JP2005136368A - レーザ発振素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のレーザ発振素子1は、コレステリック液晶を含むコレステリック液晶層2,3、コレステリック液晶層2,3間に設けられ、異方性媒質からなる欠陥層4を備えており、コレステリック液晶層2,3に含まれるコレステリック液晶のらせんの巻き方向が同一であり、コレステリック液晶層2、欠陥層4及びコレステリック液晶層3のうちの少なくともいずれかの層に、光励起により蛍光を発する色素が含まれており、コレステリック液晶層2、3における選択反射波長帯域と色素5から発せられる蛍光の発光帯とが少なくとも一部の波長領域において重なり合っていることを特徴とする。本発明のレーザ発振素子1によれば、レーザ発振を高効率で起こすことが可能となる。また、連続レーザ発振を起こすことも可能となる。
【選択図】 図1
Description
最近では、レーザ発振の低しきい値化のためには選択反射波長帯域の内側の波長でレーザ発振を起こさせるべきとの提案がなされたことから、このようなレーザ発振を起こさせるレーザ発振素子に関して種々の研究が行われるようになっている。このようなレーザ発振素子として、例えば色素を含む2つのコレステリック液晶フィルムを、方位角をずらした状態で重ね合わせるようにしたものが知られている(例えば非特許文献2参照)。
コップ(Kopp)、外4名、 「コレステリック液晶におけるフォトニックストップバンド端における低しきい値レージング(Low-threshold lasing at the edge of a photonic stop band in cholesteric liquid crystals)」、オプティクスレター(Optics Letter)、米国、1998年、第23巻、p.1707−1709 尾崎、外3名、「コレステリック液晶のストップバンド内における欠陥モードとレーザ発振」、電気材料技術雑誌、2002年、第11巻、第2号、p.165−167
図1は、本発明のレーザ発振素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。図1に示すように、レーザ発振素子1は、コレステリック液晶層(第1コレステリック液晶層)2と、コレステリック液晶層(第2コレステリック液晶層)3とを備えており、これらは互いに対向して配置されている。コレステリック液晶層2,3の間には欠陥層4が設けられている。
ネマチック液晶6は、ネマチック液晶相状態を呈することが可能なものであれば特に制限されず、高分子液晶又は低分子液晶のいずれであっても構わない。高分子液晶としては、各種の主鎖型高分子液晶物質、側鎖型高分子液晶物質、またはこれらの混合物を用いることができる。
(色素)
色素5は、光励起により蛍光を発することが可能で、遷移モーメントの異方性を有するものであれば特に制限されず、有機系色素または無機系色素のいずれであっても構わない。有機系色素としては、例えば、スチリル(Styryl)、キサンテン(Xanthene)、オキサジン(Oxazine), クマリン(Coumarine), スチルベン(Stilben)誘導体、オキサゾール(Oxazole)誘導体、オキサジアゾール(Oxadiazole)誘導体、p−オリゴフェニレン(Origophenylene)誘導体のほか、ジャーナル・オブ・ケミカル・ソサイアティ(Journal of Chemical Society)、2002年、第124号、p.9670に記載の化学構造式(R=EtH、R´=t−Buの場合)で表されるものなどが挙げられる。無機系色素としては、例えば硫化亜鉛、珪酸亜鉛、硫化亜鉛カドミウム、硫化カルシウム、硫化ストロンチウム、タングステン酸カルシウム、カナリーガラス、シアン化白金、アルカリ土類金属の硫化物、希土類化合物などが挙げられる。上記色素のうち有機系色素が特に好ましい。この場合、色素を溶媒に溶解することが可能で、特に液晶に溶解することで遷移モーメントを一定の方向に配向させ、特定方向からの入射光に対する吸収効率を高め、高効率の蛍光発光が得られるという利点がある。
コレステリック液晶層2,3を構成するコレステリック液晶は、色素5から発せられる蛍光の発光帯と少なくとも一部の波長領域において重なり合う選択反射波長帯域を有するものであり、且つコレステリック配向を固定化できる液晶物質から少なくとも構成される。
上記液晶物質としては、高分子液晶物質と低分子液晶物質があり、高分子液晶物質としては、各種の主鎖型高分子液晶物質、側鎖型高分子液晶物質、またはこれらの混合物を用いることができる。
これらのなかでも合成や配向の容易さなどから、主鎖型高分子液晶物質が好ましく、その中でもポリエステル系が特に好ましい。
配向基板7,8は、色素5の励起光及び蛍光に対して透明であり且つコレステリック液晶層2,3を支持することが可能なものであれば特に制限されず、配向基板7,8としては、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、トリアセチルセルロース、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のフィルム、又はこれらのフィルムの一軸延伸フィルム等が例示できる。これらのフィルムはその製造方法によっては改めて配向能を発現させるための処理を行わなくともコレステリック液晶層2、3に使用されるコレステリック液晶に対して十分な配向能を示すものもあるが、配向能が不十分、または配向能を示さない等の場合には、必要によりこれらのフィルムを適度な加熱下に延伸したり、フィルム面をレーヨン布等で一方向に擦るいわゆるラビング処理を行ったり、フィルム上にポリイミド、ポリビニルアルコール、シランカップリング剤等の公知の配向剤からなる配向膜を設けてラビング処理を行ったり、酸化珪素等の斜方蒸着処理を行ったり、あるいはこれらの処理を適宜組み合わせるなどして配向能を発現させたフィルムを用いても良い。また表面に規則的な微細溝を設けた各種ガラス板等も配向基板7,8として使用することができる。
上記レーザ発振素子1は、以下のようにして製造することができる。
また上記液晶溶液には、コレステリック液晶層2,3の耐熱性等を向上させるために、コレステリック液晶相の発現を妨げない程度のビスアジド化合物やグリシジルメタクリレート等の架橋剤等を添加し、後の工程で架橋することもできる。またアクリロイル基、ビニル基あるいはエポキシ基等の官能基を導入したビフェニル誘導体、フェニルベンゾエート誘導体、スチルベン誘導体などを基本骨格とした重合性官能基を予め液晶物質に導入しておきコレステリック相を発現させ架橋させてもよい。
次に、上記レーザ発振素子1の作用について説明する。
レーザ発振素子1においてレーザ発振を起こさせる場合、まず上記励起光を例えばコレステリック液晶層2に入射する。すると、励起光は、コレステリック液晶層2を透過して欠陥層4に入射され、色素5を励起して蛍光発光を起こさせ、レーザ発振を起こすことが可能となる。このとき、レーザ発振素子1は、レーザ発振を高効率で起こすことが可能となる。言い換えると、レーザ発振素子1は、その厚さが小さくても、十分に高強度のレーザ光を発振することが可能となる。
まず芳香族ポリエステルからなる高分子アキラルネマチック液晶と、芳香族ポリエステルからなる高分子キラルネマチック液晶との液晶混合物(新日本石油(株)製LCフィルム)を用い、これをクロロホルム中に溶解して高分子コレステリック液晶溶液を得た。ここで、液晶混合物中の高分子キラルネマチック液晶の混合比は93wt%とし、高分子コレステリック液晶溶液中の混合物の濃度は10wt%とした。
液晶混合物中のキラルネマチック混合比を92wt%とし、欠陥層の厚さのみを6μmに変化させることによりレーザ発振素子の厚さを9.6μmとした以外は実施例1と同様にしてレーザ発振素子を得た。
液晶混合物中のキラルネマチック混合比を87wt%とし、欠陥層の厚さのみを2μmに変化させることによりレーザ発振素子の厚さを5.6μmとした以外は実施例1と同様にしてレーザ発振素子を得た。
(実施例4)
レーザ発振素子の厚さを2μmとした以外は実施例1と同様にしてレーザ発振素子を得た。
2つのPSLCフィルムのうちの1つのPCLCフィルム、および欠陥層を除いた以外は実施例1と同様にしてレーザ発振素子を得た。
実施例1〜3で得られたレーザ発振素子について、蛍光スペクトル、反射スペクトル及びレーザ発振の測定を行った。結果を図2(a)〜(c)に示す。なお、図2(a)〜(c)において、破線が蛍光スペクトル、一点鎖線が反射スペクトル、実線がレーザ発振に対応する。
(1)単一コレステリック液晶フィルムのみからなるレーザ発振素子
(2)2つのコレステリック液晶フィルム間に等方性の欠陥層を設けたレーザ発振素子
(3)2つのコレステリック液晶フィルム間に異方性の欠陥層を設けたレーザ発振素子
ここで、シミュレーション条件は以下のように設定した。
(i)コレステリック液晶フィルム
ne=1.63、no=1.5
厚さ=1.35μm
らせんピッチ=510nm
(ii)異方性欠陥層
ne=1.66、no=1.5
厚さ=1.2μm
(iii)等方性欠陥層
ne=1.56、no=1.56
厚さ=1.2μm
シミュレーション実験の結果を図4に示す。なお、図4において、実線が(3)に、一点鎖線が(2)に、二点鎖線が(1)に対応する。
He-Cdレーザの出射口直後に回転型ニュートラルデンシティフィルタを設置し,レーザ発振素子への入射エネルギー(光量)を連続的に調整できるようにした。
Claims (1)
- コレステリック液晶を含む第1コレステリック液晶層と、
前記第1コレステリック液晶層に対向配置され、コレステリック液晶を含む第2コレステリック液晶層と、
前記第1コレステリック液晶層と第2コレステリック液晶層との間に設けられ、異方性媒質からなる欠陥層とを備えており、
前記第1コレステリック液晶層及び前記第2コレステリック液晶層に含まれるコレステリック液晶のらせんの巻き方向が同一であり、
前記第1コレステリック液晶層、前記欠陥層及び前記第2コレステリック液晶層のうちの少なくともいずれかの層に、光励起により蛍光を発する色素が含まれており、
前記第1コレステリック液晶層および前記第2コレステリック液晶層における選択反射波長帯域と前記色素から発せられる蛍光の発光帯とが少なくとも一部の波長領域において重なり合っている、
ことを特徴とするレーザ発振素子。
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