JP2866940B1 - Nonlinear optical materials and devices using transition element-doped fine particles - Google Patents

Nonlinear optical materials and devices using transition element-doped fine particles

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JP2866940B1
JP2866940B1 JP4888998A JP4888998A JP2866940B1 JP 2866940 B1 JP2866940 B1 JP 2866940B1 JP 4888998 A JP4888998 A JP 4888998A JP 4888998 A JP4888998 A JP 4888998A JP 2866940 B1 JP2866940 B1 JP 2866940B1
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optical
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Abstract

【要約】 【課題】高速度光情報処理を実現するために、応答時間
が速く、しかも大きな非線形性を示す光学材料を提供す
ることを目的とする。また、高密度光情報記録を実現す
るために、特に室温に近い温度において短時間で深いホ
ールがあくホールバーニング材科を提供することをも目
的とする。 【解決手段】遷移元素をドープした径0.5nm〜10μmの微
粒子が示す非線形光学効果を利用する非線形光学材料。
An object of the present invention is to provide an optical material having a fast response time and exhibiting large nonlinearity in order to realize high-speed optical information processing. It is another object of the present invention to provide a hole-burning material family in which deep holes are formed in a short time at a temperature close to room temperature, particularly in order to realize high-density optical information recording. A non-linear optical material utilizing a non-linear optical effect exhibited by fine particles having a diameter of 0.5 nm to 10 μm doped with a transition element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学材料お
よび非線形光学素子に関し、さらに詳しくは光情報の高
速処理と高密度光記録に好適な非線形光学材料とそれを
用いた素子に関する。
The present invention relates to a nonlinear optical material and a nonlinear optical element, and more particularly to a nonlinear optical material suitable for high-speed processing of optical information and high-density optical recording, and an element using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】光情報の高速処埋においては、現在主に
電子回路技術が利用されている。すなわち、現行の光通
信では、光ファイバーで運ばれた基幹系の信号を一旦電
子情報に変換し、次いで変調、復調、多重化などの情報
処理を行った後、再び光信号に変換して伝送している。
この様な多段階の処理を行うことなく、光で光を制御す
る全光通信・光情報処埋が実現できれば、情報の処理速
度の飛躍的な上昇が実現できる。
2. Description of the Related Art For high-speed processing of optical information, electronic circuit technology is mainly used at present. In other words, in the current optical communication, the backbone signal carried by the optical fiber is once converted into electronic information, then subjected to information processing such as modulation, demodulation, and multiplexing, and then converted into an optical signal again and transmitted. ing.
If all-optical communication and optical information processing in which light is controlled by light can be realized without performing such multi-step processing, a dramatic increase in information processing speed can be realized.

【0003】しかしながら、光は、他の光と直接的には
相互作用をしない。従って、中間過程として光の照射に
よって分極や電子状態の変化などを起こし得る材料を用
いることができれば、好都合である。そのような材料
は、応答速度が速く、しかも大きな非線形光学効果を示
す必要がある。ある研究によれば、応答速度が10ピコ秒
以下、3次の非線形性で表わした時の非線形感受率の大
きさが10-7esu以上の材料が必要とされているが、その
ような材料は見つかっていないので、光で光を制御する
技術は、実用化されるにはいたっていない。
[0003] However, light does not directly interact with other light. Therefore, it would be advantageous if a material capable of causing a change in polarization or electronic state by light irradiation as an intermediate process could be used. Such a material is required to have a fast response speed and exhibit a large nonlinear optical effect. According to one study, a material whose response speed is less than 10 picoseconds and whose nonlinear susceptibility is 10 -7 esu or more when expressed by third-order nonlinearity is required. The technology to control light with light has not yet been put to practical use, since no has been found.

【0004】高密度光記録技術においては、現在は記録
媒体の1箇所に1ビットの情報を記録している。このた
め、記録密度は、情報記録再生時に集光する光のスポッ
ト径で規定される。この光スポット径は、現行の技術で
すでに回折限界の1μm程度になっているので、すでに実
現されている記録密度100Mbit/cm2を今後大きく超える
ことはできないとされている。
[0004] In the high-density optical recording technology, 1-bit information is currently recorded in one place of a recording medium. For this reason, the recording density is defined by the spot diameter of light condensed during information recording and reproduction. Since the diameter of the light spot has already reached the diffraction limit of about 1 μm with the current technology, it is said that the recording density will not be able to greatly exceed the already realized recording density of 100 Mbit / cm 2 in the future.

【0005】この回折限界で決まる記録密度を大きく超
える方法として、既にカストロらは、永続的ホールバー
ニング現象を用いた波長多重光記録方式を提案している
(米国特許No.4,101,976;1978年7月18日)。この永続的
ホールバーニング現象とは、吸収スペクトル中の特定の
波長の光吸収率に鋭い減少(ホール)が生じて、時間が経
過しても、これが消えずに残る現象をいう。極低温で特
に著しく見られるこの現象を利用すると、特定の波長で
のホールの有無をディジタル記録の0と1に対応させるこ
とができる。従って、1つの記録スポットに照射する光
の波長を変えることにより、多数の情報を記録すること
ができる。この技術を波長多重光記録と呼ぶ。この技術
を用いて現行の方式では到達できそうもない高記録密度
(>10Gbit/cm2)を実現するためには、深いホールを短時
間であける(記録する)必要がある。また、実用的に
は、できる限り室温に近い温度で、記録・再生ができる
ことが好ましい。これまで、特にサマリウムイオンをド
ープした結晶、ガラス材料などでは、室温でホールがあ
けられることが報告されている。しかしながら、この様
な場合にも、サマリウムイオンの光の吸収しやすさ(振
動子強度)が、有機色素などと比べると極端に小さいの
で、ホールをあけるためには、強い光を長時間照射する
必要がある。このために、現状では波長多重光記録のア
イデアを実用化するための適当な材料は、見出されてい
ない。
As a method of greatly exceeding the recording density determined by the diffraction limit, Castro et al. Have already proposed a wavelength multiplexing optical recording system using a permanent hole burning phenomenon.
(U.S. Patent No. 4,101,976; July 18, 1978). The permanent hole burning phenomenon refers to a phenomenon in which a sharp decrease (hole) occurs in the light absorptance of a specific wavelength in an absorption spectrum, and this does not disappear even after a lapse of time. By taking advantage of this phenomenon, which is particularly noticeable at cryogenic temperatures, the presence or absence of holes at specific wavelengths can correspond to digital recordings 0 and 1. Therefore, by changing the wavelength of the light applied to one recording spot, a large amount of information can be recorded. This technique is called wavelength multiplexed optical recording. Using this technology, high recording density is unlikely to be achieved with current methods
To achieve (> 10 Gbit / cm 2 ), it is necessary to open (record) a deep hole in a short time. Further, practically, it is preferable that recording and reproduction can be performed at a temperature as close to room temperature as possible. Heretofore, it has been reported that holes can be formed at room temperature particularly in crystals and glass materials doped with samarium ions. However, even in such a case, the samarium ion absorbs light very easily (oscillator strength) as compared with an organic dye or the like. Therefore, in order to form a hole, irradiate strong light for a long time. There is a need. For this reason, at present, no suitable material has been found for putting the idea of wavelength-division multiplex optical recording to practical use.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術に関連して説明した光情報の高速処理を実現するた
めに、応答時間が速く、しかも大きな非線形性を示す光
学材料を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an optical material having a fast response time and a large nonlinearity in order to realize the high-speed processing of optical information described in connection with the above-mentioned prior art. The purpose is to:

【0007】また、本発明は、上記の従来技術に関連し
て説明した高密度光記録を実現するために、特に室温に
近い温度において短時間で深いホールがあくホールバー
ニング材科を提供することをも目的とする。
Another object of the present invention is to provide a hole burning material family in which deep holes are formed in a short time at a temperature close to room temperature in order to realize the high-density optical recording described in relation to the above prior art. Also aim.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決するために、研究を重ねた結果、遷移元素をドー
プした微粒子の示す特異な光学効果を利用することを着
想した。より詳細には、フォークの報告(フィジガル
レビュー レターズ、32巻、781-783ぺージ(1974)およ
びフィジカル レビュー ビー、19巻、3365-3398ぺー
ジ(1979))とバーガバの報告(フィジカル レビュー
レターズ、72巻、416-419ページ(1994))に示された遷移
元素ドープ微粒子の示す特異な光学効果を利用するする
ことを着想した。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made various studies and, as a result, has conceived of utilizing a unique optical effect exhibited by fine particles doped with a transition element. For more information, see the Fork Report (Fizigal
Review Letters, Volume 32, 781-783 (1974) and Physical Review Bee, Volume 19, 3365-3398 (1979)
Letters, Vol. 72, pp. 416-419 (1994)), was conceived to utilize the unique optical effect exhibited by the transition element-doped fine particles.

【0009】これらの報告は、ユーロピウムイオン、マ
ンガンイオンなどをカルコゲン化物やフッ化物からなる
結晶または非晶質固体の微粒子にドープすることによ
り、バルク体に比べて、光の吸収および放出のしやすさ
(正確には振動子強度)が5桁もしくはそれ以上も向上
することを明らかにしている。本発明は、この現象を用
いることにより、上記で説明した高速光情報処理と高密
度光記録とにおける重要な課題を解決することに成功し
たものである。
[0009] These reports indicate that doping of crystalline or amorphous solid fine particles of chalcogenide or fluoride with europium ion, manganese ion or the like makes it easier to absorb and emit light as compared with a bulk material. (More precisely, the oscillator strength) is improved by 5 orders of magnitude or more. The present invention has succeeded in solving the above-mentioned important problems in high-speed optical information processing and high-density optical recording by using this phenomenon.

【0010】[0010]

【発明の実施の態様】以下、本発明による非線形光学材
料としての遷移元素ドープ微粒子、この微粒子を用いる
素子、この素子を用いる高速光情報処理と高密度光記録
などについて詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, transition element-doped fine particles as a nonlinear optical material according to the present invention, an element using the fine particles, high-speed optical information processing and high-density optical recording using the element will be described in detail.

【0011】本発明においてドーパントとして使用する
遷移元素とは、長周期型周期表(岩波書店発行、“理化
学辞典”第4版参照)の3A族から7A族、8族および1B族
に属する元素をいう。このうち、ランタニドとは、原子
番号57のランタンから原子番号71のルテチウムまでの15
元素をいう。これらの遷移元素のなかでも、サマリウ
ム、ユーロピウムなどのランタニドおよびマンガン、
鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、クロムなどの遷移金
属がより好適である。ランタニドをドーパントとして使
用する場合には、光スペクトルの吸収線幅が狭いので、
より一層非線形性に優れた材料を得ることができる。ま
た、2種以上の遷移元素をドーパントとして併用するこ
とも、可能である。
The transition element used as a dopant in the present invention is an element belonging to Group 3A to Group 7A, Group 8 and Group 1B of the Long Periodic Periodic Table (published by Iwanami Shoten Co., Ltd., 4th edition). Say. Of these, lanthanides are the lanthanides from atomic number 57 to lutetium 71.
Refers to an element. Among these transition elements, lanthanides and manganese such as samarium and europium,
Transition metals such as iron, cobalt, nickel, copper, silver, chromium and the like are more preferred. When lanthanide is used as a dopant, the absorption line width of the optical spectrum is narrow,
A material having even more excellent nonlinearity can be obtained. It is also possible to use two or more transition elements in combination as a dopant.

【0012】この様な遷移元素をドープする微粒子とし
ては、半導体、カルコゲン化物、フッ化物が挙げられ
る。より具体的には、II-VI族半導体であるZnS、ZnSe、
CdS、CdSe;III-V族半導体であるGaAs、InP、GaPなど;
カルコゲン化物であるEuO、EuS、EuSeなど;フッ化物で
あるCaF2、SrF2、BaF2、CdF2などが挙げられる。
The fine particles doped with such a transition element include semiconductors, chalcogenides and fluorides. More specifically, ZnS, ZnSe, which are II-VI group semiconductors,
CdS, CdSe; III-V group semiconductors such as GaAs, InP, and GaP;
Examples of chalcogenides include EuO, EuS, and EuSe; and fluorides such as CaF 2 , SrF 2 , BaF 2 , and CdF 2 .

【0013】ドーパントと微粒子との組み合わせにおい
ては、ドーパント元素の価数とイオン半径とが、微粒子
のそれらと一致していることが有利である。
In the combination of the dopant and the fine particles, it is advantageous that the valence and the ionic radius of the dopant element match those of the fine particles.

【0014】特に、微粒子として、半導体微粒子を使用
する場合には、可視光或いは紫外光を吸収し、ドープさ
れた元素にエネルギーを伝達するので、有利である。
In particular, when semiconductor fine particles are used as fine particles, they are advantageous because they absorb visible light or ultraviolet light and transmit energy to doped elements.

【0015】微粒子の粒径は、0.5nm〜10μmの範囲内に
あり、特に好ましくは1〜10nmの範囲内にある。すなわ
ち、本発明が対象とする微粒子は、直径10μm以下で振
動子強度の増大という特異な現象を発現する。この現象
は、微粒子の直径が10nm以下である場合に特に顕著とな
る。直径10nmの微粒子の場合には、典型的には5000程度
の分子が含まれる。この中にドープされる遷移元素の数
は、典型的には数原子(または数イオン)程度であり、
このときのドープ量は0.1原子%のオーダーである。一
方、微粒子のサイズが直径0.5nm程度以下となって、分
子数が数個のクラスターになると、もはや振動子強度の
増大効果が認められなくなる。この場合には、1微粒子
中に1原子(または1イオン)がドープされているとして
も、そのドープ量は数十原子%となる。従って、微粒子
に対する遷移元素のドープ量は、0.1〜数十原子%の範
囲内にあり、より好ましくは0.2〜5原子%の範囲内にあ
る。
The particle size of the fine particles is in the range of 0.5 nm to 10 μm, particularly preferably in the range of 1 to 10 nm. That is, the fine particles targeted by the present invention exhibit a unique phenomenon of increasing the oscillator strength when the diameter is 10 μm or less. This phenomenon is particularly remarkable when the diameter of the fine particles is 10 nm or less. In the case of fine particles having a diameter of 10 nm, typically about 5000 molecules are contained. The number of transition elements doped therein is typically about several atoms (or several ions),
The doping amount at this time is on the order of 0.1 atomic%. On the other hand, when the size of the fine particles becomes about 0.5 nm or less in diameter and the number of molecules becomes a cluster, the effect of increasing the oscillator strength can no longer be recognized. In this case, even if one atom (or one ion) is doped in one fine particle, the doping amount is several tens of atomic%. Therefore, the doping amount of the transition element with respect to the fine particles is in the range of 0.1 to several tens atomic%, and more preferably in the range of 0.2 to 5 atomic%.

【0016】振動子強度の増大効果が著しく顕著となる
一つの具体例は、Mn2+イオンをドープしたZnS(直径3nm
程度)の場合で、このときのMn2+イオンのドープ量はお
およそ1原子%のオーダーである。
One specific example in which the effect of increasing the oscillator strength becomes remarkable is ZnS doped with Mn 2+ ions (having a diameter of 3 nm).
In this case, the doping amount of Mn 2+ ions at this time is on the order of about 1 atomic%.

【0017】本発明において、微粒子の大きさ(粒径)を
「直径」という表現で表しているが、微粒子は球状であ
る必要はなく、他の形状であってもその寸法が規定範囲
に含まれる限り、当然に本発明に含まれる。また、粒径
は、透過電子顕微鏡、X線回折スペクトルの線幅、光吸
収波長のバルクからのずれなどにより測定できる。
In the present invention, the size (particle size) of the fine particles is represented by the expression "diameter". However, the fine particles need not be spherical, and even if they have other shapes, the size is within the specified range. To the extent possible, it is naturally included in the present invention. The particle size can be measured by a transmission electron microscope, a line width of an X-ray diffraction spectrum, a shift of a light absorption wavelength from a bulk, and the like.

【0018】遷移元素をドープした微粒子(以下特に必
要でない限り、「ドープ微粒子」という)は、公知の手
法により製造することができる。この様な製造手法は、
例えば、(1)ケミストリー レターズ、pp1665〜1666(19
92)、(2)ブレティン オブケミカル ソサエティ オブ
ジャパン、68巻、pp752-758(1995年)などに記載され
ている。
Fine particles doped with a transition element (hereinafter referred to as "doped fine particles" unless otherwise required) can be produced by a known method. Such a manufacturing method,
For example, (1) Chemistry Letters, pp1665-1666 (19
92), (2) Bulletin of Chemical Society of Japan, vol. 68, pp. 752-758 (1995), and the like.

【0019】一般に、微粒子は表面エネルギーが大きい
ため、互いに凝集しやすく、不安定である。このため、
本発明においても、既報の方法と同様にして、光学的特
性を阻害しないメチルメタクリレートなどの透明な材料
でドープ微粒子表面をコートすることが好ましい。
In general, fine particles have a large surface energy, and therefore are apt to aggregate with each other and are unstable. For this reason,
Also in the present invention, it is preferable to coat the surface of the doped fine particles with a transparent material such as methyl methacrylate which does not hinder the optical properties, in the same manner as the method already reported.

【0020】さらに、実用的な観点から、照射する光の
波長領域で透明なマトリックス(無機ガラス、高分子材
料など)中にドープ微粒子を分散させることも、微粒子
の凝集を防止し、安定性を維持するために極めて効果的
である。特にゾル−ゲル法を用いる場合には、溶液の状
態から低温でシリカガラスなどの無機ガラスを作製でき
るので、この溶液にドープ微粒子を混ぜておくことによ
り、容易にドープ微粒子を分散したガラスが作製でき
る。このようにして作製したガラスは、800℃を超えな
い温度、より好ましくは500〜600℃の範囲の温度で熱処
理することにより、多孔質になるので、これを各種の気
体に接触させて、微粒子の表面を修飾できることもでき
る。この様な気体としては、水素、硫化水素、ナフタレ
ン、金属カルボニル、ヨウ素などが例示される。水素と
の接触により、微粒子表面のダングリングボンドをなく
したり、或いは硫化水素との接触により、微粒子の硫化
を行うことができる。また、ゾル−ゲル法を用いる場合
には、ドープ微粒子を分散した溶液の状態からディップ
コート、スピンコートなどにより、所望の基盤上に容易
にドープ微粒子を分散含有するガラス薄膜を形成できる
という利点もある。このようにして形成されたマトリッ
クスは、基本的にガラスの性質を示すので、機械的、熱
的、化学的などの種々の性質に優れているという利点を
備えている。
Further, from a practical point of view, dispersing the doped fine particles in a transparent matrix (inorganic glass, polymer material, etc.) in the wavelength range of the light to be irradiated can also prevent the aggregation of the fine particles and improve the stability. It is extremely effective for maintaining. In particular, when the sol-gel method is used, an inorganic glass such as silica glass can be produced at a low temperature from the state of a solution. By mixing dope particles in this solution, glass in which the dope particles are easily dispersed can be produced. it can. The glass thus produced becomes porous by heat treatment at a temperature not exceeding 800 ° C, more preferably at a temperature in the range of 500 to 600 ° C. Can be modified. Examples of such a gas include hydrogen, hydrogen sulfide, naphthalene, metal carbonyl, and iodine. The dangling bond on the surface of the fine particles can be eliminated by contact with hydrogen, or the fine particles can be sulfurized by contact with hydrogen sulfide. Further, when the sol-gel method is used, there is also an advantage that a glass thin film containing dispersed dope particles can be easily formed on a desired substrate by dip coating, spin coating, or the like from a solution in which the doped particles are dispersed. is there. Since the matrix thus formed basically exhibits the properties of glass, it has the advantage of being excellent in various properties such as mechanical, thermal and chemical.

【0021】また、複数の遷移元素(ドーパント)と複数
の微粒子とを組み合わせたドープ微粒子を、照射光の波
長域で透明なマトリックス中に分散させることにより、
吸収/発光の波長帯を複数備えた材料が得られる。この
場合には、例えば、波長多重光記録材料として、記録す
る波長幅を広くできるので、有利である。さらに、印加
電場を変えることにより、シュタルク効果を起こさせ
て、波長の掃引と同じ効果を得ることもできる。
Further, by dispersing doped fine particles obtained by combining a plurality of transition elements (dopants) and a plurality of fine particles in a transparent matrix in the wavelength range of irradiation light,
A material having a plurality of absorption / emission wavelength bands is obtained. In this case, for example, as a wavelength multiplexed optical recording material, the wavelength width to be recorded can be widened, which is advantageous. Further, by changing the applied electric field, the Stark effect can be caused to obtain the same effect as the wavelength sweep.

【0022】さらに、遷移元素をドープした半導体微粒
子を導電性マトリックス中に分散させ、電場を印加しな
がら光照射をすることにより、光化学反応を促進するこ
とが可能になる。
Further, by dispersing semiconductor fine particles doped with a transition element in a conductive matrix and irradiating light while applying an electric field, a photochemical reaction can be promoted.

【0023】本発明によるドープ微粒子の高速光情報処
理技術への適用について説明する。先ず、遷移元素ドー
プ微粒子において、非線形光学効果を大きくすることが
できる理由は以下の通りである。
The application of the doped fine particles according to the present invention to a high-speed optical information processing technique will be described. First, the reason why the nonlinear optical effect can be increased in the transition element-doped fine particles is as follows.

【0024】一般に、光を物質に入射させた場合、物質
は光の電場Eによって揺さぶられて分極Pを持つにいた
る。座標軸x方向の分極をPxとすると、
In general, when light is incident on a substance, the substance is shaken by the electric field E of the light and has a polarization P. If the polarization in the coordinate axis x direction is Px,

【0025】[0025]

【化1】 Embedded image

【0026】と書ける。但し、j,k,lは、それぞれ実験
室系での空間座標軸方向(x,y,zのいずれか)を表
わしている。量子力学の教えるところにより、n次の非
線形の感受率(非線形性の大きさ)χ(n)は比例定数K
χ、照射する光の振動数ω、物質が光を吸収する振動数
ωmgおよびその遷移の振動子強度fmgを用いて近似的に
## EQU2 ## Here, j, k, and l represent the directions of the spatial coordinate axes (any of x, y, and z) in the laboratory system. According to the teaching of quantum mechanics, the nth-order nonlinear susceptibility (the magnitude of nonlinearity) χ (n) is proportional to K
χ Approximately, using the frequency ω of the irradiated light, the frequency ω mg at which the substance absorbs light, and the oscillator strength f mg of the transition.

【0027】[0027]

【化2】 Embedded image

【0028】と書ける(例えば、櫛田孝司著、朝倉書
店、”光物性物理学”、策3章参照)。本発明で対象と
している微粒子系では、振動子強度fmgが極めて大きく
なる。このため、物質の吸収のある振動数ωmgの近傍の
振動数ωの光を照射することにより、(2)式において
分子が大きく、分母が0に近い値になるので、非常に大
きなχ(n)が得られる。
(For example, see Koji Kushida, Asakura Shoten, "Optophysical Physics", Chapter 3). In the fine particle system targeted in the present invention, the oscillator strength f mg is extremely large. Therefore, by irradiating light having a frequency ω near the frequency ω mg at which the substance is absorbed, the numerator is large in the equation (2) and the denominator becomes a value close to 0, so that a very large χ ( n) is obtained.

【0029】次に、遷移元素ドープ微粒子において、非
線形光学効果の応答速度を速くすることができる理由は
以下の通りである。
Next, the reason why the response speed of the nonlinear optical effect can be increased in the transition element-doped fine particles is as follows.

【0030】2つの準位の間の遷移にかかる時間tは、
準位間のエネルギー差ωmg、照射する光のエネルギーω
および比例定数Ktを用いて近似的に
The time t required for a transition between two levels is:
Energy difference between levels ω mg , energy of irradiated light ω
And using the proportionality constant K t

【0031】[0031]

【化3】 Embedded image

【0032】と書ける(例えば、Rodney Loudon著,Oxfo
rd University Press,”The QuantumTheory of Light",
Second Edition,Chapter2参照)。一般に、ランタニド
イオンの4f-4f遷移では、4f軌道が外殻電子によってシ
−ルドされていて、周りの影響を受けにくいため、吸収
スペクトルの線幅が極めて狭い。従って、ドープする元
素としてランタニドイオンを選べば、照射する光のエネ
ルギーωを準位間のエネルギー差ωmgに近くしても、透
明なので、光が十分に物質中に入ることとなり、好都合
である。このとき、(3)で示される応答時間tを1ピ
コ秒以下にし、しかも式(2)で示されるχ(n)を十分
大きくする値にωmg-ωを設定できる。
(Eg, by Rodney Loudon, Oxfo
rd University Press, "The QuantumTheory of Light",
Second Edition, see Chapter 2). In general, in the 4f-4f transition of a lanthanide ion, the 4f orbital is shielded by outer electrons and is hardly affected by surroundings, so that the line width of the absorption spectrum is extremely narrow. Therefore, if lanthanide ions are selected as the element to be doped, even if the energy ω of the irradiated light is close to the energy difference ω mg between the levels, since the light is transparent, the light sufficiently enters the substance, which is convenient. . At this time, ω mg -ω can be set to a value that makes the response time t shown in (3) less than 1 picosecond and also makes χ (n) shown in equation (2) sufficiently large.

【0033】振動子強度が大きいことと、照射波長とし
てこのようなωの光を使用することにより、はじめて3
次の非線形感受率で表して10-7esu以上、応答速度が10
ピコ秒以下の微粒子分散非線形光学材料が得られ、高速
光情報処理技術への適用が可能となる。なお、非線形感
受率と応答速度は、例えば、阪口ら、ケミストリーレタ
ーズ、pp281-284(1992年)に報告されている様な縮退四
光波混合試験により、同時に測定できる。
For the first time, the oscillator strength is high and the light of such ω is used as the irradiation wavelength.
Expressed by the following nonlinear susceptibility, 10 -7 esu or more, response speed is 10
A fine particle-dispersed nonlinear optical material having a picosecond or less can be obtained, and application to high-speed optical information processing technology is possible. The nonlinear susceptibility and the response speed can be measured simultaneously by, for example, a degenerate four-wave mixing test as reported in Sakaguchi et al., Chemistry Letters, pp 281-284 (1992).

【0034】この様な高い非線形性と応答速度を有する
本発明による材料は、高速光情報処理のためには、光双
安定性を示す回路に使用することができる。また、光双
安定性回路が多数繋がった光多重安定素子に用いること
も可能である。さらに、そのような光双安定回路を用い
て光演算素子や記憶素子を作ることも可能である。
The material according to the present invention having such high nonlinearity and response speed can be used for a circuit exhibiting optical bistability for high-speed optical information processing. Further, it can be used for an optical multistable element in which a large number of optical bistable circuits are connected. Further, it is also possible to manufacture an optical operation element or a storage element using such an optical bistable circuit.

【0035】次に、本発明によるドープ微粒子の高密度
光記録技術への適用について説明する。
Next, application of the doped fine particles according to the present invention to a high-density optical recording technique will be described.

【0036】高記録密度を実現するためには、村瀬らの
論文(ジャーナル オブ オプティカルソサエティ オ
ブ アメリカ ビー、第9巻、pp998-1005(1992年)に理
論検討結果が示されているように、深いホールを短時間
であける必要がある。そのようにすることで、現実的な
時間(10ナノ秒/ビット程度より短い時間)で十分なS/N比
で情報を読み出すことができる。一方で、ランタニド
(例えばサマリウムイオン)ドープガラスは、室温でも
永続的ホールバーニング現象が観察される材料として知
られている。しかしながら、サマリウムイオンが光を吸
収しにくい(振動子強度が小さい)ために、ホールをあ
けるためには極めて長い時間(例えば数分間程度)光を
照射する必要がある。本発明によれば、サマリウムイオ
ンを微粒子にドープすることにより、振動子強度を数桁
も向上させることができ、短い時間でのホール形成が可
能になる。
In order to realize a high recording density, as described in the paper by Murase et al. (Journal of Optical Society of America, Vol. 9, pp. 998-1005 (1992), It is necessary to make holes in a short time, so that information can be read out with a sufficient S / N ratio in a realistic time (less than 10 nanoseconds / bit). Lanthanide (eg, samarium ion) -doped glass is known as a material in which permanent hole-burning is observed even at room temperature. According to the present invention, it is necessary to dope samarium ions into microparticles for a very long time (for example, about several minutes). Doko strength can be improved by several orders of magnitude, it is possible to hole formation in a short time.

【0037】さらに、この様なドープ微粒子に電場を印
加する場合には、シュタルク効果により、エネルギーレ
ベルをシフトさせることができる。その結果、例えば高
密度記録の場合では、波長を掃引したのと同じ効果が得
られる。実用的にも、波長を掃引するより印加電場を変
化させるほうが簡単な場合が多いので、有用である。ま
た、導電性のあるマトリックス中に遷移元素ドープ半導
体微粒子を分散させた状態で、電場を印加する場合に
は、光照射時に電子の移動を起こさせて光化学反応を促
進することも、可能である。微粒子として半導体を使用
すると、この様な利点が得られる。
Further, when an electric field is applied to such doped fine particles, the energy level can be shifted by the Stark effect. As a result, for example, in the case of high-density recording, the same effect as when the wavelength is swept is obtained. Practically, it is useful to change the applied electric field rather than sweep the wavelength in many cases. Further, when an electric field is applied in a state where the transition element-doped semiconductor fine particles are dispersed in a conductive matrix, it is also possible to promote the photochemical reaction by causing the movement of electrons at the time of light irradiation. . Use of a semiconductor as the fine particles provides such advantages.

【0038】なお、本発明でいう非線形光学効果とは、
式(1)で示した光電場による分極を利用するものであ
る。従って、本発明で対象とする微粒子を利用したレー
ザーは、本発明には含まれない。
The nonlinear optical effect referred to in the present invention is:
This utilizes the polarization by the photoelectric field shown in the equation (1). Therefore, a laser utilizing the fine particles targeted in the present invention is not included in the present invention.

【0039】本発明によれば、遷移元素を微粒子にドー
プすることにより生じる振動子強度の異常な増大という
特異な光学現象を応用して、高速光情報処理と高密度光
記録とに適用できる非線形光学材料とそれを用いた素子
が作製できる。
According to the present invention, a nonlinear optical phenomenon that can be applied to high-speed optical information processing and high-density optical recording by applying a unique optical phenomenon of an abnormal increase in oscillator strength caused by doping fine particles with a transition element. An optical material and an element using the same can be manufactured.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明によるドープ微粒子を高速光情報
処理技術分野において使用する場合には、大きな非線形
光学効果を示すので、電子回路を介することなく、光を
別の光と相互作用させることが可能になる。しかも、そ
の応答時間は10ピコ秒以下と高速であるために、現実社
会の要求を満たすことができる。
When the doped fine particles according to the present invention are used in the field of high-speed optical information processing, a large nonlinear optical effect is exhibited, so that light can interact with another light without passing through an electronic circuit. Will be possible. Moreover, since the response time is as fast as 10 picoseconds or less, it can satisfy the demands of the real world.

【0041】また、本発明によるドープ微粒子を高密度
光記録分野において使用する場合には、ドーパントイオ
ンの振動子強度が数桁も高められるのて、より少ない光
照射でホールバーニング現象が観察されるようになる。
その結果、特に室温に近い高い温度でも、短い時間で深
いホールをあける(記録する)ことが可能となり、現実
的なメモリーとしての要請を満たすことになる。また、
1つの記録スポットに照射する光の波長を変えることで
波長多重光記録を行って、記録密度を飛躍的に増大させ
ることができる。
When the doped fine particles according to the present invention are used in the field of high-density optical recording, the oscillator strength of dopant ions can be increased by several orders of magnitude, so that a hole burning phenomenon can be observed with less light irradiation. Become like
As a result, a deep hole can be formed (recorded) in a short time even at a high temperature particularly near room temperature, which satisfies the demand for a realistic memory. Also,
By changing the wavelength of light applied to one recording spot, wavelength multiplexing optical recording can be performed, and the recording density can be dramatically increased.

【0042】[0042]

【実施例】以下、図面を参照しつつ、本発明を実施例に
よりさらに詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

【0043】実施例1 半導体の1種である硫化亜鉛(ZnS)にランタニドの1種
であるサマリウム(Sm)をドープした系(ZnS:Sm)につい
て、材料(微粒子)作製とホールバーニング実験に分け
て説明する。
Example 1 A system (ZnS: Sm) in which zinc sulfide (ZnS), a kind of semiconductor, was doped with samarium (Sm), a kind of lanthanide, was divided into material (fine particle) production and hole burning experiments. Will be explained.

【0044】1.材料(微粒子)の作製 微粒子の作製は、柳田らの報告(ケミストリー レター
ズ、pp1665-1666(1992年)およびブレティン オブ ケ
ミカル ソサエティ オブ ジャパン、68巻、pp752-75
8(1995年))に準じて行った。
1. Preparation of material (fine particles) The preparation of fine particles was reported by Yanagida et al. (Chemistry Letters, pp1665-1666 (1992) and Bulletin of Chemical Society of Japan, Vol. 68, pp752-75)
8 (1995)).

【0045】まず、酢酸亜鉛0.1モルと酢酸サマリウム
0.001モルとを攪拌下にアセトニトリルを含むメタノー
ルに溶解した。一方、硫化ナトリウム0.1モルを攪拌下
に水を含むメタノールに溶解した。得られた硫化ナトリ
ウムの溶液を酢酸亜鉛と酢酸サマリウムとを含む溶液に
撹拌しながら少しずつ滴下した。この段階で、Smをドー
プしたZnS微粒子が生成し、溶液がコロイド状になって
白濁した。
First, 0.1 mol of zinc acetate and samarium acetate
0.001 mol was dissolved in methanol containing acetonitrile under stirring. Meanwhile, 0.1 mol of sodium sulfide was dissolved in methanol containing water with stirring. The obtained solution of sodium sulfide was added dropwise to a solution containing zinc acetate and samarium acetate while stirring. At this stage, ZnS fine particles doped with Sm were generated, and the solution became colloidal and became cloudy.

【0046】次いで、このコロイド溶液にペンタフルオ
ロチオフェノールのアセトニトリル溶液を激しく撹拌し
ながら少しずつ滴下した。この操作により、ドープ微粒
子の表面がフェニル基で覆われ、微粒子が互いに重合す
ることがなくなり、安定化する。この溶液を遠心分離し
て上澄みを取り出し、溶液を蒸発させて微粒子を取り出
した。この段階で、必要ならば、水で洗い、さらにメタ
ノールで洗っても良い。微粒子の合成は、すべて窒素雰
囲気下で行い、また、溶媒は使用前に窒素を吹き込んで
他の溶存気体を追い出した。
Next, a solution of pentafluorothiophenol in acetonitrile was added dropwise to the colloid solution with vigorous stirring. By this operation, the surface of the doped fine particles is covered with the phenyl group, and the fine particles do not polymerize with each other, and are stabilized. The solution was centrifuged to remove the supernatant, and the solution was evaporated to remove fine particles. At this stage, if necessary, it may be washed with water and then with methanol. All of the synthesis of the fine particles was performed under a nitrogen atmosphere, and the solvent was blown with nitrogen before use to expel other dissolved gases.

【0047】得られた微粒子は、X線回折と透過電子顕
徴鏡観察の結果から、平均直径が約5nmであることが確
認された。
From the results of X-ray diffraction and transmission electron microscope observation, it was confirmed that the obtained fine particles had an average diameter of about 5 nm.

【0048】2.ホールバーニング実験 図1に示す様に、上記で作製した粉末状の微粒子試料を
石英の小さなセルに入れ、クライオスタット中に固定し
た。クライオスタットは、必要に応じて試料を2ケルビ
ンから室温までの任意の温度に保つことができる。次い
で、アルゴンレーザーで色素(ローダミン6G)を励起し
て、波長560〜620nm付近のレーザー光を発振させた。
2. Hole Burning Experiment As shown in FIG. 1, the powdery fine particle sample prepared above was placed in a small quartz cell and fixed in a cryostat. The cryostat can keep the sample at any temperature from 2 Kelvin to room temperature as needed. Next, the dye (rhodamine 6G) was excited by an argon laser to oscillate laser light having a wavelength of about 560 to 620 nm.

【0049】本実施例では、材料が粉体であるために、
吸収スペクトルは容易には測定できない。このため、励
起スペクトルを測定した。すなわち、図1に示す光学素
子をステッピングモーターで回転させることにより、波
長を連続的に掃引した。励起光の強度を強度安定器を使
って約10mWとした後、励起光をNDフィルターを通して試
料表面に集光した。試料からの発光は、レンズで集めて
分光器に投入し、分光した光を光電子増倍管に導いた。
永続的ホールバーニングを起こさせる場合には、NDフィ
ルターを通すことなく、波長を固定した色素レーザーか
らの光を試料に直接照射した。
In this embodiment, since the material is a powder,
The absorption spectrum cannot be easily measured. For this reason, the excitation spectrum was measured. That is, the wavelength was continuously swept by rotating the optical element shown in FIG. 1 by a stepping motor. After adjusting the intensity of the excitation light to about 10 mW using an intensity stabilizer, the excitation light was focused on the sample surface through an ND filter. The light emitted from the sample was collected by a lens, input to a spectroscope, and the split light was guided to a photomultiplier tube.
In order to cause permanent hole burning, the sample was directly irradiated with light from a dye laser having a fixed wavelength without passing through an ND filter.

【0050】照射光波長λbを592.9nmとして室温でホー
ルバーニングを行ったときの励起スペクトルを図2に示
す。波長λbにホールがあいていることがわかる。この
場合には、サマリウムイオンが2価から3価に変わるこ
とが光化学反応のメカニズムであるとされる。このホー
ルは、室温でも安定に存在しており、永続的ホールパー
ニングが起きていることがわかる。本実施例では、ドー
プ微粒子の振動子強度が増大したために、従来より短い
時間でホールをあけることができた。
FIG. 2 shows an excitation spectrum when hole burning is performed at room temperature with an irradiation light wavelength λ b of 592.9 nm. It can be seen that the hole is free to the wavelength λ b. In this case, changing the samarium ion from divalent to trivalent is considered to be the mechanism of the photochemical reaction. This hole exists stably even at room temperature, indicating that permanent hole panning has occurred. In this example, holes were able to be formed in a shorter time than in the prior art because the oscillator strength of the doped fine particles was increased.

【0051】実施例2 波長多重光記録の1例を説明する。Embodiment 2 An example of wavelength multiplexed optical recording will be described.

【0052】実施例1で作製したドープ微粒子をゾル−
ゲル法を用いてガラス中に分散させた。すなわち、ドー
プ微粒子を含む水溶液3gにエタノール5.5gを加え、さら
に分散性を上げるために必要に応じてクロロホルムを加
えた。次いで、これにテトラメトキシオルソシリケート
(Si(OCH3)4)7gを含むエタノール溶液を加えて30分間撹
拌した。得られたゾル液を清浄な石英基板上にディップ
コートし、熱処理して加水分解し、重合反応させて、微
粒子分散ガラス薄膜を作製した。
The doped fine particles produced in Example 1 were
It was dispersed in glass using the gel method. That is, 5.5 g of ethanol was added to 3 g of the aqueous solution containing the doped fine particles, and chloroform was added as needed to further improve dispersibility. Next, tetramethoxy orthosilicate
An ethanol solution containing 7 g of (Si (OCH 3 ) 4 ) was added and stirred for 30 minutes. The obtained sol solution was dip-coated on a clean quartz substrate, heat-treated, hydrolyzed, and polymerized to prepare a fine particle-dispersed glass thin film.

【0053】作製されたガラス薄膜は、光学的に透明で
あるから、容易にその吸収スペクトルを測定できる。図
1と類似の装置を用いて、この記録媒体として使用でき
る薄膜試料の吸収スペクトルを測定した。試料を極低温
にして、照射波長を順次変えることにより、多数の波長
で永続的ホールバーニングを起こさせ、記録媒体の1ヵ
所に多数の情報を記録することができた。5個のホール
をあけた例を図3に示す。図3の上部には、ディジタル
記録の1と0とがホールの有無に対応して書かれている。
本実施例の場合には、11ビットの情報が記録媒体の同一
場所に記録されたことになる。
Since the produced glass thin film is optically transparent, its absorption spectrum can be easily measured. Using an apparatus similar to that shown in FIG. 1, the absorption spectrum of a thin film sample usable as the recording medium was measured. By changing the irradiation wavelength sequentially by setting the sample at a very low temperature, permanent hole burning was caused at many wavelengths, and a lot of information could be recorded in one place of the recording medium. FIG. 3 shows an example in which five holes are opened. At the top of FIG. 3, digital records 1 and 0 are written corresponding to the presence or absence of a hole.
In the case of this embodiment, 11-bit information is recorded in the same location on the recording medium.

【0054】本実施例に示す結果から、本発明光学材料
を使用する場合には、波長多重光記録が可能であること
が明らかである。
From the results shown in this example, it is clear that wavelength multiplex optical recording is possible when the optical material of the present invention is used.

【0055】実施例3 ゾル−ゲル法で作った酸化チタン(TiO2)薄膜が導電性を
示すことを利用して、光励起と電場印加とによって引き
起こされる光化学反応を利用するホールバーニングにつ
いて説明する。
Example 3 Using the fact that a titanium oxide (TiO 2 ) thin film formed by a sol-gel method exhibits conductivity, hole burning using a photochemical reaction caused by photoexcitation and application of an electric field will be described.

【0056】Ti(OC3H7)4の水とエタノールの混合溶液に
実施例1で作製した微粒子ZnS:Smを混ぜ、電気伝導性の
あるネサ膜(ITO膜)をコートしたガラス基板上にディッ
プコートし、熱処理することにより、TiO2薄膜(n型半
導体)を形成した。1回のディップコートで厚さ1μm程
度の膜ができるので、繰り返しコートすることにより、
膜厚を増やすことができた。
The fine particles ZnS: Sm prepared in Example 1 were mixed with a mixed solution of Ti (OC 3 H 7 ) 4 in water and ethanol, and the mixture was placed on a glass substrate coated with an electrically conductive nesa film (ITO film). By dip coating and heat treatment, a TiO 2 thin film (n-type semiconductor) was formed. A film with a thickness of about 1 μm can be formed by one dip coating, so by repeatedly coating,
The film thickness could be increased.

【0057】得られた薄膜(厚さ約10μm)に対し、電場
を印加しながらZnSの吸収波長である300nm付近の光とサ
マリウムの吸収波長である600nm付近の光とを同時に照
射することにより、サマリウムの吸収領域に約1.5倍の
効率で永続的ホールバーニングを起こさせることができ
た。これは、ZnSにできたホールが電界によって移動
し、効率良くサマリウムイオンと結合したためと考えら
れる。
By simultaneously irradiating the obtained thin film (thickness of about 10 μm) with light near 300 nm which is the absorption wavelength of ZnS and light near 600 nm which is the absorption wavelength of samarium while applying an electric field, Permanent hole burning was able to occur in the absorption region of samarium with about 1.5 times efficiency. This is probably because the holes formed in ZnS were moved by the electric field and efficiently combined with the samarium ions.

【0058】実施例4 波長掃引の変わりに電場を印加する方法について、説明
する。
Embodiment 4 A method of applying an electric field instead of the wavelength sweep will be described.

【0059】実施例3と同様の微粒子分散ゾル液を透明
導電膜をとりつけた石英基板上にディップコートして薄
膜ガラスを作製した後、同様の透明導電膜をとりつけた
石英基板で狭んだ。ホールバーニングの波長を一定に保
持し、1000Vの電圧を印加することにより、図4に示す
様に、波長上の異なる位置にホールを形成することが可
能であった。
The same fine particle dispersion sol as in Example 3 was dip-coated on a quartz substrate on which a transparent conductive film was attached to prepare a thin-film glass, and then narrowed by the quartz substrate on which a similar transparent conductive film was attached. By keeping the wavelength of hole burning constant and applying a voltage of 1000 V, it was possible to form holes at different positions on the wavelength, as shown in FIG.

【0060】実施例5 半導体の1種である硫化亜鉛(ZnS)に遷移元素の1種で
あるマンガン(Mn)をドープした系(ZnS:Mn)について、材
料(微粒子)作製と光双安定素子の作製に分けて説明す
る。
Example 5 For a system (ZnS: Mn) in which zinc sulfide (ZnS), a kind of semiconductor, was doped with manganese (Mn), a kind of transition element, material (fine particles) preparation and optical bistable element Will be described separately.

【0061】1.材料(微粒子)の作製 試料作製は、スークラールらの報告(ジャーナル オブ
フィジカル ケミストリー,100巻,pp4551-4555(199
6年)に準じて行った。
1. Preparation of material (fine particles) The sample preparation was reported by Sukhral et al. (Journal of Physical Chemistry, vol. 100, pp4551-4555 (199
6 years).

【0062】硝酸亜鉛、硝酸マンガンおよび硫化ナトリ
ウムの20mM(ミリモル/リットル)水溶液を調製した。蒸
留水は、アルゴンで脱気して用いた。また、溶液は1回
の実験毎に新しいものを調製した。また、微粒子の調製
は、全てアルゴン雰囲気下で行った。
A 20 mM (mmol / liter) aqueous solution of zinc nitrate, manganese nitrate and sodium sulfide was prepared. Distilled water was used after degassing with argon. A new solution was prepared for each experiment. The preparation of the fine particles was all performed in an argon atmosphere.

【0063】Znに対するMnの比率が2%となる様に硝酸
亜鉛と硝酸マンガンの溶液を混合して50mlにした後、0.
10M(モル/リットル)の水酸化ナトリウムを撹拌しなが
ら滴下して、pHを約10に調整した。この溶液を一定速度
で撹拌しながら、硫化ナトリウム水溶液50mlを一定速度
で滴下し、ZnS:Mn2%の微粒子を作製した。10分間撹拌
を続けて、反応を確実に進行させた。生成した水溶液を
しばらく静置した後、上澄み部分を捨て、残りの部分を
実験に用いた。
A solution of zinc nitrate and manganese nitrate was mixed to a volume of 50 ml so that the ratio of Mn to Zn was 2%.
10M (mol / liter) sodium hydroxide was added dropwise with stirring to adjust the pH to about 10. While stirring this solution at a constant speed, 50 ml of an aqueous solution of sodium sulfide was dropped at a constant speed to prepare fine particles of ZnS: Mn2%. Stirring was continued for 10 minutes to ensure the progress of the reaction. After leaving the generated aqueous solution for a while, the supernatant was discarded, and the remaining portion was used for the experiment.

【0064】微粒子は、X線回折のピーク位置とそのピ
ークの半値幅から、平均直径約4nmの硫化亜鉛であるこ
とがわかった。また、透過型電子顕微鏡観察によって
も、平均粒径が約4nmであることが確認された。
The fine particles were found to be zinc sulfide having an average diameter of about 4 nm from the X-ray diffraction peak position and the half width of the peak. Also, transmission electron microscope observation confirmed that the average particle size was about 4 nm.

【0065】この微粒子をポリビニルアルコール(PVA)
中に以下の手順でドープした。
The fine particles were converted to polyvinyl alcohol (PVA)
The inside was doped by the following procedure.

【0066】蒸留水50mlにPVA4gを溶解させ、Mnドープ
硫化亜鉛微粒子を含む水溶液約2mlを激しく撹拌しなが
ら滴下し、そのまま約10分問撹拌し、混合した。この溶
液を反射率を適当に制御した石英基板上にディップコー
トすることにより、適当な厚みの薄膜を作製した。マン
ガンイオンの発光は、590nm付近にあり、この波長域で
は、本実施例でマトリックスとして用いたPVAは透明で
ある。
4 g of PVA was dissolved in 50 ml of distilled water, and about 2 ml of an aqueous solution containing Mn-doped zinc sulfide fine particles was added dropwise with vigorous stirring, followed by stirring for about 10 minutes and mixing. This solution was dip-coated on a quartz substrate whose reflectivity was appropriately controlled to prepare a thin film having a suitable thickness. The emission of manganese ions is around 590 nm, and in this wavelength range, the PVA used as the matrix in this example is transparent.

【0067】2.光双安定素子の作製 上記で作製した基板上の薄膜を反射率を制御した他の石
英基板で覆ってファブリーぺロー干渉計を作製した。図
5に示す通常の方法(例えば共立出版、物理学最前線1
4、花村栄一著、光双安定性に記載の方法)により、こ
の干渉計に色素(ローダミン6G)レーザーから発する光
を入射させ、透過光強度を測定した。
2. Production of Optical Bistable Element A Fabry-Perot interferometer was produced by covering the thin film on the substrate produced above with another quartz substrate whose reflectance was controlled. The usual method shown in FIG.
4, light emitted from a dye (rhodamine 6G) laser was incident on the interferometer, and the transmitted light intensity was measured by the method described in Optical Bistability, by Eiichi Hanamura.

【0068】図6に透過光強度の入射光強度依存性を示
す。図6のから出発して入射光強度を徐々に増して行
くと、曲線で示した透過光強度変化を示し、の状態
になった。次に入射光強度を弱めて行くと、曲線で示
した透過光強度変化を示してに戻った。その結果、全
体として光双安定性が現れていることがわかる。非線形
性が大きいので、光強度が小さくてすみ、また応答速度
を速くすることができた。
FIG. 6 shows the incident light intensity dependence of the transmitted light intensity. When the incident light intensity was gradually increased starting from FIG. 6, the transmitted light intensity change indicated by the curve was obtained. Next, when the intensity of the incident light was reduced, the transmitted light intensity change indicated by the curve was returned. As a result, it is understood that optical bistability appears as a whole. Since the nonlinearity is large, the light intensity can be reduced and the response speed can be increased.

【0069】この光双安定特性は、電子回路の場合のフ
リップフロップに相当するので、本発明非線形光学材料
は、光を用いる演算素子、履歴現象を利用した記憶素子
などに使用できる。
Since this optical bistable characteristic corresponds to a flip-flop in the case of an electronic circuit, the nonlinear optical material of the present invention can be used for an arithmetic element using light, a storage element utilizing hysteresis, and the like.

【0070】実施例6 分散させる半導体の種類をZnSに加えて、セレン化亜鉛
(ZnSe)、硫化カドミウム(CdS)およびセレン化カドミウ
ム(CdSe)とする場合にも、実施例1或いは実施例5と同
様にして、本発明の光学材料を製造することができる。
Example 6 In addition to ZnS, the type of semiconductor to be dispersed was zinc selenide.
In the case of using (ZnSe), cadmium sulfide (CdS) and cadmium selenide (CdSe), the optical material of the present invention can be manufactured in the same manner as in Example 1 or Example 5.

【0071】そして、図7に示す通り、複数の半導体を
使用することにより、吸収する波長を連続的に設定する
ことが可能である。これにより、300〜500nmの広い範囲
中の特定の光を照射し、半導体に一旦光を吸収させた
後、ドープしたイオンにエネルギー移動を起こさせるこ
とが可能であった。
As shown in FIG. 7, it is possible to continuously set the wavelength to be absorbed by using a plurality of semiconductors. As a result, it was possible to irradiate a specific light within a wide range of 300 to 500 nm to cause the semiconductor to absorb the light once and then cause energy transfer to the doped ions.

【0072】分散させる半導体を微粒子にすることによ
り、サイズ効果により半導体自身の振動子強度が大きく
なり、しかもドープしたイオンにエネルギー移動が起き
やすくなるという利点もある。このように複数種の微粒
子を用いることで、例えば波長多重光記録で多重記録が
できる波長範囲を広げることができる。また、ドープす
る遷移元素の種類を変えることで、光双安定化素子の動
作波長範囲を広げることも可能であった。
By making the semiconductor to be dispersed into fine particles, there is also an advantage that the oscillator strength of the semiconductor itself is increased due to the size effect, and energy is easily transferred to the doped ions. By using a plurality of types of fine particles as described above, the wavelength range in which multiplex recording can be performed by, for example, wavelength multiplex optical recording can be expanded. Also, by changing the type of the transition element to be doped, it was possible to extend the operating wavelength range of the optical bistable element.

【0073】さらに吸収ピーク波長を調節するために、
粒径を制御したり、ZnxCd(1-x)SySe(1-y)のような混晶
を作ることも可能であった。
To further adjust the absorption peak wavelength,
It was also possible to control the particle size and to make a mixed crystal such as Zn x Cd (1-x) S y Se (1-y) .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明実施例で得られたサマリウムイオンド−
プ硫化亜鉛微粒子を用いて、ホールバーニングを行うた
めの装置の概略図である。
FIG. 1 shows a samarium ion source obtained in an example of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of an apparatus for performing hole burning using zinc sulfide fine particles.

【図2】本発明実施例で得られたサマリウムイオンドー
プ硫化亜鉛微粒子の室温におけるホールバーニングの結
果を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the results of hole burning at room temperature of samarium ion-doped zinc sulfide fine particles obtained in Examples of the present invention.

【図3】本発明実施例で得られたサマリウムイオンドー
プ硫化亜鉛微粒子を用いて、極低温で波長多重光記録を
行った結果(11ビットの情報記録)を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a result (11-bit information recording) of performing wavelength multiplex optical recording at an extremely low temperature using samarium ion-doped zinc sulfide fine particles obtained in an example of the present invention.

【図4】本発明実施例で得られたサマリウムイオンドー
プ硫化亜鉛微粒子を用いて、波長を掃引する変わりに、
1000Vの電圧を印加しながらホールバーニングを行った
結果を示すグラフである。
FIG. 4 uses the samarium ion-doped zinc sulfide fine particles obtained in the example of the present invention, instead of sweeping the wavelength,
4 is a graph showing a result of performing hole burning while applying a voltage of 1000V.

【図5】本発明実施例で得られたマンガンイオンドープ
硫化亜鉛からなる非線形光学材料で作られたファブリー
ペロー共振器を透過する光の干渉の様子を表す模式図で
ある。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a state of interference of light transmitted through a Fabry-Perot resonator made of a nonlinear optical material made of manganese ion-doped zinc sulfide obtained in an example of the present invention.

【図6】本発明実施例で得られたマンガンイオンドープ
硫化亜鉛からなる非線形光学材料について、入射光強度
に対する透過光強度依存性を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the dependence of transmitted light intensity on incident light intensity for a nonlinear optical material comprising manganese ion-doped zinc sulfide obtained in an example of the present invention.

【図7】マンガンをドープした4種類の半導体微粒子を
混合した系におけるマンガンからの発光を表わすグラフ
である。
FIG. 7 is a graph showing light emission from manganese in a system in which four types of semiconductor fine particles doped with manganese are mixed.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗田 厚 大阪府豊中市待兼山1番1号 大阪大学 大学院理学研究科内 (72)発明者 兼松 泰男 大阪府豊中市待兼山1番1号 大阪大学 大学院理学研究科内 (72)発明者 渡辺 正仁 大阪府豊中市待兼山1番1号 大阪大学 大学院理学研究科内 (72)発明者 平田 久仁子 大阪府豊中市待兼山1番1号 大阪大学 大学院理学研究科内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 503 G02F 1/35 505 JICSTファイル(JOIS) CA(STN)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Atsushi Kurita, Inventor 1-1, Machikaneyama, Toyonaka City, Osaka Prefecture Osaka University Graduate School of Science (72) Inventor, Yasuo Kanematsu 1-1, Machikaneyama, Toyonaka City, Osaka Prefecture Osaka University Graduate School of Science (72) Inventor Masahito Watanabe 1-1, Machikaneyama, Toyonaka City, Osaka Prefecture Osaka University Graduate School of Science (72) Kuniko Hirata 1-1, Machikaneyama, Toyonaka City, Osaka Prefecture Graduate School of Science, Osaka University Within the Graduate School (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02F 1/35 503 G02F 1/35 505 JICST file (JOIS) CA (STN)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】遷移元素をドープした径0.5nm〜10μmの微
粒子が示す非線形光学効果を利用する非線形光学材料。
1. A nonlinear optical material utilizing a nonlinear optical effect exhibited by fine particles having a diameter of 0.5 nm to 10 μm doped with a transition element.
【請求項2】遷移元素をドープした径0.5nm〜10μmの微
粒子が示す3次の非線形光学効果を利用する非線形光学
材料。
2. A nonlinear optical material utilizing a third-order nonlinear optical effect exhibited by fine particles having a diameter of 0.5 nm to 10 μm doped with a transition element.
【請求項3】遷移元素をドープした径0.5nm〜10μmの微
粒子が示す光学スペクトルのホールバーニング現象を利
用する非線形光学材料。
3. A nonlinear optical material utilizing a hole burning phenomenon in an optical spectrum of fine particles having a diameter of 0.5 nm to 10 μm doped with a transition element.
【請求項4】1種類または2種類以上のランタニドをド
ープした径0.5nm〜10μmの微粒子が示す非線形光学効果
を利用する非線形光学材料。
4. A nonlinear optical material utilizing a nonlinear optical effect exhibited by fine particles having a diameter of 0.5 nm to 10 μm doped with one or more kinds of lanthanides.
【請求項5】微粒子として1種類または2種類以上の半
導体を用いる請求項1〜4のいずれかに記載の非線形光
学材料。
5. The nonlinear optical material according to claim 1, wherein one or more kinds of semiconductors are used as the fine particles.
【請求項6】3次の非線形感受率が10-7esu以上でかつ
応答時間が10ピコ秒以下であることを特徴とする請求項
1〜5のいずれかに記載の非線形光学材料。
6. The nonlinear optical material according to claim 1, wherein a third-order nonlinear susceptibility is 10 −7 esu or more and a response time is 10 picoseconds or less.
【請求項7】遷移元素をドープした微粒子を照射する光
の波長領域で透明なマトリックスに分散させた請求項1
〜6のいずれかに記載の非線形光学材料。
7. The method according to claim 1, wherein the fine particles doped with a transition element are dispersed in a transparent matrix in a wavelength range of light for irradiation.
7. The nonlinear optical material according to any one of items 1 to 6,
【請求項8】請求項1〜7のいずれかに記載の非線形光
学材料を用いる光双安定性素子或いは光多重安定性素
子。
8. An optical bistable element or an optical multi-stable element using the nonlinear optical material according to claim 1.
【請求項9】請求項1〜7のいずれかに記載の非線形光
学材料を用いる光演算素子或いは光記憶素子。
9. An optical operation element or an optical storage element using the nonlinear optical material according to claim 1.
【請求項10】請求項1〜7のいずれかに記載の非線形
光学材料を用いる波長多重光記録材料。
10. A wavelength-division multiplexed optical recording material using the nonlinear optical material according to claim 1.
【請求項11】電場を印加することを特徴とする請求項
1〜10のいずれかに記載の材料或いは素子。
11. The material or device according to claim 1, wherein an electric field is applied.
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