形性感受率は、0.26pmV‐1であった。
【0022】
【実施例5】
実施例1と同様の方法で4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼンの代わりにパラニトロアニリンを分散させることにより、重量比でポリメチルメタクリレート:テトラヒドロフラン:パラニトロアニリン=5:20:1を含む溶液を調製し、該溶液からパラニトロアニリン分散ポリメチルメタクリレート薄膜を作製した。
光ポーリングに使用するレーザー光のパルス幅を20ピコ秒及び30ピコ秒に変え、薄膜に対して垂直方向から20分照射する以外は、実施例1と同様に光ポーリングした。20ピコ秒のレーザー光を使用した場合には非常に僅かながら第2高調波の信号が検出されたが、30ピコ秒では第2高調波が全く検出されなかった。このことから、同じ出力のパルスレーザー光では、パルス幅の長いレーザー光を使用するとピークパワーの減少に伴って誘起される直流電場が小さくなり、多光子吸収に起因する光異性化反応が生じ難くなった結果、光ポーリングができなくなったことが判る。
【0023】
【実施例6】
実施例1と同様に4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン分散ポリメチルメタクリレート薄膜を作製した。光ポーリングに使用するレーザー光として、Nd:YAGレーザーから発振されるパルス幅3.5ナノ秒,波長355nmの第3高調波を用い、光パラメトリック増幅器により波長1500nm(基本波)に変換した。基本波から実施例1と同様に二次非線形光学結晶で750nmの光を発生させ、4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン分散ポリメチルメタクリレート薄膜を光ポーリングした。このとき、フルエンスは、1500nm,750nmについてそれぞれ35Jcm‐2,10mJcm‐2とした。光異性化反応を起こす4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼンを非線形有機色素として使用しているので、パルス幅が3.5ナノ秒のように長いレーザーによっても20分間の照射で光ポーリングされることが判った。
【0024】
【実施例7】
重量比でポリメチルメタクリレート:テトラヒドロフラン:4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン=1:4:0.2を混合,溶解し、溶液が均一になった後で、溶液の調製に使用した容器を80℃に加熱し、曳糸性を呈するまで溶液を濃縮した。濃縮された溶液から常法に従ってファイバーを紡糸し、80℃で2時間乾燥させることにより4−[NエチルN(2ヒドロキシエチル)]アミノ4’ニトロアゾベンゼン分散PMMAファイバーを作製した。紫外線硬化樹脂をクラッド材料としてファイバーを2枚のガラス板の間に挟み、高圧水銀ランプで照射することにより封じ込め、ファイバーの端面を研磨してファイバー導波路を作製した。
得られたファイバー導波路を実施例1と同様に光ポーリングした。フルエンスは、1500nm,750nmのレーザー光についてそれぞれ1.7mJcm‐2,0.5mJcm‐2に調整した。レーザー照射されたファイバー導波路を実施例2と同様に評価したところ、発生した第2高調波は約30秒の間にピークに達して飽和していた。誘起された二次非線形感受率は0.5pmV‐1であった。
【0025】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、二次非線形光学効果をもつ有機色素又は有機色素を側鎖にもつポリマーを含む薄膜,ファイバー,バルク等の材料にパルスレーザーを照射し、多光子吸収で光ポーリングさせている。多光子吸収を利用しているため、有機色素の光吸収がない波長のレーザー光を使用しても光ポーリングが可能になり、光損失が極めて少ない位相整合条件を満足した二次非線形光学材料や二次非線形光学素子が製造される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使用される光ポーリング装置の構成図
【図2】基板上に形成された光導波路の光ポーリングを工程順に説明する図
【符号の説明】
1:励起光源 2:種光発生用光源 9:ビームスプリッタ 11:二次非線形光学結晶 13:遅延素子 14:ダイクロイックミラー 16:薄膜試料
S:基板 G:ゲル膜 F1,F2:ポリイミド膜 L:二つの波長をもつポーリング用光束 W:導波路 H:第2高調波
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for manufacturing a second-order nonlinear optical material that can be used for various uses as an optical modulator, an optical switch, and the like, which are widely used in the field of communication devices.
[0002]
[Prior art and problems]
Optical poling has been developed as a polarization treatment that satisfies the phase matching condition of an organic dye-containing organic material having a second-order nonlinear optical effect (J. Si et al., Appl. Phys. Let., Vol. 72, 7). (1998) 762-764). Specifically, a pulse laser of several picoseconds to several nanoseconds is used to irradiate the optical material with the fundamental wave and the second harmonic of the fundamental wave coaxially and in the same polarization direction.
Laser light having a wavelength that is absorbed by the organic dye is used for light poling. The polarization structure that satisfies the phase matching is formed by the optical poling, but the phase matching is satisfied only by the wavelength used for the optical poling. Therefore, when the optical path length of the waveguide structure is increased as an element, the effect of light absorption by the organic dye appears and the second harmonic cannot be efficiently extracted.
[0003]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves such a problem in use in the second-order nonlinear optical element, and causes optical polling by using multiphoton absorption, so that the optical loss is extremely small even if the optical path length is long. An object is to provide an optical element.
In the production method of the present invention, in order to achieve the object, a wavelength band corresponding to multiphoton absorption of three-photon absorption or more of the pulsed laser beam to be irradiated overlaps with the absorption band, and the photoisomerization reaction is caused by light absorption in the wavelength band. Using a pulsed laser, a light flux of two wavelengths without an organic dye absorption band is coaxially applied to a material in which an organic dye molecule or a molecule having a side chain of the organic dye is dispersed or chemically bonded. It is characterized by simultaneous irradiation and light polling.
[0004]
Embodiment
In the present invention, a material containing an organic dye having a second-order nonlinear optical effect is irradiated with light beams of two wavelengths simultaneously and coaxially, thereby optically polling the material. As a material to be irradiated, besides a thin film formed by dispersing or chemically bonding an organic dye molecule having a second-order nonlinear optical effect or a molecule having an organic dye in a side chain, a fiber or a bulk can also be used.
Organic dye molecules having a second-order nonlinear optical effect include, but are not limited to, paranitroaniline, styrylpyridium cyanine, 4-4'tricyanovinyldimethylaminodiazostilbene, and 3-methyl-4-nitropyridine monoxide. , Hemicyanine, 4-4'dimethylamino cyanobiphenyl, dimethylaminophenylurea, 4-amino4'nitrodiphenylsulfide, 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino4'nitroazobenzene, and the like.
[0005]
When a photoisomerization reaction molecule whose molecular structure changes due to light absorption is used as an organic dye, the electric field alignment is easier even when the laser pulse width is longer than when an organic dye that does not show a photoisomerization reaction is used. Can be caused. Photoisomerization reaction molecules include 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene, hemicyanine, styrylpyridium cyanine and the like. These non-linear organic dyes having dipoles, when an optical electric field is present, generate a rotational moment that aligns the molecules in the direction of the optical electric field. At that time, since a photoisomerization reaction occurs, the orientation is promoted. Even when a laser having a wavelength that does not cause light absorption is used, when a pulse laser beam having a short pulse width and a large peak energy is applied, a photoisomerization reaction occurs due to multiphoton absorption, and orientation polarization by a photoelectric field is promoted.
[0006]
The molecule having an organic dye in the side chain is not particularly limited either. Polymethyl methacrylate-4- [Nethyl N (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene, polymethyl methacrylate-paranitroaniline, polyimide-4 -[N-ethyl N (2-hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene, thermally crosslinked azopolyuracene, and the like.
The organic dye or the molecule having the organic dye in the side chain is dispersed in the matrix. As the matrix material, thermally and chemically stable metal oxides such as silica, titania, zirconia, and alumina, and metal oxides to which a functional group such as a phenyl group is added can be formed by a sol-gel method and are thermally and chemically stable. used. Polymers such as polymethyl methacrylate can also be used for the matrix material.
[0007]
A matrix material in which an organic dye or a molecule having an organic dye in a side chain is dispersed is formed into a thin film on a substrate by spin coating, dip coating, vacuum deposition, or the like. It can also be made into a thin film by a sol-gel method. As the substrate, a glass substrate such as quartz glass or non-alkali glass, a glass substrate coated with a transparent electrode such as ITO, a silicon substrate, or the like is used. The thin film is not particularly limited, but is generally formed on the substrate with a thickness of 100 to 10000 nm (preferably 100 to 1000 nm).
In addition, when the degree of hydrolysis is controlled so that the sol exhibits spinnability during the solution preparation process in the sol-gel method, a gel fiber is produced by a spinning device. By heat-treating this gel fiber, an organic-inorganic composite fiber is produced. In the case of a polymer material, a fiber can be easily formed by controlling the temperature and the amount of a solvent. Further, a bulk material is produced by casting using a mold or the like. The fiber or bulk material obtained in this way can also be used as a material to be irradiated, and is similarly subjected to optical poling.
[0008]
The thin film, fiber or bulk material is optically polled by co-irradiating two wavelengths of light simultaneously. For example, as shown in FIG. 1, an Nd: YVO 4 laser is used as the excitation light source 1, a Ti: sapphire laser is used as the seed light generation light source 2, and a Nd: YLF laser is used as the light source 4 for exciting the regenerative amplifier 3.
The pulse interval of the laser light emitted from the excitation light source 1 is controlled by the seed light generation light source 2 and the regenerative amplifier 3 from the picosecond order to the femtosecond order. Next, the wavelength of the laser light is converted to 1.1 to 3.0 μm by the optical parametric amplifier 5. The short-wavelength component of the laser light emitted from the optical parametric amplifier 5 is cut off by the short-wavelength cut filter 6, and then passes through the aperture 7 to the polarizing prism 8 to become linearly polarized light.
[0009]
The linearly polarized light is split into two light beams by the beam splitter 9. One light (reflected light) is incident on the second-order nonlinear optical crystal 11 through the shutter 10 to generate a second harmonic. The fundamental component of the second harmonic is cut by the long wavelength cut filter 12.
The other light (transmitted light) is mixed with light from the long wavelength cut filter 12 by the dichroic mirror 14 after adjusting the optical path length by the delay element 13. The mixed laser light is focused by the convex lens 15 and is incident on the sample 16. When simultaneously irradiating a light beam having two wavelengths coaxially, the sample 16 is optically polled.
[0010]
Whether or not the sample 16 has been optically polled is determined by irradiating only the fundamental wave to the sample 16 and transmitting the light transmitted through the sample 16 to the convex lens 17, the short wavelength reflection mirror 18, the shutter 19, the long wavelength cut filter 20, and the interference filter 21. After that, the light is made incident on the detector 22 and detected by the detector 22 to detect the second harmonic.
In optical poling, a periodic DC electric field is generated by a third-order nonlinear optical effect as a result of interference between a fundamental wave and a second harmonic. In conventional light poling, the wavelength of the second harmonic of the two luminous fluxes is the absorption wavelength of the organic dye, and it is assumed that a polarization structure is formed by promoting the orientation of the dye by light absorption. It was thought that light poling would not occur even if a light beam different from the absorption wavelength was irradiated. However, as a result of investigations and studies by the present inventors, it has been found that even at a wavelength where light absorption does not occur, optical polling occurs when the absorption band of the dye is matched by multiphoton absorption.
[0011]
For example, 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobencene dye having an absorption peak at about 500 nm has no light absorption even when irradiated with light at 1500 nm and 750 nm, so that light polling occurs. Was thought not to be. However, even in this case, when a pulse laser on the order of nanoseconds to femtoseconds is used, the light absorption band of 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino4'nitroazobencene dye coincides with the three-photon absorption at 1500 nm. . The absorption band of the dye coincides with the absorption band of the dye due to multiphoton absorption, and the orientation polarization of the dye easily occurs due to a photoisomerization reaction, a resonance effect, and the like, so that optical poling occurs.
The intensity of the laser light to be applied is preferably as large as possible to cause light poling, but is determined in consideration of the durability of the thin film material and the substrate material to the laser intensity. For example, when 1500 nm light is used as the fundamental wave, 2 MWcm −2 to 100 GWcm −2 (for example, when the pulse width is 150 femtoseconds, 0.3 μJcm −2 to 15.0 mJcm −2 , and when 3.5 nanoseconds) Is 7 mJcm −2 to 350 Jcm −2 ), preferably 2.7 MWcm −2 to 11 GWcm −2 (for example, when the pulse width is 150 femtoseconds, 0.4 μJcm −2 to 1.7 mJcm −2 , 3.5 ns) Is set to a fluence of 9.5 mJcm −2 to 39 Jcm −2 ).
[0012]
Optical poling due to the orientation polarization of molecules is more likely to occur as the peak power for exciting a DC electric field inside the material increases. When compared at the same peak power, the shorter the pulse width of light, the lower the average power. Therefore, even if a large peak power is applied, the material is less likely to be thermally damaged. The temporal and spatial widths that can interfere with each other are reduced. Since the material irradiated with the laser has a difference in group velocity depending on the spectrum, when two light beams are incident, the shorter wavelength of the material proceeds more slowly. For this reason, even when the waveguide structure is produced by irradiating two light beams with the pulse timing completely matched, a width capable of causing interference, that is, a periodic DC electric field is induced, and the length capable of performing optical polling is reduced.
[0013]
For this reason, when an organic dye molecule that does not cause a photoisomerization reaction or a material containing the organic dye molecule is used as a material to be irradiated, the pulse width of the laser beam is set to 100 femtoseconds to 30 picoseconds (preferably, , 150 femtoseconds to 2 picoseconds). On the other hand, in the case of an organic dye molecule that causes a photoisomerization reaction or a material to be irradiated containing the organic dye molecule, the orientation polarization of the dye easily occurs due to the photoisomerization reaction or resonance effect as described above, The width timing is preferably set in the range of 100 femtoseconds to 5 nanoseconds (preferably, 150 femtoseconds to 4 nanoseconds).
The polarization structure formed by the optical poling satisfies the phase matching condition suitable for generating the second harmonic (750 nm in the above-mentioned conditions), and the light having a wavelength other than the wavelength at which the organic dye absorbs the second harmonic. Generate Therefore, when the obtained polarization structure is used as a waveguide structure, it is possible to manufacture an element with extremely small light loss even if the light propagation distance is increased.
[0014]
Embodiment 1
Polymethyl methacrylate is dissolved in tetrahydrofuran, and 4- [Nethyl N (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene is dispersed in the obtained solution, so that polymethyl methacrylate: tetrahydrofuran: 4- [N [Ethyl N (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene = 5: 20: 1 coating solution was prepared. The coating solution was spin-coated on a non-alkali glass substrate at 2000 rpm, and the coating film formed on the substrate was immediately dried in an oven at 80 ° C. for 20 minutes.
[0015]
Using the optical polling apparatus of FIG. 1, the thin film on the substrate was optically polled as follows. A pulse laser beam having a wavelength of 800 nm, a pulse width of 150 femtoseconds and a repetition frequency of 1 kHz is emitted from the seed light generation light source 2 and the regenerative amplifier 3, the wavelength is converted to 1500 nm by the optical parametric amplifier 5, and the short wavelength cut filter 6 shortens the wavelength. After the wavelength component was cut out to extract light of 1500 ± 50 nm, the light was linearly polarized by the polarizing prism 8. The linearly polarized light was split into two light beams by the beam splitter 9. One light (reflected light) was made incident on a potassium / tantalum / phosphoric acid crystal (second-order nonlinear optical crystal 11) to generate light of 750 nm. The 1500 nm light component of the linearly polarized light was cut by the long wavelength cut filter 12. The other light (transmitted light, 1500 nm) was mixed with the 750 nm light transmitted through the secondary nonlinear optical crystal 11 by the dichroic mirror 14 after adjusting the optical path length by the delay element 13. The mixed light was converged by the convex lens 15, coaxially synchronized with the pulse in time, incident on the sample 16 from the direction perpendicular to the film, and the sample 16 was subjected to optical polling. Note that the fluence of 1500nm and 750nm pulsed laser light was respectively adjusted to 9MyuJcm -2 and 0.5μJcm -2.
[0016]
In order to check whether or not the sample 16 was optically polled, the sample 16 was irradiated with light of 1500 nm and the generation of the second harmonic at that time was monitored by the detector 22, and the second harmonic was detected. From the detection of the second harmonic, it was confirmed that the dye was oriented and polarized by light poling, and second-order nonlinearity was induced in the sample 16. Since the generated second harmonic reaches a peak and saturates in only 30 seconds, it was found that the polarization structure was induced very quickly. The induced second-order nonlinearity susceptibility was 0.3 pmV- 1 .
[0017]
Embodiment 2
Ethanol: tetraethoxysilane: dimethylformamide: 4- [Nethyl N (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene: hydrochloric acid: water = 4: 1: 2: 0.05: 1.18: 6 by molar ratio Was prepared as follows. First, tetraethoxysilane and dimethylformamide were added to half of the ethanol in a molar ratio and stirred, and 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene was further added and stirred to uniformly disperse. The prepared solution A was prepared. Separately from solution A, the remaining ethanol was mixed with hydrochloric acid and water to prepare solution B. The sol solution was prepared by drop-mixing the solution B with the solution A.
After stirring the sol solution for 1 hour, it was spin-coated on a non-alkali glass substrate at 2000 rpm. The coating film formed on the substrate was immediately heat-treated in an oven at 150 ° C. for 20 minutes to produce a pigment-dispersed silica composite thin film.
[0018]
The obtained dye-dispersed composite thin film was subjected to light poling in the same manner as in Example 1. In Example 2, it was adjusted 1500nm and 750nm of the laser beam respectively 9MyuJcm -2, the fluence of 0.5nJcm -2.
When the light-poled thin film sample was irradiated with light of 1500 nm, and the generation of the second harmonic at that time was monitored by the detector 22, the second harmonic was detected. Therefore, it was confirmed that the dye was oriented and polarized by light poling, and second-order nonlinearity was induced in the thin film sample. Since the generated second harmonic reaches a peak during 120 seconds and saturates, it was found that a polarization structure was induced very quickly. The induced second-order nonlinearity susceptibility was 0.17 pmV- 1 .
[0019]
Embodiment 3
Ethanol: tetraethoxysilane: tetraethylphenylsilane: dimethylformamide: 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene: hydrochloric acid: water = 4: 0.95: 0.05: 2 by molar ratio : 0.05: 1.18: 6 was prepared as follows. First, tetraethoxysilane, tetraethylphenylsilane, and dimethylformamide are added to half the ethanol in a molar ratio and stirred, and 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene is further added and stirred. Then, a solution C uniformly dispersed was prepared. Separately from solution C, the remaining ethanol was mixed with hydrochloric acid and water to prepare solution D. The sol solution was prepared by drop-mixing the solution C with the solution C.
After stirring the sol solution for 1 hour, it was spin-coated on a non-alkali glass substrate at 2000 rpm. The coating film formed on the substrate was immediately heat-treated in an oven at 150 ° C. for 20 minutes to produce a dye-dispersed phenyl-based silica composite thin film.
[0020]
The substrate S dye dispersed phenyl silica composite thin film is formed, after the gel membrane G was applied (a) as shown in FIG. 2, leaving the waveguide portion by reactive ion etching using the polyimide film F 1 The gel film G was removed (b). The waveguide portion are formed surface, further forming a polyimide film F 2 by spin coating (c), was thermally cured at 0.99 ° C.. By polishing both end surfaces of the waveguide portion, a waveguide W having a length of 1 mm was formed.
Next, the poling light beam L was made incident from the polished end face P of the waveguide W, and the gel film G was subjected to light poling. In Example 3, a laser beam having a pulse width of 3 picoseconds was used, and lights of 1500 nm and 750 nm were simultaneously incident coaxially (d). At this time, the light of 1500nm to fluence of 9MyuJcm -2, light 750nm were prepared fluence 0.5nJcm -2. Otherwise, the same conditions as in Example 1 were employed.
When a fundamental wave B of 1500 nm was made incident on the waveguide W in order to check whether or not optical polling was performed, the second harmonic H was detected (e). The induced second-order nonlinearity susceptibility was 0.25 pmV- 1 .
[0021]
Embodiment 4
The sol solution containing ethanol: tetraethoxysilane: diphenyldimethoxysilane: dimethylformamide: hemicyanine: hydrochloric acid: water = 4: 0.8: 0.2: 2: 0.003: 1.18: 6 in molar ratio is as follows. It was prepared as follows. First, a solution E in which tetraethoxysilane, dimethylphenyldimethoxysilane, and dimethylformamide were added to and stirred with half of ethanol in a molar ratio of half of the total amount, and hemicyanine was further added and stirred to be uniformly dispersed was prepared. Separately from the solution E, the remaining ethanol was mixed with hydrochloric acid and water to prepare a solution F. The sol solution was prepared by adding the solution F dropwise to the solution E.
After stirring the sol solution for 1 hour, it was spin-coated on a non-alkali glass substrate at 2000 rpm. The coating film formed on the substrate was immediately heat-treated in an oven at 150 ° C. for 20 minutes to produce a dye-dispersed phenyl-based silica composite thin film.
A 1-mm-long waveguide was formed from the dye-dispersed phenyl-based silica composite thin film in the same manner as in Example 3, and subjected to optical poling. Next, to check whether or not optical polling was performed, a fundamental wave of 1500 nm was made to enter the waveguide, and the second harmonic was detected (e). The induced second-order nonlinearity susceptibility was 0.26 pmV- 1 .
[0022]
Embodiment 5
By dispersing paranitroaniline instead of 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino4'nitroazobenzene in the same manner as in Example 1, polymethylmethacrylate: tetrahydrofuran: paranitroaniline = A solution containing 5: 20: 1 was prepared, and a paranitroaniline-dispersed polymethyl methacrylate thin film was prepared from the solution.
Optical polling was performed in the same manner as in Example 1 except that the pulse width of the laser beam used for optical polling was changed to 20 picoseconds and 30 picoseconds, and the thin film was irradiated for 20 minutes from the vertical direction. When a laser beam of 20 picoseconds was used, a very slight second harmonic signal was detected, but at 30 picoseconds, the second harmonic was not detected at all. For this reason, with a pulse laser beam of the same output, when a laser beam with a long pulse width is used, the DC electric field induced with a decrease in peak power is reduced, and photoisomerization reaction due to multiphoton absorption is less likely to occur. As a result, it can be seen that optical polling is no longer possible.
[0023]
Embodiment 6
In the same manner as in Example 1, a 4- [N-ethyl N (2-hydroxyethyl)] amino 4′-nitroazobenzene-dispersed polymethyl methacrylate thin film was produced. As a laser beam used for optical poling, a third harmonic having a pulse width of 3.5 nanoseconds and a wavelength of 355 nm, oscillated from an Nd: YAG laser, was converted into a wavelength of 1500 nm (fundamental wave) by an optical parametric amplifier. Light of 750 nm was generated from the fundamental wave by the second-order nonlinear optical crystal in the same manner as in Example 1, and the 4- [N-ethyl N (2-hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene-dispersed polymethyl methacrylate thin film was subjected to photo-polling. At this time, fluence, 1500 nm, respectively, for 750nm 35Jcm -2, was 10mJcm -2. Since 4- [NethylN (2hydroxyethyl)] amino4'nitroazobenzene, which causes photoisomerization reaction, is used as a non-linear organic dye, even a laser having a pulse width as long as 3.5 ns can be used. It was found that light poling was performed after irradiation for a minute.
[0024]
Embodiment 7
Polymethyl methacrylate: tetrahydrofuran: 4- [Nethyl N (2hydroxyethyl)] amino 4'nitroazobenzene = 1: 4: 0.2 is mixed and dissolved in a weight ratio, and after the solution becomes homogeneous, the solution is dissolved. Was heated to 80 ° C. and the solution was concentrated until it exhibited spinnability. A fiber was spun from the concentrated solution according to a conventional method, and dried at 80 ° C. for 2 hours to prepare 4- [N-ethyl N (2-hydroxyethyl)] amino 4′-nitroazobenzene-dispersed PMMA fiber. A fiber was sandwiched between two glass plates using an ultraviolet curable resin as a cladding material, sealed by irradiation with a high-pressure mercury lamp, and the end face of the fiber was polished to produce a fiber waveguide.
The obtained fiber waveguide was subjected to optical polling in the same manner as in Example 1. Fluence, 1500 nm, respectively, for 750nm laser light 1.7mJcm -2, and adjusted to 0.5mJcm -2. When the fiber waveguide irradiated with the laser was evaluated in the same manner as in Example 2, the generated second harmonic reached a peak in about 30 seconds and was saturated. The induced second-order nonlinear susceptibility was 0.5 pmV -1 .
[0025]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a material such as a thin film, a fiber, or a bulk containing an organic dye having a second-order nonlinear optical effect or a polymer having an organic dye in a side chain is irradiated with a pulse laser to perform multiphoton absorption. The light is polled. Since multi-photon absorption is used, optical poling is possible even when laser light of a wavelength that does not absorb light of the organic dye is used. A second-order nonlinear optical element is manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical polling device used in the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating the optical polling of an optical waveguide formed on a substrate in the order of processes.
1: Excitation light source 2: Seed light generation light source 9: Beam splitter 11: Second-order nonlinear optical crystal 13: Delay element 14: Dichroic mirror 16: Thin film sample S: Substrate G: Gel film F1, F2: Polyimide film L: Two Polling beam having two wavelengths W: waveguide H: second harmonic

Claims (1)

照射するパルスレーザー光の3光子吸収以上の多光子吸収に相当する波長帯と吸収帯が重なり、前記波長帯の光吸収により光異性化反応を起こす有機色素分子又は該有機色素を側鎖にもつ分子を分散させた材料又は化学結合させた材料に、パルスレーザーを用いて、有機色素の吸収帯が存在しない二つの波長の光束を同軸で同時照射させ光ポーリングすることを特徴とする二次非線形光学材料の製造方法。 The wavelength band corresponding to the multiphoton absorption of three or more photons absorbed by the pulsed laser light to be irradiated overlaps with the absorption band, and has an organic dye molecule or an organic dye in the side chain that causes a photoisomerization reaction due to light absorption in the wavelength band. Second-order nonlinearity characterized in that a pulsed laser is used to simultaneously irradiate a light beam of two wavelengths that do not have an absorption band of an organic dye onto a material in which molecules are dispersed or chemically bonded to a material in which there is no absorption band of an organic dye, and light polling is performed. Manufacturing method of optical material.
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