JP2006287024A - 微小レーザー発振装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 透明媒体中に単分散微粒子を三次元的に規則配列させて含み、特定波長帯を反射するコロイド結晶膜を用い、その二枚のコロイド薄膜の間に発光層を配置することによって提供する。
【選択図】 図2
Description
することはできない。
用い、有機色素濃度を任意の濃度に設計することができ、しかも発振に要するエネルギー(閾値)が低く、散乱なく単一波長を発振でき、しかも熱的に安定なレーザー発振装置を提供しようというものである。
(2) 前記透明媒体が高分子から成る、請求項1記載のレーザー発振装置。
(3) 前記発光層が発光性有機色素、発光性導電高分子、あるいは発光性粒子を含んでいる、(1)記載のレーザー発振装置。
(4) 前記単分散微粒子が高分子、超分子その他の有機基材、シリカ、セラミックス、半導体その他の無機基材から成る群の何れか1種または2種以上からなる、(1)記載のレーザー発振装置。
(5) 前記単分散微粒子の大きさが、100から1000nmの範囲を特徴とする、(1)記載のレーザー発振装置。
(6) 前記特定反射波長帯が、紫外から近赤外波長の範囲に示すことを特徴とする、(1)記載のレーザー発振装置。
(7) 前記レーザー発振装置は、紫外から近赤外波長の範囲にレーザー発振を示す、(1)記載のレーザー発振装置。
(8) 前記レーザー発振が、前記コロイド結晶膜の反射波長帯中に現れることを特徴とする(1)記載のレーザー発振装置。
(9) 前記単分散微粒子を含む高分子が、柔軟性と膨潤性とを有するゲルである(1)記載のレーザー発振装置。
(10) 前記レーザー発振装置は、可撓性のある高分子からなり、切断あるいは曲げ加工を可能とする、(1)記載のレーザー発振装置。
に反射する。そのブラッグ反射波長は、次式に従う。
λ=2d/m(neff 2 − sin2θ)1/2
ここで、λは反射バンドの波長、dは反射面の面間隔、mはブラッグ反射の次数、neffは有効屈折率、θは入射角度をそれぞれ表す。このコロイド結晶と作製方法については、すでにこの出願前の学術文献(非特許文献12)にも発表され、公知である。
図3は、コロイド結晶を用いてレーザー光を得るための条件を示している。すなわち、
コロイド結晶薄膜の反射バンドが発光層の発光スペクトルと完全に重なっていることが必要であり、それにより、反射バンド内で発光が閉じ込められ、バンド内でレーザー発振光が誘起される。なお、コロイド結晶薄膜の反射バンドには、高次のブラッグ反射が存在するが、発光層の発光スペクトルとコロイド結晶の反射バンドが重なっていれば、いずれの反射バンドでも構わない。
図7は、本発明の実施例2で設計したレーザー発振装置2の反射スペクトル(破線)とレーザー発振光スペクトル(実線)の関係を示している。610nm近傍に単一波長の強いレーザー光を発振していることを示している。さらに、図8は、Nd:YAGレーザー光の励起エネルギーに対する本発明の実施例2で設計したレーザー発振装置2の発光の強度(○)とスペクトル線幅(●)との関係と変化を示す図である。
〔レーザー発振装置の作製〕
外部共振器の代わりに使用するコロイド結晶膜は、以下の手順によって作製した。
先ず、粒子径が揃ったCV値(Coefficient of Variation、すなわち、粒子径の均一さを示す、平均粒子径に対する標準偏差の割合)1.1%のポリスチレンの単分散粒子(202nm、Polyscience社製、以下PSと記載する)を含む水溶液サスペンションを用意した。初期濃度2.5重量%の粒子を超純水で2.5倍に希釈し、サスペンション液を調整した。次いで、親水化処理した基板上に上記PSサスペンション液を滴下した。この時、滴下量はサスペンションが基板全体を覆い、かつ液が基板からはみ出さない量とする。その後、シリコンオイル(東レ・ダウコーニング社製、SH200、10St)を滴下し、サスペンションの上面を被覆し、この状態で水を蒸発させた。この操作によってPS粒子は自己組織的に集積し、基板上にコロイド結晶が形成される。このシリコンオイルの作用は、PSサスペンション中の水の蒸発速度の抑制と蒸発領域の制御であり、これらは均質なコロイド結晶薄膜を形成する上で重要である。例えば、シリコンオイルでPSサスペンションを覆わずにコロイド結晶膜の作製実験を行うと、その液膜の厚みは基板外周部が薄く中央部分が厚くなるが、水の蒸発は外周部で最も速いため、中央付近の水がキャピラリー現象を経て外周部へ流動し、それと伴いPS粒子も移動する。結果的には基板外周にPS粒子が堆積してしまい、均質なコロイド結晶膜を得ることができなかった。したがって、シリコンオイルでPSサスペンションを覆って作製した均一なコロイド結晶膜は、そのPS粒子間のサスペンションの分散溶媒(水)が蒸発し、基板上に粒子が規則的かつ密に配列する。尚、ブラッグの式に基づく明瞭な反射バンドを示すのであれば、このコロイド結晶膜作製方法に固執することはない。次いで、ポリジメチルシリコン(PDMS)ゲルの前駆体ポリマー液(Dow Corning社製、SYLGARD184)を前記膜状コロイド結晶に流し込み、コロイド結晶を完全に覆った。室温で24時間かけて固定化させた後、さらに50℃で3時間、熱処理を行うことで、完全にゲル化させてコロイド結晶膜を得た。
次いで、上記のように作製した二枚のコロイド結晶膜の間隔を13μmになるようポリイミドフィルムで調整し、その隙間に、0.5重量%の割合で発光性有機色素(ローダミン640)を溶解したポリエチレングリコール(PEG、分子量:600)を封入し、図2に示すように2枚のコロイド結晶膜と発光層からなるレーザー発振装置を作製した。
上記のようにして作製されたレーザー発振装置の発光層に励起光を導入して、発光層を励起し、得られる発光のスペクトル測定を以下のようにして行った。
すなわち、図4に示すように、光励起用レーザーとして、上記Nd:YAGレーザーの第二高調波を使用し、この光励起用レーザーから、出力300nJ以下にて、パルス幅3〜4nsec、パルス周波数5Hz、波長532nmのレーザー光を出射した。次いで、光強度調整用素子(ソールラボ社製、グランレーザー直線偏光子およびNDフィルター)にて、光励起用レーザーから出射したレーザー光の強度を調整し、凸レンズを介して、上記のレーザー発振装置1の中に導入した。光励起用レーザーからのレーザー光は光デバイス1に約300μmで集光し、光デバイス1の基板法線に対して45度にて入射させた。そして、光デバイス1の法線方向の発光を二枚の凸レンズを介して分光器(Ocean Optics社製、USB2000)に集光し、発光スペクトルを測定した。
測定した結果を図6に示す。図中、破線は、反射スペクトルであり、実線は、レーザー発光スペクトルである。レーザー発振装置1の反射バンドは、コロイド結晶膜由来のブラッグ反射により600nmから630nmの間に現れた。Nd:YAGレーザーからの第二高調波(532nm)を用いて光デバイス1を励起すると、励起光エネルギーが100nJ/pulseのときにはローダミン640からの自然放射によって30nm程度の線幅の広い発光スペクトルが得られる。そして、励起光エネルギーが300nJ/pulse付近になると、図4の実線に示すような発光スペクトルの線幅が急激に狭くなり、ほぼ単一波長のレーザー発振光を得ることができた。このときのスペクトルの線幅は1nm以下であり、その発光強度も自然放射と比較して数千倍に増加し、高輝度で単色光の発光を得ることができた。しかしながら、このレーザー発振装置1は一昼夜放置した後、再実験すると、自然放射のみを発しレーザー発振光を観察することができなかった。
〔レーザー発振装置2の作製〕
実施例1で作製したと同じように二枚のコロイド結晶膜の間隔を13μmになるようポリイミドフィルムで調整した。このコロイド結晶膜の間に、発光性有機色素(ローダミン640)と光重合開始剤(2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−1−ブタノン(BDMB)をそれぞれ0.5重量%と1.0重量%の割合で溶解したポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEG−DA、分子量:575)を注入した。その後、直ちに365nmの紫外光を5分間照射することでコロイド結晶膜間の発光層を固定化し、レーザー発振装置2を作製した。
実施例1で使用した光学実験系と同じ装置を使い、発光特性を評価した。その結果を図
7に示す。図中、破線は、反射スペクトル、実線は、レーザー発光スペクトルを示している。レーザー発振装置2の反射バンドは、前記レーザー発振装置1と同様、コロイド結晶膜由来のブラッグ反射により600nmから630nmの間に現れた。Nd:YAGレーザーからの第二高調波(532nm)を用いてレーザー発振装置2を励起すると、励起光エネルギーが150nJ/pulseのときに図7の実線に示すようなレーザー発振光を得ることができた。前記レーザー発振装置1同様、スペクトルの線幅は1nm以下であり、高輝度で単色光の発光を誘起することができた。前述のように、レーザー発振装置1は一昼夜放置した後、レーザー発振光を得ることができなかったが、レーザー発振装置2は一週間以上放置後も安定にレーザー発振光を誘起できた。さらに、図8に、光励起エネルギーに対するレーザー発振装置2から得られたレーザー発振光の発光強度(○)と発光スペクトル線幅(●)の変化を示す。この図によると、150nJ/pulse付近の励起光エネルギーを閾値として、励起光強度の増加とともに発光強度が急激に増加し、それに伴って、発光スペクトル線幅も30nmから1nm以下へと急減していることを示している。図4に示す同一の光学系で測定した通常のレーザー発振器の閾値と比較して(非特許文献15)、本研究で得られた光励起エネルギーの閾値は一桁程度低い値であり、高効率でレーザー発振することを見出した。
Claims (10)
- 透明媒体中に単分散微粒子を三次元的に規則配列させて含み、特定波長帯を反射するコロイド結晶膜を用い、その二枚のコロイド薄膜の間に発光層を配置していることを特徴とするレーザー発振装置。
- 前記透明媒体が高分子から成る、請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記発光層が発光性有機色素、発光性導電高分子、あるいは発光性粒子を含んでいる、請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記単分散微粒子が高分子、超分子その他の有機基材、シリカ、セラミックス、半導体その他の無機基材から成る群の何れか1種または2種以上からなる、請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記単分散微粒子の大きさが、100から1000nmの範囲を特徴とする、請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記特定反射波長帯が、紫外から近赤外波長の範囲に示すことを特徴とする、請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記レーザー発振装置は、紫外から近赤外波長の範囲にレーザー発振を示す、請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記レーザー発振が、前記コロイド結晶膜の反射波長帯中に現れることを特徴とする請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記単分散微粒子を含む高分子が、柔軟性と膨潤性とを有するゲルである請求項1記載のレーザー発振装置。
- 前記レーザー発振装置は、可撓性のある高分子からなり、切断あるいは曲げ加工を可能とする、請求項1記載のレーザー発振装置。
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