JP2007019447A - レーザ発振素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 レーザ発振に必要な励起エネルギー量を十分低減できるレーザ発振素子を提供すること。
【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層２、コレステリック液晶層２に対向するコレステリック液晶層３、コレステリック液晶層２、３間に設けられ、コレステリック液晶及び蛍光性色素を含むコレステリック液晶層４を備え、コレステリック液晶層２、３中のコレステリック液晶は、螺旋の掌性及びピッチが同一であり、色素から発せられる蛍光の発光帯と、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域の一部とが互いに重なり合っている。
【選択図】 図１
【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層２、コレステリック液晶層２に対向するコレステリック液晶層３、コレステリック液晶層２、３間に設けられ、コレステリック液晶及び蛍光性色素を含むコレステリック液晶層４を備え、コレステリック液晶層２、３中のコレステリック液晶は、螺旋の掌性及びピッチが同一であり、色素から発せられる蛍光の発光帯と、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域の一部とが互いに重なり合っている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、コレステリック液晶を用いたレーザ発振素子に関する。
コレステリック液晶は特定の波長の光を選択的に反射する性質を有しており、特に、コレステリック液晶の螺旋の巻きと同じ掌性の円偏光を選択的に反射し、逆の掌性の円偏光を透過させる。
このようなコレステリック液晶については、従来より、選択反射波長帯域のエッジ部分においてレーザ発振が起こることが報告されている（例えば非特許文献１参照）。
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）。
更に最近では、例えば２枚のコレステリック液晶フィルムを、それらの間に、色素を含むネマチック液晶を挟んで重ね合わせたものが知られている。（例えば非特許文献３参照）。
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-thresholdlasing at the edge of a photonicstop 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 ソン（Song）、他１３名、「高分子コレステリック液晶における欠陥モードレーザ発振に対する位相遅れの効果（Effect of phase retardation on defect modelasing in polymeric cholestericliquid crystals）」、アドバンスト マテリアルス（Advanced Materials）、ドイツ、2004年、第１６巻、第９−１０号、ｐ.７７９−７８３
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-thresholdlasing at the edge of a photonicstop 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 ソン（Song）、他１３名、「高分子コレステリック液晶における欠陥モードレーザ発振に対する位相遅れの効果（Effect of phase retardation on defect modelasing in polymeric cholestericliquid crystals）」、アドバンスト マテリアルス（Advanced Materials）、ドイツ、2004年、第１６巻、第９−１０号、ｐ.７７９−７８３
本発明者らは、前述した非特許文献２に記載のレーザ発振素子においては、選択反射帯域内の波長においてレーザ発振を起こさせることができるものの、ある程度のレーザ光強度を得るためにはレーザ発振素子の厚さを十分に大きくする必要があり、レーザ発振素子を小型化しながらレーザ発振を起こさせることができない、即ちレーザ発振を高い効率で起こさせることができないことを見出した。また、前述した非特許文献３に記載のレーザ発振素子においては、レーザ発振するのに必要な最低励起エネルギー量が未だ低いとは言えないため、レーザ素子内部での発熱量が大きく、素子を劣化させるため長時間の使用や連続（CW）発振に適しているとは言えないことを見出した。
そこで、本発明は、レーザ発振に必要な励起エネルギー量を十分に低減させることができるレーザ発振素子を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決するため、まず２つのコレステリック液晶層間に、欠陥層として、色素と、前記コレステリック液晶層と逆の掌性の螺旋構造を有するコレステリック液晶を含有するコレステリック液晶層を備えた系に着目した。但し、このような系においては、色素の励起光を入射すると、色素から発せられる蛍光は、色素に入射される励起光の掌性と同一になると考えられており、そのため、この蛍光は、欠陥層としてのコレステリック液晶層を挟む２つのコレステリック液晶層を透過し、レーザ発振が起こらないものと考えられていた。本発明者らは、かかる系においてレーザ発振を起こさせるべく鋭意検討を重ねた結果、以下の発明により上記課題を解決し得ることを見出した。
即ち本発明のレーザ発振素子は、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前記第２コレステリック液晶層との間に設けられ、コレステリック液晶及び、外部からの励起により蛍光を発する色素を含む第３コレステリック液晶層とを備えており、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中のコレステリック液晶は、コレステリック液晶の螺旋の掌性が同一であり、かつ、螺旋ピッチが同一であり、前記色素から発せられる蛍光の発光帯と、前記第１、第２コレステリック液晶層中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域の少なくとも一部とが互いに重なり合っていること、を特徴とする。
ステリック液晶層と、前記第１コレステリック液晶層と前記第２コレステリック液晶層との間に設けられ、コレステリック液晶及び、外部からの励起により蛍光を発する色素を含む第３コレステリック液晶層とを備えており、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中のコレステリック液晶は、コレステリック液晶の螺旋の掌性が同一であり、かつ、螺旋ピッチが同一であり、前記色素から発せられる蛍光の発光帯と、前記第１、第２コレステリック液晶層中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域の少なくとも一部とが互いに重なり合っていること、を特徴とする。
このレーザ発振素子においてレーザ発振を起こさせる場合、色素の励起光として、例えば第１および第２コレステリック液晶層における選択反射波長帯域より短い波長を有し且つ色素を励起することが可能な光が励起光として用いられる。本発明のレーザ発振素子によれば、この励起光が例えば第１コレステリック液晶層に入射される。すると、励起光は、第１コレステリック液晶層を透過して第３コレステリック液晶層に入射され、色素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、レーザ発振素子によれば、レーザ発振に必要な励起エネルギー量を十分に低減させることができる。言い換えると、本発明のレーザ発振素子によれば、励起光の入射エネルギーが十分に小さくてもレーザ発振を起こすことが可能となる。更に別の言い方をすれば、本発明のレーザ発振素子によれば、レーザ発振を高効率で起こさせることが可能となる。これによりレーザ発振素子の内部劣化が抑制され、長時間のレーザ発振や連続レーザ発振を起こすことも可能となり、小型化も可能となる。
本発明のレーザ発振素子において、レーザ発振が起こる理由は定かではないが、第１コレステリック液晶層、第２コレステリック液晶層および第３コレステリック液晶層それぞれ単層の光学的特徴の重ね合わせではなく、３層全体で１つのフォトニック結晶として作用するためと推察される。すなわち、コレステリック液晶層単層では選択反射帯域内にあるすべての波長の光の輻射が抑制される。ところが、本発明においては特定の波長に関しては輻射が許されるという特徴を持つ欠陥層を有するフォトニック結晶として作用することで、レーザ発振の閾値が著しく低減したためと考えられる。さらには、第１および第２コレステリック液晶層に挟まれた第３コレステリック層からのみ蛍光が発せられること、即ちフォトニック結晶の中心部でのみ発光があることによって、生じた光がフォトニック結晶内部に封じこめられ、レーザ発振の閾値が著しく低減したと考えられる。
上記レーザ発振素子において、第３コレステリック液晶層の選択反射帯域が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域に内包されていることが好ましい。この場合、第３コレステリック液晶層の選択反射帯域が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域に内包されていない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。この理由についても明らかではないが、第３コレステリック液層層の選択反射帯域が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域に内包されることで、レーザ発振素子が、欠陥層を有するフォトニック結晶としてより強く作用したためではないかと考えられる。
また、上記レーザ発振素子において、第３コレステリック液晶層の選択反射帯域の短波長端が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域の短波長端に対し、合致しているか、２０ｎｍ以内で長波長寄りにあることが好ましい。
この場合、第３コレステリック液晶層の選択反射帯域の短波長端が第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域の短波長端に対し２０ｎｍを超えて長波長寄りにあり、且つ第３コレステリック液晶層の選択反射帯域の長波長端が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域の長波長端に対して２０ｎｍを超えて短波長寄りにある場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
また上記レーザ発振素子において、第３コレステリック液晶層の選択反射帯域の長波長端が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域の長波長端に対して合致しているか、又は２０ｎｍ以内で短波長寄りにあることが好ましい。この場合、第３コレステリック液晶層の選択反射帯域の短波長端が第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域の短波長端に対し２０ｎｍを超えて長波長寄りにあり、且つ第３コレステリック液晶層の選択反射帯域の長波長端が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射帯域の長波長端に対して２０ｎｍを超えて短波長寄りにある場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
さらに、上記レーザ発振素子においては、第３コレステリック液晶層に含まれる色素が有機系色素であることが好ましい。
この場合、色素が無機系色素である場合に比べて、液晶に対する溶解性に優れ、液晶の配向を損なわないという利点が得られる。
上記レーザ発振素子においては、前記第３コレステリック液晶層に含まれる前記コレステリック液晶が、高分子液晶物質であることが好ましい。
この場合、第３コレステリック液晶層における熱揺らぎが抑制されるため、前記第３コレステリック液晶層に含まれる前記コレステリック液晶が、高分子液晶物質でない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
上記レーザ発振素子においては、前記色素が、前記第３コレステリック液晶層の厚さ方向に沿って、前記コレステリック液晶の配向に従って配向していることが好ましい。
この場合、前記色素が、前記第３コレステリック液晶層中の前記コレステリック液晶の配列方向に沿って配向していない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
上記レーザ発振素子においては、前記第３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及び前記第２コレステリック液晶層のそれぞれの界面において、コレステリック液晶の遷移モーメントの方向が一致していることが好ましい。
この場合、界面におけるコレステリック液晶の遷移モーメントの方向が一致していない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
なお、本発明では、コレステリック液晶の透過スペクトルをマイクロスコープスペクトルメータ（ORC製TFM-120AFT-PC）により測定して得られたスペクトルにおいて、選択反射帯域で透過率が６０％となる２ヶ所の波長のうち短波長側の波長を「選択反射帯域の短波長端」とし、長波長側の波長を「選択反射帯域の長波長端」とする。
更に、本発明において、第１コレステリック液晶層中のコレステリック液晶の螺旋ピッチが第２コレステリック液晶層中のコレステリック液晶の螺旋ピッチの±１０％以内である場合も、第１コレステリック液晶層及び第２コレステリック液晶層中のコレステリック液晶の螺旋ピッチが同一であるものとする。
更に、本発明において、「第３コレステリック液晶層の選択反射帯域が、第１および第２コレステリック液晶層の選択反射波長帯域に内包されている」とは、第３コレステリック液晶層中のコレステリック液晶における選択反射帯域の短波長端が、第１コレステリック液晶層中のコレステリック液晶における選択反射帯域の短波長端と合致しているか又はそれより長波長寄りにあり、且つ、第３コレステリック液晶層中のコレステリック液晶における選択反射帯域の長波長端が、第１コレステリック液晶層中のコレステリック液晶における選択反射帯域の長波長端と合致しているか又はそれより短波長寄りにあることを言う。
本発明のレーザ発振素子によれば、色素及びコレステリック液晶を含む第３のコレステリック液晶層が、螺旋ピッチが同一のコレステリック液晶を含む第１コレステリック液晶層および第２コレステリック液晶層の間に欠陥層として狭持されることで、レーザ発振に必要な励起エネルギー量を十分に低減させることが可能となる。これによりレーザ発振素子の内部劣化が抑制され、長時間のレーザ発振や連続レーザ発振を起こすことが可能となり、小型化も可能となる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（レーザ発振素子）
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を含む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を含む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の間には色素及びコレステリック液晶を含有するコレステリック液晶層（第３コレステリック液晶層）４が欠陥層として設けられている。
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を含む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を含む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の間には色素及びコレステリック液晶を含有するコレステリック液晶層（第３コレステリック液晶層）４が欠陥層として設けられている。
ここで、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶の螺旋は同一の掌性を有しており、且つ同一の螺旋ピッチを有している。またコレステリック液晶層４中のコレステリック液晶については、その螺旋の掌性は、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶と逆になっている。また色素から発せられる蛍光の発光帯と、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域の少なくとも一部とが互いに重なり合っている。
なお、コレステリック液晶層２上にはコレステリック液晶層（第３コレステリック液晶層）４の反対側に、透明な配向基板７が設けられ、コレステリック液晶層３上にはコレステリック液晶層（第３コレステリック液晶層）４の反対側に、透明な配向基板８が設けられている。
このレーザ発振素子１においてレーザ発振を起こさせる場合、色素の励起光として、例えばコレステリック液晶層２，３における選択反射波長帯域より短い波長を有し且つ色素を励起することが可能な光が励起光として用いられる。レーザ発振素子１によれば、この励起光が例えばコレステリック液晶層２に入射される。すると、励起光は、コレステリック液晶層２を透過してコレステリック液晶層４に入射され、色素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によれば、レーザ発振に必要な励起エネルギー量を十分に低減させることができる。言い換えると、レーザ発振素子１によれば、励起光の入射エネルギーが十分に小さくてもレーザ発振を起こすことが可能となる。更に別の言い方をすると、レーザ発振素子１によれば、レーザ発振を高効率で起こさせることが可能となる。これによりレーザ発振素子１の内部劣化が抑制され、長時間のレーザ発振や連続レーザ発振を起こすことも可能となる。
ここで、レーザ発振が起こる理由は定かではないが、第１コレステリック液晶層、第２コレステリック液晶層および第３コレステリック液晶層それぞれ単層の光学的特徴の重ね合わせではなく、３層全体で１つのフォトニック結晶として作用するためと推察される。すなわち、コレステリック液晶層単層では選択反射帯域内にあるすべての波長の光の輻射が抑制される。ところが、本構成においては特定の波長に関しては輻射が許されるという特徴を持つ欠陥層を有するフォトニック結晶として作用することで、レーザ発振の閾値が著しく低減したためと考えられる。またレーザ発振が高効率で起こるのは、選択反射帯域がコレステリック液晶層２，３の選択反射帯域に内包され、蛍光を発するコレステリック液晶層４を、螺旋の掌性が互いに同一の２つのコレステリック液晶層２、３で挟み込むことで新たな欠陥モードが生じるため、欠陥準位に相当する波長に蛍光が集中的に生じることに起因すると本発明者らは考える。
コレステリック液晶層２中のコレステリック液晶においては、液晶分子により螺旋構造が形成されている。具体的には、液晶分子のダイレクタの向きがコレステリック液晶層２の厚さ方向に沿って、言い換えると、コレステリック液晶層２の表面に直交する方向に沿って、螺旋を巻くように変化している。コレステリック液晶は、この螺旋構造に起因して特定波長帯域の光を選択的に反射することが可能となっている。コレステリック液晶の螺旋の掌性は左であっても右であってもよいが、本実施形態では、コレステリック液晶の螺旋の掌性は左となっている、すなわち、コレステリック液晶の螺旋は左巻きであるものとする。
コレステリック液晶層３中のコレステリック液晶は、コレステリック液晶層２に対し螺旋の掌性が同一で且つ螺旋ピッチが同一であればいかなるものであってもよいが、通常はコレステリック液晶層３中のコレステリック液晶として、コレステリック液晶層２のコレステリック液晶と同一のコレステリック液晶が用いられる。これより、コレステリック液晶層２およびコレステリック液晶層３に光が入射されると、入射光に含まれる成分のうち、コレステリック液晶層２，３における螺旋の掌性と同一の掌性の円偏光が螺旋による周期構造に起因して選択的に反射される。
コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶は、コレステリック液晶層２、３に対し螺旋の掌性が逆であればいかなるものであってもよい。本実施形態では、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶の螺旋の掌性が左とされているので、コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶の螺旋の掌性は右となる。
但し、コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶の選択反射の帯域幅は、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶における選択反射の帯域幅よりも小さいことが、欠陥モードの導入という観点から好ましい。具体的には、コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶の選択反射の帯域幅は、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶における選択反射の帯域幅よりも小さければ特に限定されないが、９５％以下であることが、コレステリック液晶層作製時の選択反射帯域の制御性の点から好ましい。
（コレステリック液晶）
次に、コレステリック液晶層２、３、４を構成するコレステリック液晶について詳細に説明する。
次に、コレステリック液晶層２、３、４を構成するコレステリック液晶について詳細に説明する。
コレステリック液晶層（第３コレステリック液晶層）４中のコレステリック液晶は、コレステリック液晶層２，３中のコレステリック液晶の螺旋の掌性と逆の掌性を有するものであればいかなるものであってもよい。
但し、コレステリック液晶層４の選択反射帯域は、コレステリック液晶層２，３の選択反射帯域に内包されていることが好ましい。この場合、コレステリック液晶層４の選択反射帯域が、コレステリック液晶層２，３の選択反射帯域に内包されていない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
また、コレステリック液晶層４の選択反射帯域の短波長端は、コレステリック液晶層２，３の選択反射帯域の短波長端に対し、合致しているか、２０ｎｍ以内で長波長寄りにあることが好ましい。
この場合、コレステリック液晶層４の選択反射帯域の短波長端がコレステリック液晶層２，３の選択反射帯域の短波長端に対し２０ｎｍを超えて長波長寄りにあり、且つコレステリック液晶層４の選択反射帯域の長波長端が、コレステリック液晶層２，３の選択反射帯域の長波長端に対して２０ｎｍを超えて短波長寄りにある場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
またコレステリック液晶層４の選択反射帯域の長波長端は、コレステリック液晶層２，３の選択反射帯域の長波長端に対して合致しているか、又は２０ｎｍ以内で短波長寄りにあることが好ましい。この場合、コレステリック液晶層４の選択反射帯域の短波長端がコレステリック液晶層２，３の選択反射帯域の短波長端に対し２０ｎｍを超えて長波長寄りにあり、且つコレステリック液晶層４の選択反射帯域の長波長端が、コレステリック液晶層２，３の選択反射帯域の長波長端に対して２０ｎｍを超えて短波長寄りにある場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
上記レーザ発振素子１においては、コレステリック液晶層４と、コレステリック液晶層２，３のそれぞれの界面において、コレステリック液晶の遷移モーメントの方向が一致していることが好ましい。
この場合、界面におけるコレステリック液晶の遷移モーメントの方向が一致していない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
上記コレステリック液晶は、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。
主鎖型高分子液晶物質としては、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリカーボネート系、ポリイミド系、ポリウレタン系、ポリベンズイミダゾール系、ポリベンズオキサゾール系、ポリベンズチアゾール系、ポリアゾメチン系、ポリエステルアミド系、ポリエステルカーボネート系、ポリエステルイミド系等の高分子液晶物質、またはこれらの混合物等が挙げられる。
また、側鎖型高分子液晶物質としては、ポリアクリレート系、ポリメタクリレート系、ポリビニル系、ポリシロキサン系、ポリエーテル系、ポリマロネート系、ポリエステル系等の直鎖状または環状構造の骨格鎖を有する物質に側鎖としてメソゲン基が結合した高分子液晶物質、またはこれらの混合物が挙げられる。
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。
ポリマーの構成単位としては、例えば芳香族あるいは脂肪族ジオール単位、芳香族あるいは脂肪族ジカルボン酸単位、芳香族あるいは脂肪族ヒドロキシカルボン酸単位を好適な例として挙げられる。
また低分子液晶物質としては、飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、不飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、ビフェニルカルボン酸誘導体類、芳香族オキシカルボン酸誘導体類、シッフ塩基誘導体類、ビスアゾメチン化合物誘導体類、アゾ化合物誘導体類、アゾキシ化合物誘導体類、シクロヘキサンエステル化合物誘導体類、ステロール化合物誘導体類などの末端に反応性官能基を導入した液晶性を示す化合物や、前記化合物誘導体類のなかで液晶性を示す化合物に架橋性化合物を添加した組成物などが挙げられる。
コレステリック液晶層２、３を形成する方法としては、公知の方法を用いることができる。コレステリック液晶層２、３は、透明基板上に配向膜を形成し、配向膜にラビング処理を施した後、前記コレステリック液晶を必須成分とする液晶材料を塗布し、熱処理することによって得ることができる。
コレステリック液晶層４を形成する方法としては、公知の方法を用いることができる。コレステリック液晶層４は、コレステリック液晶層２、３の間に例えば１μｍから１０００μｍ程度のスペーサーを狭持し、この空間に低分子液晶物質を毛細管現象を利用して注入することによって得ることができる。この際、スペーサーには、例えばガラスビーズ、シリカビーズ、もしくはポリスチレン、アクリル樹脂のようなプラスチック製ビーズを用いることができ、また、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を用いることができる。
さらにコレステリック液晶層４は、コレステリック液晶２もしくはコレステリック液晶層３の上に上記コレステリック液晶を必須成分とする液晶材料を塗布し、熱処理することによって得ることもできる。
なお、コレステリック液晶層４に含まれるコレステリック液晶は、低分子液晶物質に限られるものではなく、高分子液晶物質であってもよい。この場合、コレステリック液晶層４における熱揺らぎが抑制されるため、コレステリック液晶層４に含まれるコレステリック液晶が、高分子液晶物質でない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
コレステリック液晶が高分子液晶物質である場合、コレステリック液晶層４は、例えばコレステリック液晶を溶解することが可能な溶媒中に当該コレステリック液晶を溶解させて高分子溶液を準備し、これをコレステリック液晶層２又はコレステリック液晶層３の表面上に塗布し溶媒を除去することによって得ることができる。
（色素）
次に、コレステリック液晶層４中に含まれる色素について詳細に説明する。
次に、コレステリック液晶層４中に含まれる色素について詳細に説明する。
色素は、光励起により蛍光を発することが可能であればいかなるもであってもよく、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）誘導体が挙げられる。また、下記化学構造式：
（上記式中、Ｒ１がＯ（ＣＨ２）１２Ｈである場合は、Ｒ２はＨ又はｔ−Ｂｕを表し、Ｒ１がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３である場合は、Ｒ２は水素又はｔ−Ｂｕを表し、ｍは１以上の整数を表す。）
（上記式中、Ｒ３がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３である場合は、Ｒ４はＨ又はｔ−Ｂｕを表し、ｎは１以上の整数を表す。）
で表される化合物なども用いることができる。これらの化合物の分子量は特に規定されないが、５万以下であることが好ましい。分子量が５万以上の場合は粘性が高くなり配向性が悪化するため好ましくない。
（上記式中、Ｒ１がＯ（ＣＨ２）１２Ｈである場合は、Ｒ２はＨ又はｔ−Ｂｕを表し、Ｒ１がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３である場合は、Ｒ２は水素又はｔ−Ｂｕを表し、ｍは１以上の整数を表す。）
（上記式中、Ｒ３がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３である場合は、Ｒ４はＨ又はｔ−Ｂｕを表し、ｎは１以上の整数を表す。）
で表される化合物なども用いることができる。これらの化合物の分子量は特に規定されないが、５万以下であることが好ましい。分子量が５万以上の場合は粘性が高くなり配向性が悪化するため好ましくない。
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、液晶への溶解性に優れ、液晶の配向性を阻害しにくいという利点がある。このうち特に好ましいのは、下記構造式
（上記式中、Ｒ１がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３を表し、Ｒ２はｔ−Ｂｕを表し、ｍは１以上の整数を表す）
で表される有機系色素である。この有機系色素を用いると、他の有機系色素に比べて、より励起エネルギー量を低減できる。
（上記式中、Ｒ１がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３を表し、Ｒ２はｔ−Ｂｕを表し、ｍは１以上の整数を表す）
で表される有機系色素である。この有機系色素を用いると、他の有機系色素に比べて、より励起エネルギー量を低減できる。
また、レーザ発振素子１においては、色素が、コレステリック液晶層４の厚さ方向に沿って、コレステリック液晶の配向に従って配向していることが好ましい。即ち、色素は、コレステリック液晶層４の厚さ方向に沿って、コレステリック液晶と同様に螺旋状に配向していることが好ましい。ここで、色素の螺旋のピッチは、コレステリック液晶の螺旋ピッチと同一である。この場合、色素が、コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶の配列方向に沿って配向していない場合に比べて、レーザ発振に必要な励起エネルギー量をより十分に低減させることができる。
なお、十分な光強度のレーザ発振を起こす観点からは、コレステリック液晶の選択反射波長帯域内に色素の蛍光発光帯が含まれることが好ましい。
（配向基板）
配向基板７，８は、色素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もしくは二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。
配向基板７，８は、色素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もしくは二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。
配向基板７、８としては、好ましくは、透明基板９，１０上に、ラビング処理した配向膜としてのポリイミドフィルム１１、１２を形成したものが用いられる。
（レーザ発振素子の製造方法）
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。
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。
まず透明な配向基板７、８を用意する。配向基板７、８としては、例えばラビング処理した配向膜が形成されたガラス基板が用いられる。
次に、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を溶媒と混合して所定濃度の液晶溶液を調製し、この液晶溶液を配向基板７，８の配向膜上に塗布する。これにより、コレステリック液晶が配向する。このとき、必要なら熱処理などによりコレステリック液晶の配向を形成する。熱処理は液晶相発現温度範囲に加熱することにより、該液晶物質が本来有する自己配向能により液晶を配向させるものである。熱処理の条件としては、用いる液晶物質の液晶相挙動温度（転移温度）により最適条件や限界値が異なるため一概には言えないが、通常１０〜３００℃、好ましくは３０〜２５０℃の範囲である。あまり低温では、液晶の配向が十分に進行しないおそれがあり、また高温では、液晶物質が分解したり配向基板に悪影響を与えるおそれがある。また、熱処理時間については、通常３秒〜６０分、好ましくは１０秒〜３０分の範囲である。３秒よりも短い熱処理時間では、液晶の配向が十分に完成しないおそれがあり、また６０分を超える熱処理時間では、生産性が極端に悪くなるため、どちらの場合も好ましくない。
上記液晶溶液を構成する溶媒は、用いるコレステリック液晶の種類により異なるが、通常トルエン、キシレン、ブチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン等の炭化水素系、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル系、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、乳酸エチル、γ−ブチロラクトン等のエステル系、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド系、ジクロロメタン、四塩化炭素、テトラクロロエタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素系、ブチルアルコール、トリエチレングリコール、ジアセトンアルコール、ヘキシレングリコール等のアルコール系等が挙げられる。これらの溶媒は必要により適宜混合して使用してもよい。また、溶液の濃度は用いられるコレステリック液晶の分子量や溶解性、さらに最終的に目的とするコレステリック液晶層２、３の厚み等により異なるため一概には決定できないが、通常は１〜６０重量％、好ましくは３〜４０重量％である。
また上記液晶溶液には、塗布を容易にするために界面活性剤を加えても良く、この界面活性剤としては、例えばイミダゾリン、第四級アンモニウム塩、アルキルアミンオキサイド、ポリアミン誘導体等の陽イオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物、第一級あるいは第二級アルコールエトキシレート、アルキルフェノールエトキシレート、ポリエチレングリコール及びそのエステル、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸アミン類、アルキル置換芳香族スルホン酸塩、アルキルリン酸塩、脂肪族あるいは芳香族スルホン酸ホルマリン縮合物等の陰イオン系界面活性剤、ラウリルアミドプロピルベタイン、ラウリルアミノ酢酸ベタイン等の両性系界面活性剤、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル類、ポリオキシエチレンアルキルアミン等の非イオン系界面活性剤、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、パーフルオロアルキルカルボン酸塩、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキルトリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル基及び親水性基を含有するオリゴマー、パーフルオロアルキル及び親油基を含有するオリゴマー、パーフルオロアルキル基含有ウレタン等のフッ素系界面活性剤などが挙げられる。
界面活性剤の添加量は、界面活性剤の種類や溶剤、あるいは塗布する配向基板７，８の配向膜にもよるが、通常、コレステリック液晶の重量に対する比率にして１０ｐｐｍ〜１０％、好ましくは５０ｐｐｍ〜５％、さらに好ましくは０．０１％〜１％の範囲である。
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。
液晶溶液の塗布方法は、塗膜の均一性が確保される方法であれば、特に限定されることはなく公知の方法を採用することができる。例えば、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、カーテンコート法、スピンコート法などを挙げることができる。塗布の後に、ヒーターや温風吹きつけなどの方法による溶媒除去（乾燥）工程を入れても良い。塗布された膜の乾燥状態における膜厚は、通常０．２〜３０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍ、さらに好ましくは０．７〜３μｍである。膜厚が０．２μｍよりも薄い場合は、コレステリック液晶の螺旋構造の巻き数が十分でなく選択反射などの光学性能が不十分であり、膜厚が３０μｍよりも厚い場合は、コレステリック液晶の配向が不十分になるおそれがある。
コレステリック液晶の配向を形成させた後は、配向の固定化を行う。この場合、コレステリック液晶の配向が熱処理などにより完成したのち、そのままの状態で配向基板７，８上のコレステリック液晶を、使用した液晶に適した手段を用いて固定化する。このような手段としては、例えば急冷によるガラス固定化、熱、紫外線、電子線などのエネルギー照射による架橋化などが挙げられる。
次に、コレステリック液晶層２、３が互いに内側を向くように、配向基板７，８同士をスペーサ（図示せず）を介して接続する。
そして、コレステリック液晶４と色素とを溶媒中に混合した溶液を調製し、この溶液を毛細管現象を利用して配向基板７，８間のスペースに封入した後、この溶液を加熱して溶媒を除去する。これによりコレステリック液晶層２、３間に欠陥層として機能する色素を含有したコレステリック液晶４が得られる。以上のようにしてレーザ発振素子１が得られる。
なお、上記製造方法では、コレステリック液晶層２、３同士を、スペーサを介して接続し、溶液を封入した後、溶媒を除去することにより、コレステリック液晶を配向させてコレステリック液晶層２、３間にコレステリック液晶４を形成しているが、色素およびコレステリック液晶層４の配向が固定化されている場合、すなわちコレステリック液晶層４が高分子フィルムからなる場合には、コレステリック液晶層２、コレステリック液晶層４およびコレステリック液晶層３を、ホットラミネータなどを用いた熱融着もしくは接着剤などを用いて相互に積層すればよい。
なお、本発明のレーザ発振素子は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、コレステリック液晶層２、３のコレステリック液晶の螺旋の掌性が左とされているが、コレステリック液晶層２、３のコレステリック液晶の螺旋の掌性が同一であれば、右であってもよい。これに対し、コレステリック液晶層４のコレステリック液晶の螺旋の掌性は、コレステリック液晶層２、３のコレステリック液晶の掌性と逆であるとしていることから、コレステリック液晶層２、３のコレステリック液晶の螺旋の掌性が左の場合は、コレステリック液晶層４のコレステリック液晶の螺旋の掌性は右となる。また、コレステリック液晶層２、３のコレステリック液晶の螺旋の掌性が右の場合は、コレステリック液晶層４のコレステリック液晶の螺旋の掌性は左となる。
また上記実施形態では、コレステリック液晶層４のらせんの掌性がコレステリック液晶層２，３におけるらせんの掌性とは逆となっているが、同一であってもよい。この場合でも、レーザ発振素子１と同様、レーザ発振に必要なエネルギー量を十分に低減させることが可能となる。これにより、レーザ発振素子の内部劣化が抑制され、長時間のレーザ発振や連続レーザ発振を起こすことが可能となり、小型化も可能となる。
また上記実施形態では、コレステリック液晶層４のらせんの掌性がコレステリック液晶層２，３におけるらせんの掌性とは逆となっているが、同一であってもよい。この場合でも、レーザ発振素子１と同様、レーザ発振に必要なエネルギー量を十分に低減させることが可能となる。これにより、レーザ発振素子の内部劣化が抑制され、長時間のレーザ発振や連続レーザ発振を起こすことが可能となり、小型化も可能となる。
また上記実施形態では、コレステリック液晶層４の中に色素が含まれているが、色素はコレステリック液晶層４中に含まれていれば、コレステリック液晶層２、コレステリック液晶層３中に更に含まれていてもよい。
次に、実施例を用いて、本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
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。
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。
この高分子コレステリック液晶溶液を、一方向にラビング処理したポリイミド配向膜（ＪＳＲ（株）製１２５４）を持つガラス基板上にスピンキャストした後、コレステリック液晶溶液に対し１８０℃に加熱して２分間硬化処理した。こうして、ガラス基板上に、良好に配向した厚さ約２μｍの高分子コレステリック液晶（ＰＣＬＣ）フィルム２，３を形成した。即ち配向基板７，８上にＰＣＬＣフィルム２，３を得た。このとき、ＰＣＬＣフィルムの螺旋軸はガラス基板の表面に垂直であった。また２つのＰＣＬＣフィルムのそれぞれについて透過スペクトルを測定し、選択反射波長帯域において短波長端及び長波長端を算出した。そして、その算術平均により、ＰＣＬＣフィルムの選択反射の中心波長を決定した。その結果、選択反射の中心波長はいずれのＰＣＬＣフィルムについても４８３ｎｍであった。また選択反射波長帯域が２つのＰＣＬＣフィルムで同一であり且つＰＣＬＣフィルムが同一材料で形成されるため、螺旋ピッチが同一であることが分かった。また、透過スペクトルの測定において、入射光を右円偏光にしたところ、選択反射波長帯域が観測されず、透過率が高くなったことから、ＰＣＬＣフィルムの螺旋の掌性は左螺旋であることが分かった。
次に、上記のようにして得られた２つの配向基板７，８を、ＰＣＬＣフィルム２，３が内側に配置されるように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる厚さ１２．５μｍのスペーサを介して接続した。
一方、市販のコレステリック液晶（CＬＣ）の低分子混合物（Ｍｅｒｃｋ社製ＺＬI２２９３と、Ｍｅｒｃｋ社製ＭＬＣ６２４７との混合物）と、下記化学構造式：
（上記式中、Ｒ１がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３を表し、Ｒ２はｔ−Ｂｕを表し、ｍは１以上の整数を表す）
で表される蛍光性高分子色素であって重量平均分子量が８１００で、重量平均分子量Ｍｗ／数平均分子量Ｍｎが２であるものとの混合物をクロロフォルム中に混合することで、色素ドープCＬＣ溶液を調製した。このとき、低分子混合物中の低分子液晶であるＭｅｒｃ
ｋ社製ＭＬＣ６２４７の含有率は、２７．９ｗｔ％となるようにした。
（上記式中、Ｒ１がＣＨ２ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３を表し、Ｒ２はｔ−Ｂｕを表し、ｍは１以上の整数を表す）
で表される蛍光性高分子色素であって重量平均分子量が８１００で、重量平均分子量Ｍｗ／数平均分子量Ｍｎが２であるものとの混合物をクロロフォルム中に混合することで、色素ドープCＬＣ溶液を調製した。このとき、低分子混合物中の低分子液晶であるＭｅｒｃ
ｋ社製ＭＬＣ６２４７の含有率は、２７．９ｗｔ％となるようにした。
その後、色素ドープＣＬＣ溶液を、毛細管現象を利用してＰＣＬＣフィルム２，３間のスペースに導入し、７０℃でクロロフォルムを蒸発させ、欠陥層としてのコレステリック液晶層４を形成した。
こうして得たサンプルの透過スペクトルを測定したところ、色素ドープＣＬＣ溶液の導入前に比べ、右円偏光入射に対する透過率が低くなったことから、色素ドープＣＬＣの螺旋の掌性は右螺旋であることが分かった。従って、ＰＣＬＣフィルム２，３における螺旋の掌性とは逆であることが確認された。
こうして得たサンプルの透過スペクトルを測定したところ、色素ドープＣＬＣ溶液の導入前に比べ、右円偏光入射に対する透過率が低くなったことから、色素ドープＣＬＣの螺旋の掌性は右螺旋であることが分かった。従って、ＰＣＬＣフィルム２，３における螺旋の掌性とは逆であることが確認された。
以上のようにして厚さ１６．５μｍのレーザ発振素子を得た（図２参照）。
（比較例１）
一方のＰＣＬＣフィルム３のみを除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図３参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１４．５μｍであった。
一方のＰＣＬＣフィルム３のみを除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図３参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１４．５μｍであった。
（比較例２）
ＰＣＬＣフィルム２，３を除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図４参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１２．５μｍであった。
ＰＣＬＣフィルム２，３を除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図４参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１２．５μｍであった。
（蛍光スペクトル、反射スペクトル及びレーザ発振スペクトルの測定）
実施例１および比較例１、２で得られたレーザ発振素子について、蛍光スペクトル、透過スペクトル及びレーザ発振スペクトルの測定を行った。結果を図５〜７に示す。なお、図５〜７のそれぞれにおいて、破線が蛍光スペクトル、一点鎖線が透過スペクトル、実線がレーザ発振スペクトルに対応する。なお、蛍光スペクトル、レーザ発振スペクトルの強度は図５〜７のグラフにおいて、左側の縦軸で表され、透過スペクトルは、図５〜７のグラフにおいて、右側の縦軸で表される。但し、図５〜７においては、透過スペクトルはトランスミッタンスで表してある。
実施例１および比較例１、２で得られたレーザ発振素子について、蛍光スペクトル、透過スペクトル及びレーザ発振スペクトルの測定を行った。結果を図５〜７に示す。なお、図５〜７のそれぞれにおいて、破線が蛍光スペクトル、一点鎖線が透過スペクトル、実線がレーザ発振スペクトルに対応する。なお、蛍光スペクトル、レーザ発振スペクトルの強度は図５〜７のグラフにおいて、左側の縦軸で表され、透過スペクトルは、図５〜７のグラフにおいて、右側の縦軸で表される。但し、図５〜７においては、透過スペクトルはトランスミッタンスで表してある。
蛍光スペクトル及びレーザ発振スペクトルの測定においては特に、励起光として、オプティカルパラメトリック発振器（Optical Parametric Oscillator: ＯＰＯ）から出射さ
れる４３５ｎｍパルスレーザビームを使用した。なお、ＯＰＯの励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから出射される第三高調波を使用した。
れる４３５ｎｍパルスレーザビームを使用した。なお、ＯＰＯの励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから出射される第三高調波を使用した。
また励起光は、レーザ発振素子のガラス基板表面に対して斜め（約３０°）に入射した。より具体的に述べると、励起光の偏光の方向がガラス基板に形成した配向膜に対するラビング方向と一致するように励起光をガラス基板に入射した。実施例１、比較例１、比較例２のそれぞれにおいて、励起光のエネルギーはそれぞれ２７０ｎＪ、３００ｎＪ、３００ｎＪとした。レーザ光のレーザ発振素子からの発光は、ガラス基板の正面、すなわちガラス基板の表面に対する法線上に配置されたレンズによって、マルチチャンネルスペクトロメータ（オーシャンオプティックス社製ＵＳＢ２０００）で検出した。
透過スペクトルは、マイクロスコープスペクトロメータ（ＯＲＣ製ＴＦＭ−１２０ＡＦＴ−ＰＣ）により測定した。
図５〜７に示す結果より、コレステリック液晶層４中の色素の発光帯と、コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域とが一部において重なり合っていることが確認された。また螺旋の掌性が同一の２層のコレステリック液晶層によって、螺旋の掌性が逆のコレステリック液晶層が挟まれた３層構造のレーザ発振素子、つまり実施例１のレーザ発振素子においては、FWHM値の極めて小さなレーザ発振が確認された。このときのＦＷＨＭ値は０．４２ｎｍであった。これに対し、比較例１，２のレーザ発振素子によれば、ＦＷＨＭ値はどちらもレーザ発振しなかったため測定不能であった。
次に、実施例１、比較例１、２で得られたレーザ発振素子について、レーザー発振に必要な入射エネルギーの最小値（閾値）を調べる目的で、励起光源をHe-Cd（ヘリウム−カ
ドミウム）レーザから出射される４４２ｎｍの連続光に変えた。
ドミウム）レーザから出射される４４２ｎｍの連続光に変えた。
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。
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。
上記ニュートラルデンシティフィルタを透過した励起光は、レーザ発振素子のガラス基板表面に対して斜め（約３０°）に入射した。レーザ発振素子からの発光は、ガラス基板の正面、すなわちガラス基板の表面に対する法線上に配置されたレンズによって、マルチチャンネルスペクトロメータ（オーシャンオプティックス社製ＵＳＢ２０００）で検出した。
図８に、実施例１および比較例１、２より得られたレーザ発振素子の入射エネルギーとレーザ発振素子からの発光の最大ピークの光強度の関係を示す。横軸の単位はｎJであり
、縦軸の単位は任意単位である。図８において、「□」は、3層構造のレーザ発振素子、
つまり実施例１のレーザ発振素子についての結果を示し、「○」は２層構造のレーザ発振素子、つまり比較例１のレーザ発振素子に対し、図３のバックワード方向に励起光を入射させた場合の結果を示している。また「△」は、２層構造のレーザ発振素子、つまり比較例１のレーザ発振素子に対し、図３のフォワード方向に励起光を入射させた場合の結果を示し、「☆」は、単層構造のレーザ発振素子、つまり比較例２のレーザ発振素子についての結果を示している。図８より、比較例１、２ではともに約６６０ｎJよりも励起光が強
い場合にレーザ発振が生じている、すなわちレーザ発振の閾値が約６６０ｎJになること
が分かる。これに対し、実施例１では閾値が約２００ｎJとなっており、螺旋の掌性が同
一の2層のコレステリック液晶層の間に、螺旋の掌性が逆のコレステリック液晶層を挟ん
だ３層構造のレーザ発振素子において、レーザ発振の閾値が極めて小さくなることが確認された。
、縦軸の単位は任意単位である。図８において、「□」は、3層構造のレーザ発振素子、
つまり実施例１のレーザ発振素子についての結果を示し、「○」は２層構造のレーザ発振素子、つまり比較例１のレーザ発振素子に対し、図３のバックワード方向に励起光を入射させた場合の結果を示している。また「△」は、２層構造のレーザ発振素子、つまり比較例１のレーザ発振素子に対し、図３のフォワード方向に励起光を入射させた場合の結果を示し、「☆」は、単層構造のレーザ発振素子、つまり比較例２のレーザ発振素子についての結果を示している。図８より、比較例１、２ではともに約６６０ｎJよりも励起光が強
い場合にレーザ発振が生じている、すなわちレーザ発振の閾値が約６６０ｎJになること
が分かる。これに対し、実施例１では閾値が約２００ｎJとなっており、螺旋の掌性が同
一の2層のコレステリック液晶層の間に、螺旋の掌性が逆のコレステリック液晶層を挟ん
だ３層構造のレーザ発振素子において、レーザ発振の閾値が極めて小さくなることが確認された。
（実施例２）
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、これをクロロフォ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。
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、これをクロロフォ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。
この高分子コレステリック液晶溶液を、一方向にラビング処理したポリイミド配向膜（ＪＳＲ（株）製１２５４）を持つガラス基板上にスピンキャストした後、コレステリック液晶溶液に対し１８０℃に加熱して２分間配向処理した。こうして、ガラス基板上に、良好に配向した厚さ約２μｍの高分子コレステリック液晶（ＰＣＬＣ）フィルム２、３を形成した。即ち、配向基板７、８上にPCLCフィルム２、３を得た。このとき、ＰＣＬＣフィルムのらせん軸はガラス基板表面に垂直であった。また２つのＰＣＬＣフィルムのそれぞれについて透過スペクトルを測定し、選択反射波長帯域において短波長端及び長波長端を算出した。そして、その算術平均により、ＰＣＬＣフィルムの選択反射の中心波長を決定した。その結果、選択反射波長の中心はいずれのＰＣＬＣフィルムについても５１２nmであった。また選択反射波長帯域が２つのＰＣＬＣフィルムで同一であり且つＰＣＬＣフィルムが同一材料で形成されるため、螺旋ピッチが同一であることが分かった。また、透過スペクトルの測定において、入射光を左円偏光にしたところ、選択反射波長帯域が観測されず、透過率が高くなったことから、ＰＣＬＣフィルムの螺旋の掌性は右螺旋であることが分かった。
次に、上記のようにして得られた２つの配向基板７、８を、ＰＣＬＣフィルム２、３が内側に配置されるように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる厚さ１２．５μｍのスペーサを介して接続した。
次に、市販のコレステリック液晶（CＬＣ）の低分子混合物（Ｍｅｒｃｋ社製ZLI2293と、Merck社製ZLI4572と、Merck社製RM257と、DMPAP 2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone重合開始剤を８２：９．１：８．６：０．３の重量比で混合した混合物を調合した。次に蛍光色素（Aldrich社製クォーターチオフェン）をクロロフォルムに溶解させて色素溶液を調製した。最後に蛍光色素濃度が低分子CLC混合物に対して0.3 wt%になるよう色素溶液を加えた後、クロロフォルムを70℃で完全に蒸発させて色素ドープCLCとした。
その後、色素ドープＣＬＣを、毛細管現象を利用してＰＣＬＣフィルム２、３のスペースに導入し、欠陥層としてのコレステリック液晶層４を形成した。
こうして得たサンプルの透過スペクトルを測定したところ、色素ドープＣＬＣ溶液の導入前に比べ、左円偏光入射に対する透過率は変わらなかったことから、色素ドープＣＬＣの螺旋の掌性は右螺旋であることが分かった。従って、ＰＣＬＣフィルム２、３における螺旋の掌性と同一であることが確認された。
こうして厚さ１６．５μｍのレーザ発振素子を得た（図２参照）。
こうして得たサンプルの透過スペクトルを測定したところ、色素ドープＣＬＣ溶液の導入前に比べ、左円偏光入射に対する透過率は変わらなかったことから、色素ドープＣＬＣの螺旋の掌性は右螺旋であることが分かった。従って、ＰＣＬＣフィルム２、３における螺旋の掌性と同一であることが確認された。
こうして厚さ１６．５μｍのレーザ発振素子を得た（図２参照）。
（比較例３）
一方のＰＣＬＣフィルム３のみを除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図３参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１４．５μｍであった。
一方のＰＣＬＣフィルム３のみを除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図３参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１４．５μｍであった。
（比較例４）
ＰＣＬＣフィルム２、３を除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図４参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１２．５μｍであった。
ＰＣＬＣフィルム２、３を除去したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を作製した（図４参照）。作製したレーザ発振素子の厚さは１２．５μｍであった。
（蛍光スペクトル、反射スペクトル及びレーザ発振の測定）
実施例２および比較例３、４で得られたレーザ発振素子について、蛍光スペクトル、透過スペクトル及びレーザ発振の測定を行った。結果を図９〜１１に示す。なお、図９〜１１のそれぞれにおいて、破線が蛍光スペクトル、一点鎖線が透過スペクトル、実線がレーザ発振に対応する。なお、蛍光スペクトル、レーザ発振スペクトルの強度は図９〜１１のグラフにおいて、左側の縦軸で表され、透過スペクトルは、図９〜１１のグラフにおいて、右側の縦軸で表される。但し、図９〜１１においては、透過スペクトルはトランスミッタンスで表してある。
実施例２および比較例３、４で得られたレーザ発振素子について、蛍光スペクトル、透過スペクトル及びレーザ発振の測定を行った。結果を図９〜１１に示す。なお、図９〜１１のそれぞれにおいて、破線が蛍光スペクトル、一点鎖線が透過スペクトル、実線がレーザ発振に対応する。なお、蛍光スペクトル、レーザ発振スペクトルの強度は図９〜１１のグラフにおいて、左側の縦軸で表され、透過スペクトルは、図９〜１１のグラフにおいて、右側の縦軸で表される。但し、図９〜１１においては、透過スペクトルはトランスミッタンスで表してある。
蛍光スペクトル及びレーザ発振の測定においては特に、励起光として、オプティカルパラメトリック発振器（Optical Parametric Oscillator: ＯＰＯ）から出射される４２０ｎｍパルスレーザビームを使用した。なお、ＯＰＯの励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから出射される第三高調波を使用した。
また励起光は、レーザ発振素子のガラス基板表面に対して垂直に入射した。レーザ発振素子からの発光は、ガラス基板の正面、すなわちガラス基板の表面に対する法線上に配置されたレンズによって、マルチチャンネルスペクトロメータ（オーシャンオプティックス社製HR2000）で検出した。この際、シャープカットフィルターを用いて励起光がスペクトルメータに入射することを防いだ。
図９〜１１に示す結果より、コレステリック液晶層４中の色素の発光帯と、コレステリック液晶層４中のコレステリック液晶の選択反射帯域とが一部において重なり合っていることが確認された。らせんの回転方向が同一の２層のコレステリック液晶層に挟まれた、螺旋の回転方向が同一の蛍光色素を含有するコレステリック液晶層を有する3層構造のレーザ発振素子において、FWHM値の小さなレーザ発振が確認された。励起光が６００ｎＪの場合の実施例２のレーザ発振素子によるレーザ光のＦＷＨＭ値は０．４１ｎｍであった。これに対し、比較例３、４のレーザ発振素子では、それぞれ２８ｎｍ、３５ｎｍであった。
図１２に、実施例２および比較例３、４より得られたレーザ発振素子の入射エネルギーとレーザ発振素子からの発光の最大ピークの光強度の関係を示す。横軸の単位はμJであり、縦軸の単位は任意単位である。図１２において、「□」は、３層構造のレーザ発振素子、つまり実施例２のレーザ発振素子についての結果を示し、「△」は２層構造のレーザ発振素子、つまり比較例３のレーザ発振素子に対し、図３のフォワード方向に励起光を入射させた場合の結果を示している。また、「○」は、単層構造のレーザ発振素子、つまり比較例４のレーザ発振素子についての結果を示している。図１２より、比較例３、４ではともに約１．１μＪよりも励起光が強い場合にレーザ発振が生じている、すなわちレーザ発振の閾値が約１．１μＪになることが分かる。これに対し、実施例２では閾値が約０．３３μＪとなっており、らせんの回転方向が同一の２層のコレステリック液晶層に挟まれた、螺旋の回転方向が同一の蛍光色素を含有するコレステリック液晶層を有する3層構造のレーザ発振素子において、レーザ発振の閾値が極めて小さくなることが確認された。
１…レーザ発振素子、２…コレステリック液晶層（第１コレステリック液晶層）、３…コレステリック液晶層（第２コレステリック液晶層）、４…コレステリック液晶層（第３コレステリック液晶層）、９，１０…透明基板、７，８…配向基板、１１，１２…ポリイミドフィルム。
Claims (8)
- 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前記第２コレステリック液晶層との間に設けられ、コレステリック液晶及び、外部からの励起により蛍光を発する色素を含む第３コレステリック液晶層とを備えており、
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中のコレステリック液晶は、螺旋の掌性が同一であり、かつ、螺旋ピッチが同一であり、
前記色素から発せられる蛍光の発光帯と、前記第１、第２コレステリック液晶層中のコレステリック液晶の選択反射波長帯域の少なくとも一部とが互いに重なり合っていること、
を特徴とするレーザ発振素子。 - 前記第３コレステリック液晶層の選択反射帯域が、前記第１および第２コレステリック液晶層の選択反射波長帯域に内包されている、
請求項１に記載のレーザ発振素子。 - 前記第３コレステリック液晶層の選択反射波長帯域の短波長端が、前記第１および第２コレステリック液晶層の選択反射波長帯域の短波長端に対して合致しているか、又は２０ｎｍ以内で長波長寄りにある、
請求項１又は２に記載のレーザ発振素子。 - 前記第３コレステリック液晶層の選択反射波長帯域の長波長端が、前記第１および第２コレステリック液晶層の選択反射波長帯域の長波長端に対して合致しているか、又は２０ｎｍ以内で短波長寄りにある、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ発振素子。 - 前記第３コレステリック液晶層に含まれる前記色素が有機系色素である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ発振素子。 - 前記第３コレステリック液晶層に含まれる前記コレステリック液晶が、高分子液晶物質である、
請求項1〜５のいずれか一項に記載のレーザ発振素子。 - 前記色素が、前記第３コレステリック液晶層の厚さ方向に沿って、前記コレステリック液晶の配向に従って配向している、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ発振素子。
- 前記第３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及び前記第２コレステリック液晶層のそれぞれの界面において、コレステリック液晶の遷移モーメントの方向が一致している、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ発振素子。
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Applications Claiming Priority (2)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007096070A (ja) * | 2005-09-29 | 2007-04-12 | National Institute For Materials Science | 高効率レーザー発振装置 |
| JP2008270358A (ja) * | 2007-04-17 | 2008-11-06 | Tokyo Institute Of Technology | レーザ発振素子 |
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- 2005-09-02 JP JP2005255562A patent/JP2007019447A/ja active Pending
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