CN1571941A - 光学元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学元件及其制造方法。本发明的光学元件具有单层碳纳米管层合而成的薄膜并且利用其可饱和吸收功能。另外，本发明的光学元件制造方法为：使碳纳米管分散在分散介质中，调制成分散液，将该分散液喷涂在被涂物上形成薄膜。由此能够提供一种在通信波长区域内可操作且成本极低的高效率非线性光学元件及其制造方法。

Description

光学元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学元件及其制造方法，所述光学元件利用单层碳纳米管(single wall carbon nanotubes)具有的可饱和吸收功能，能够控制通信波长区域内的光。
背景技术
近年开发的碳纳米管为管状材料，理想的情况是碳6边形网格的薄片状结构(晶片)以平行于管轴的方式形成管，该管也可以为多层结构。理论上推论该碳纳米管因碳形成的6边形网格的连接方式或管的粗细不同，而显示金属或半导体的性质，可以期待其成为未来的功能材料。
直径小于碳纤维的1μm或1μm以下的材料通称为碳纳米管，以区别于碳纤维，但是并没有特别明确的界限。从狭义上讲，碳6边形网格的晶片以平行于管轴的方式形成的材料称为碳纳米管(需要说明的是本发明中所述碳纳米管适用于该狭义解释。)。
一般而言，对狭义的碳纳米管再作如下分类：由1层6边形网格的管构成的碳纳米管称为单层碳纳米管(以下有时简称为“SWNT”)，另一方面，由多层6边形网格的管构成的碳纳米管称为多层碳纳米管(以下有时简称为“MWNT”)。能够得到何种结构的碳纳米管在某种程度上取决于合成方法或条件。
其中，着眼于SWNT对应于手性矢量显示金属或半导体性质的多样性，主要将其用于电学电子元件(参见“碳纳米管的基础”，斋藤弥八、坂东俊治著，(1998)，CORONA社等)。另外，利用高效率的电场电子放出特性以提高电场发光元件特性的尝试也进入了实用化阶段(参见K.Matsumoto et al.Extended Abstracts of the 2000International Conference on Solid State Devices and Materials(2000)pp.100～101等)。但是，至今为止，仍然不能说对SWNT的光学应用进行了充分的研究。
在光学应用、或作为电学电子元件应用的情况下，微细的探头难以与单一碳纳米管相连接，所以主要用会聚成直径数百nm至数十nm的光束与碳纳米管集合体连接。在光学应用方面的研究晚于在电学电子元件应用方面研究的主要原因在于：难以获得按光学评价中的必要标准评定为高纯度的SWNT试样，以及因SWNT难溶于溶剂而难以得到光学均质膜等。
以SWNT的光学应用为目标的非线性光学常数评价虽然也有报道，但仅有在作为非共振区域的1064nm、532nm及820nm评价溶液状态SWNT的相关报道，对能够期待具有实用性的较大非线性还没有报道(X.Liu et al.Appl.Phys.Lett.，74(1999)pp.164～166，Z.Shi etal.Chem.Commun.(2000)pp.461～462)。
另一方面，已知SWNT在作为通信波长区域(1.2～2μm)的1.8μm处有吸收(H.Kataura et al.Synth.Met.，103(1999)pp.2555～2558)。如果直接利用该吸收带的共振效果，则能够在同一波长带内实现较大的非线性。
本发明人等基于上述考虑，研究了SWNT在通信波长区域内可操作光学元件方面的应用。
发明内容
为了解决上述课题，本发明提供一种光学元件，其特征在于具有单层碳纳米管层合而成的薄膜，并且利用其可饱和吸收功能。
本发明提供一种光学元件制造方法，其特征在于使单层碳纳米管分散在分散介质中，调制成分散液，将该分散液喷涂于被涂物上形成薄膜。
附图说明
图1是示出SWNT薄膜在红外区域内的吸收特性的曲线图，以横轴为照射SWNT薄膜的光能、纵轴为SWNT薄膜的吸光度绘制而成。
图2是选取图1的曲线图中最低能量吸收带部分、并将横轴替换为光波长而得到的曲线图。
图3是用于说明Z-scan法的简要构成图。
图4是表示按Z-scan法测定SWNT薄膜的可饱和吸收结果的曲线图。
图5是表示使本发明的光学元件作为透过率变化型光开关而可操作的试验概要的简要构成图。
图6是表示具有可饱和吸收镜功能的光学元件的实施形态的模式剖面图。
图7是用于说明将本发明的光学元件作为具有波形整形功能的波形整形器使用时的波形整形原理的曲线图，以横轴为时间、纵轴为入射光脉冲的光强度绘制而成。
图8是表示具有超解像光盘功能的光学元件的实施形态的模式剖面图。
具体实施方式
下面，详细说明本发明的光学元件及其制造方法。
<本发明的光学元件及其制造方法的详细内容>
碳纳米管包括由1层碳6边形网格结构的管构成的单层碳纳米管，和由多层(多重壁)的上述管构成的多层碳纳米管，本发明使用可饱和吸收功能高的单层碳纳米管。
所使用的SWNT的直径优选为1.0～1.6nm。通过使用直径在上述范围内的SWNT，能够有效地表现出可饱和吸收功能。
本发明的光学元件利用伴随能带间迁移的伪一维激发子的光吸收，该伪一维激发子起因于在1.5μm带内呈现的SWNT的一维Vanhove特异点。该吸收的波长因SWNT直径不同而发生较大变化。其原因在于SWNT的能隙与直径的倒数成正比。
由于该吸收以外的1.5μm带内的SWNT基础吸收并没有那么大，因此即使多种SWNT混合存在，也能够发挥该功能。如果混入相当量的在欲使用的波长下显示该吸收的SWNT，则可以期待与之相应的光吸收，其原因在于其他的SWNT对吸收没有大的影响。但是，如果直径分布非常广泛，则有时因该SWNT以外的SWNT引起的光吸收(由于所述吸收相当于位于紫外区域的π等离子体激元的末端吸收，因此无可饱和吸收的效果)产生大的影响，导致得到的光学元件的性能显著恶化。因此，对于所使用的SWNT的直径分布而言，理想的情况是以在该波长处具有吸收的管为中心的尽可能窄的分布。
使用的SWNT制造方法无特别限定，可以采用使用催化剂的热解法(与气相沉积法相类似)、电弧放电法、及激光蒸发法等目前公知的任一种制造方法。如上所述，本发明优选使用直径分布窄的SWNT。目前，能够实现窄直径分布的制造方法为激光蒸发法和电弧放电法。但是，电弧放电法制成的SWNT含有较多的催化剂金属(这显然不利于元件的工作)，难以精制成高纯度的SWNT。
因此，本发明优选使用由激光蒸发法制成的SWNT。当然，如果用CVD法等可以制成直径均匀的SWNT，则使用如此制成的SWNT也完全没有问题。
下面，示出由激光蒸发法制成适用于本发明的单层碳纳米管的方法。
作为原料，准备石墨粉末和镍与钴的微粉(混合比以摩尔比计各为0.45％)的混合棒状物(rod)。将该混合棒状物在665hPa(500Torr)的氩气气氛下用电炉加热至1250℃，对其照射350mJ/Pulse的Nd：YAG激光的二次谐波脉冲，使碳与金属微粒蒸发，由此制成单层碳纳米管(以上为制造操作A)。
以上的制造方法为典型例，也可以改变金属种类、气体种类、电炉温度、激光波长等。另外，也可以使用由激光蒸发法以外的制造方法例如CVD法(Chemical Vapor Deposition：化学蒸镀法)或电弧放电法、一氧化碳的热解法、将有机分子插入微细的空穴内进行热解的模板(template)法、富勒烯·金属共蒸镀法等其他方法制成的单层碳纳米管。
在杂质方面，由各种方法得到的SWNT试样虽然因制造方法不同而异，但是在未经精制的状态下或多或少都必定含有一些杂质。为了获得性能良好的光学元件，优选对SWNT试样进行精制。
精制方法无特别限定，例如，可以按以下顺序精制使用上述NiCo的金属微粒、由激光蒸发法(制造操作A)得到的SWNT试样。
1、真空中热处理
为了使作为杂质含有的富勒烯升华并将其除去，而在真空中进行热处理。此时，真空条件为10-14Pa左右，温度条件为1250℃左右。
2、用甲苯洗涤后过滤
在真空中热处理后用甲苯进行洗涤。洗涤时，使SWNT试样分散在甲苯中，进行搅拌。然后，进行过滤。过滤时，使用粗细为能够充分筛分SWNT程度的筛(下述步骤中的过滤也同样进行)。
3、在乙醇中分散后过滤
用甲苯洗涤并过滤后，作为用于制成纯水分散液的前处理，使其分散于乙醇中。分散后进行过滤。
4、在纯水中分散
分散在乙醇中并过滤后，使其分散在纯水中，制成纯水分散液。
5、添加过氧化氢
在得到的纯水分散液中添加过氧化氢，调整成过氧化氢占总体积的15％(体积基准)。
6、回流操作后过滤
为了使作为杂质而含有的无定型碳燃烧，将添加了过氧化氢的纯水分散液用回流装置在保持为100℃的条件下回流3小时。然后，进行过滤。
7、用稀盐酸洗涤后过滤
在回流并过滤后，为了除去NiCo的金属微粒而用稀盐酸进行洗涤。洗涤时，使SWNT试样分散在稀盐酸中，进行搅拌。然后，进行过滤。
8、用氢氧化钠水溶液洗涤后过滤
用稀盐酸洗涤并过滤后，为中和残留盐酸及除去酸处理产生的副产物，用氢氧化钠水溶液进行洗涤。洗涤时，使SWNT试样分散在氢氧化钠水溶液中，进行搅拌。然后，进行过滤。
9、真空中650℃下保持1小时
用氢氧化钠水溶液洗涤并过滤后，为除去试样中所含各种溶剂，在真空(10-4Pa左右)中650℃下保持1小时。
10、放冷至常温
然后，放冷至常温，能够制成纯度极高的SWNT(以上1～10的全部步骤为精制操作B)。
另外，本发明人通过所实施的操作得到纯度为90％或90％以上、几乎不含金属微粒的高纯度SWNT。
需要说明的是只要能够精制为同样的纯度即可，对方法没有限定。例如，也可以在空气中小心地加热，燃烧无定形炭，使用稀硝酸或浓硝酸进行精制的方法，只要适用于本发明中使用的SWNT的精制即可，无任何限定。
通过形成上述SWNT层合而成的薄膜，能够获得本发明的光学元件。作为该薄膜的形成方法，只要是最终得到SWNT层合而成的薄膜的方法即可，无特别限定。具体而言，例如，可以举出喷涂法、电泳制膜法、聚合物分散法等。以下说明上述薄膜形成方法。
(喷涂法)
上述喷涂法是指使用使上述SWNT在分散介质中分散而成的分散液、通过喷涂该分散液而形成薄膜的方法。
将精制后的SWNT分散在适当的分散介质中，由此调制成分散液。作为能够使用的分散介质，可以举出醇类、二氯乙烷、二甲基甲酰胺等，因二氯乙烷、二甲基甲酰胺的分散性非常好，在使所得薄膜的膜质良好方面是优选的，但是由于上述分散介质挥发性略低，因此在进行下述喷涂时，必须考虑将被涂物的温度保持在较高温度、或减少喷涂量并延长制膜时间等。与此相反，醇类因挥发性高因而是优选的。作为所述醇类，可以举出甲醇、乙醇、异丙醇(IPA)、正丙醇等，其中，特别优选乙醇。
调制分散液时，也可以根据需要使用表面活性剂等添加剂。作为表面活性剂，优选通常作为分散介质使用的物质。作为优选的表面活性剂，可以举出具有极性的表面活性剂或具有易与SWNT化学性结合的官能团的表面活性剂。
碳纳米管在分散液中的浓度无特别限定，使用乙醇作为分散介质时，浓度优选在1～2mg/ml的范围内。
在将上述SWNT及根据需要添加的上述添加剂投入上述分散介质中后，为了使上述SWNT均匀分散，优选事先将分散介质充分搅拌。搅拌装置无特别限定，可以举出搅拌桨式搅拌装置、捏合机、轧制机、超声波分散器等，其中，优选超声波分散器。
将由此得到的分散液喷涂在预定的被涂物上。喷涂方法无特别限定，可以利用公知的装置、条件等进行涂布，例如，可以用喷枪进行涂布。此时，由于SWNT在乙醇等分散介质中容易发生凝集，因此对喷枪内的液体施加超声波以使其分散也是有效的。
另外，在进行喷涂时，如果被涂物的温度低，则有时分散介质几乎不蒸发，SWNT凝集在被涂物表面，结成块，使膜质恶化。因此，优选用干燥器同时喷吹热风、或用加热器直接加热被涂物，由此提高被涂物的温度，以使被喷吹的溶液瞬时蒸发。
(电泳制膜法)
将精制后的SWNT以0.4～0.5mg/ml左右的浓度分散在二甲基甲酰胺等与喷涂法相同的分散介质中，在其中添加50质量％氢氧化钠水溶液至1质量％(外添加)左右。在该分散液中，距离1cm左右插入1对电极，在两电极间施加直流电压。电压优选为20V左右。经通电，使SWNT泳动至正电极表面，进行堆积并制膜。即，在该方法中，正电极为被涂物。
(聚合物分散法)
上述聚合物分散法是将精制后的SWNT分散在聚苯乙烯等聚合物的有机溶剂溶液中、用旋涂机等任意的涂布装置将其涂布在被涂物表面的方法，根据该方法能够得到均匀的膜，是一种有效的方法。但是，根据所使用聚合物的不同，该方法有使SWNT的化学稳定性劣化的缺点。
作为能够使用的聚合物，只要是能够成膜的物质就可以使用，优选对SWNT影响少的聚苯乙烯等。另外，作为有机溶剂，可以适当地选择能够溶解所使用的聚合物的溶剂。聚合物在有机溶剂中的浓度可以根据涂布适应性进行适当调整，另外，SWNT的浓度也可以相应于SWNT在SWNT薄膜中的优选量进行适当地调整。
(其他方法)
将基板等被涂物插入SWNT制造装置内，直接在被涂物表面捕集SWNT的方法也是有效的。制膜后，如果在空气中用氧化法除去作为杂质的无定形炭，并在真空中用高温加热升华法除去金属催化剂，则能够精制为纯度非常高的SWNT，并能够得到可利用的SWNT薄膜。
如上所述，形成具有本发明特征的SWNT薄膜。为了使该SWNT薄膜表现出充分的可饱和吸收功能，SWNT在形成的SWNT薄膜上的附着量优选为使目标波长光的透过率为0.1～10％左右的附着量，更优选为使透过率为1％左右的附着量。
作为形成SWNT薄膜的被涂物，可以举出玻璃基板或石英基板等基板，光学材料或光学元件等。以基板为被涂物时，可以制造直接利用形成的SWNT薄膜的可饱和吸收功能的光学元件。以光学材料或光学元件为被涂物时，能够制造在其光学功能之外附加了形成的SWNT薄膜的可饱和吸收功能的光学元件。具体的被涂物如下述各实施方案所述。
如上所述得到的SWNT薄膜在红外区域显示了多条吸收带。最低能量的吸收带位于作为通信波长区域的1.2～2μm附近，吸收峰波长为1.78μm左右。因此，形成了上述SWNT薄膜的光学元件利用该膜的可饱和吸收功能而成为在通信波长区域内可操作的元件。
由此，认为将SWNT薄膜作为通信波长区域内的可饱和吸收材料使用时，与半导体材料相比具有以下特点：
第一、可以将半导体元件的成本抑制在极低水平。SWNT与其他半导体材料相比，原材料价格较低，能够大量生产。而且，由于无需半导体量子阱那样利用真空处理形成量子结构的步骤，仅在基板等被涂物的表面直接形成薄膜即可，因此制造简单，成品率良好。从而，预计能够以与半导体材料相比低很多的成本制造光学元件。
第二、在制造工厂内，通过在已有的光学元件上形成SWNT薄膜，能够简单地赋予光学元件可饱和吸收功能。例如，通过在反射镜(镜面体)的表面形成SWNT薄膜，能够简单地制成可以根据入射光强度改变反射率的镜子。使用现有半导体材料时，必须利用真空处理在反射镜上直接形成量子阱层，但是，根据仅形成SWNT薄膜的本发明，不仅能够大幅度降低已有光学元件的制造成本，而且能够在目前难以形成薄膜的部分上形成可饱和吸收膜，由此也可能生产出目前没有的光学元件。
第三、能够容易地得到大面积薄膜。如果想用现有的半导体材料形成具有相同功能的薄膜，则即使能够使其在某种程度上实现大面积化，也会因为必须为此而准备更大的真空装置，而使制造成本增加至极高的水平。采用SWNT薄膜的情况下，由于可以利用喷涂等简易的涂布法形成薄膜，因此对得到的膜面积没有限制，而且形成操作本身也较容易。
第四、作为材料的耐久性，由于SWNT由碳原子的sp2共轭键之类的强力键构成，而且电传导性高、热量不易聚积，因此可以期待极高的耐久性、耐光性。
另外，由于SWNT在空气中稳定、至500℃左右也不燃烧，因此可以在空气中高温条件下使用。在真空中，由于即使加热到1600℃其结构也不发生变化，因此能够在更高的温度下使用。
<对SWNT薄膜可饱和吸收功能的验证>
对于本发明中形成的SWNT薄膜的可饱和吸收功能而言，实际形成SWNT薄膜，如下进行验证。
首先，作为SWNT，使用由使用上述NiCo的金属微粒的激光蒸发法(制造操作A)进行制造、经上述精制操作B精制而成的SWNT。
用超声波分散器将上述SWNT 1～2mg分散在乙醇5ml中，将得到的液体喷吹至石英基板表面，由此形成SWNT薄膜。此时，通过用干燥器同时喷吹热风，能够提高石英基板的温度，以便使喷吹后的溶液瞬间蒸发。
得到的SWNT薄膜为黑色，以横轴为照射上述SWNT薄膜的光能、纵轴为上述SWNT薄膜的吸光度绘制而成图1的曲线图，如该图所示，上述薄膜在红外区域内有多条吸收带。选取最低能量的吸收带部分，并将横轴替换为光波长得到曲线图，该曲线图示于图2中。如图2所示，最低能量的吸收带位于1.5～2μm附近，吸收峰波长为1.78μm。由拉曼光谱及STM观测结果推测SWNT的直径分布在1.2～1.6nm的范围内。
利用称为Z-scan法的方法测定SWNT薄膜的可饱和吸收功能。可饱和吸收是3次非线性光学效果中的一种，是在与吸收波长一致的强激光照射下在高位能级处大量电子被激发，通过抑制该状态下的电子激发而使吸收暂时减少的现象。
图3是用于说明Z-scan法的简要构成图。在Z-scan法中，使激光L经由UV阻断滤光器1或ND滤光器2等滤光器入射至透镜3，在透镜3和受光器5间的大致中间点(焦点X)处会聚。然后，沿激光L的前进方向，使作为测定对象的试样4从透镜3侧向受光器5侧移动。就试样4的位置Z而言，如果以焦点X为0(零点)，将由焦点X开始在透镜3侧的位置标记为-(负)、在受光器5侧的位置标记为+(正)，则照射试样4的光量在Z＝0处最大，而在+方向或-方向上距离零点越远，光量越小。即，仅通过移动试样4的位置Z，就可以用受光器5测定因照射试样4的光量大小改变而导致的透过率变化。
以上述得到的SWNT薄膜(带石英基板)作为试样4，由焦点X附近的透过率增加来估计基于吸收饱和的吸光度减少。激光光源使用飞秒激光，测定波长调整为1.78μm，该值为用光学参数放大器(OpticalParametric Amplifier，OPA)测定的SWNT薄膜的吸收峰值。
测定结果的曲线图如图4所示。图4中，横轴表示试样的位置(Z)，纵轴表示以Z＝-25(mm)位置处的透过率为1时的标准化透过率(ΔT/T)。由于在Z＝0(焦点)附近可见透过率因吸收变化而增加，因此可知上述SWNT薄膜在红外区域的吸收带发生吸收饱和。
设上述SWNT薄膜的膜厚为100nm，由入射光强度推测非线性光学常数的结果约为10-6esu。该值在性能指数方面比作为目前主要的光开关元件用材料的半导体量子阱(QW)低1个数量级左右，对于能够由溶液分散状态简单地进行薄膜化的材料而言，是非常有应用前途的数值。另外，作为可以与SWNT同样简单地薄膜化、且具有高非线性的有机非线性光学材料已知的酞菁的非线性光学常数为10- 10～10-12esu。由此可以确认SWNT非常有希望成为红外区域内的可饱和吸收材料。
<本发明光学元件的实施方案>
下面，列举几个优选的实施方案来说明本发明的光学元件。
(1)光开关
与在上述<SWNT薄膜的可饱和吸收功能的验证>中说明的方法同样地在玻璃基板上形成SWNT薄膜，制造显示光开关功能的光学元件。吸收峰波长为1.78μm，吸光度为1.3。
使得到的光学元件作为透过率变化型光开关工作。该试验的概要如图5所示。在图5中，10为具有光开关功能的光学元件，在玻璃基板12的表面形成有SWNT薄膜11。控制光波长、信号光波长均设定为1.78μm，用作为受光器5的功率计测定有无控制光条件下的透光量变化。用OPA改变飞秒激光的波长，制成控制光、信号光。脉冲宽度为200fs，重复周期为1kHz。试验结果为在控制光的光强度为0.36mJ/cm2·pulse时，观测到透光量增加60％。由此确认SWNT薄膜11具有利用可饱和吸收的光开关的功能。因此，本实施方案的光学元件可以用作在1.2～2.0μm带内具有光开关功能的光学元件(光开关)。
(2)可饱和吸收镜
如图6所示，在玻璃基板12的表面上涂覆银(Ag)的镜面层14形成Ag涂层镜(光学元件)，在该Ag涂层镜的表面上，与在上述<SWNT薄膜的可饱和吸收功能的验证>中说明的方法同样地形成SWNT薄膜11，制成具有可饱和吸收镜功能的光学元件。
测定所得光学元件的反射光强度与照射光强度的依存性。结果为在波长1.78μm、脉冲宽度200fs的激光照射下，在照射光强度超过10μJ/cm2·pulse的附近开始观测到反射光强度增加，在照射光强度为300μJ/cm2·pulse的条件下，反射光强度约为照射光强度为10μJ/cm2·pulse时的2倍。由此确认表面形成了SWNT薄膜11的Ag涂层镜具有可饱和吸收镜的功能。因此，本实施方案的光学元件可以用作在1.2～2.0μm带内具有可饱和吸收镜功能的光学元件。
(3)波形整形器
如果利用具有可饱和吸收功能的SWNT薄膜，则能够形成具有缩短入射光脉冲时间宽度之类波形整形功能的光学元件。该光学元件的构成与上述“(1)光开关”基本相同。
图7示出用于说明将本发明的光学元件作为具有波形整形功能的波形整形器使用时的波形整形原理。在图7的曲线图中，横轴为时间，纵轴为入射光脉冲的光强度。从时间轴来看，本发明的光学元件在脉冲的前后端光强度弱的位置附近透过率低，在脉冲中央部光强度高的位置附近透过率增加。结果为透过SWNT薄膜的脉冲的前后端被截断(包括减少)，与原来的脉冲相比时间宽度变短。
用红外用OPA系统进行波形整形试验。作为该红外用OPA系统中的激光，能够使脉冲宽度4～6ns、频率10Hz的红外光发生振动。为了得到足够的峰值光强度，使波长1.78μm、3mW的输出光在SWNT薄膜上会聚成约50μm，进行测定。用光电探测器观测透过SWNT薄膜的光的时间宽度，结果观测到时间宽度与原来的脉冲宽度相比缩短30％左右。由此可以确认SWNT薄膜具有波形整形器的功能。因此，本实施方案的光学元件可以用作在1.2～2.0μm带内具有波形整形功能的光学元件。
(4)超解像光盘
将本发明的光学元件作为波形整形器利用时，实现了时间轴上脉冲宽度的缩短，利用同样的可饱和吸收功能，能够缩小空间的光束径。
图8为示出本发明光学元件的模式剖面图，该光学元件具有通过缩小空间的光束径来实现超解像的超解像光盘的功能。图8中，在由聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、聚烯烃树脂等塑料材料构成的基板21的一侧表面上形成槽23，其上(此处所称“上”并非重力方向的上，而是指层的层合方向。下同)设置由金、银、铝、铂、铜等金属或含有这些金属的合金等构成的反射层22，再在其上设置保护层24，形成光盘25，在该光盘的基板21侧表面(该面在以下称为“记录面”。需要说明的是在本发明中“记录面”是指照射光束的入射侧表面)上形成SWNT薄膜11。需要说明的是光盘25的层构成并不限定于图8所示的构成。
由于该激光具有高斯型光束图案，因此中央的光强度大于周边的光强度。从而，如果在光盘25的记录面上形成SWNT薄膜11，则由记录面侧照射激光时，利用SWNT薄膜11的可饱和吸收功能，能够仅透过照射光束中央的一部分的光。利用这一效果，能够在光盘25的记录面上形成小于光束会聚界限的点。具有该功能的光盘被称为超解像光盘。
与在上述<SWNT薄膜的可饱和吸收功能的验证>中说明的方法同样地形成了SWNT薄膜11的图8所示的光学元件(超解像光盘)可观测到缩小光束径的效果。激光照射中使用在上述波形整形试验中使用的红外用OPA系统。使波长1.78μm的输出光会聚在SWNT薄膜11的表面，用光束剖面测量仪进行观测，并与原来的会聚光束径进行比较。结果为从照射光强度超过1mW的位置附近开始出现光束图案变化，只是光束中央部的辉度选择性地增大了。最适条件(约3mW)下，可以使光束径以半径计与原来的光束径相比缩小至60％左右。因此，可以确认SWNT薄膜具有超解像光盘用材料的功能。从而，可以将本实施方案的光学元件用作具有超解像光盘功能的光学元件。
由此，根据利用SWNT薄膜的可饱和吸收功能的本发明的构成，能够任意制成可以利用外部控制光主动地控制信号光的光开关等能动性元件、及利用信号光本身被动地控制信号光的可饱和吸收镜等被动性元件。
以上，列举了4个利用SWNT薄膜的可饱和吸收功能的本发明光学元件的实施方案，并进行了说明，但是本发明并不限定于上述方案，还包括利用由SWNT薄膜的共振激发产生的可饱和吸收功能制成的全部光学元件在内。
如上所述，根据本发明能够提供一种通过将SWNT应用于光学元件中而在通信波长区域内可操作、且成本极低的高效率非线性光学元件及其制造方法。

Claims (19)

1、一种光学元件，其特征在于，所述光学元件具有单层碳纳米管层合而成的薄膜，且利用了其可饱和吸收功能。
2、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述薄膜形成在基板表面。
3、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述薄膜形成在光学材料表面或光学元件表面。
4、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述薄膜是使用将单层碳纳米管分散在分散介质中形成的分散液，通过喷涂该分散液而形成的薄膜。
5、如权利要求4所述的光学元件，其特征在于，所述分散介质为醇类。
6、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件利用所述单层碳纳米管在1.2～2.0μm带内的可饱和吸收功能。
7、如权利要求6所述的光学元件，其特征在于，所述单层碳纳米管的直径为1.0～1.6nm。
8、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件利用伴随所述薄膜的可饱和吸收的透过率变化，显示出光开关功能。
9、如权利要求8所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件在1.2～2.0μm带内具有光开关功能。
10、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述薄膜形成在镜面体表面，具有可饱和吸收镜的功能。
11、如权利要求10所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件在1.2～2.0μm带内具有可饱和吸收镜的功能。
12、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件具有波形整形的功能。
13、如权利要求12所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件在1.2～2.0μm带内具有波形整形的功能。
14、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述薄膜形成在光盘的记录面，具有超解像光盘的功能。
15、一种光学元件的制造方法，是具有单层碳纳米管层合而成的薄膜、且利用其可饱和吸收功能的光学元件的制造方法，其特征在于，使单层碳纳米管分散在分散介质中，调制成分散液，将该分散液喷涂在被涂物上形成薄膜。
16、如权利要求15所述的光学元件制造方法，其特征在于，所述被涂物为基板。
17、如权利要求15所述的光学元件制造方法，其特征在于，所述被涂物为光学材料或光学元件。
18、如权利要求15所述的光学元件制造方法，其特征在于，所述分散介质为醇类。
19、如权利要求15所述的光学元件制造方法，其特征在于，所述单层碳纳米管的直径为1.0～1.6nm。
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