JP2008176135A - 光導波路構造体、その製造方法、モード同期光ファイバレーザ装置、微粒子堆積方法および微粒子抽出方法。 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光導波路を備え、該光導波路の露出部を一部に含む端面を有する光導波路構造体を用意し、微粒子を分散させた媒体中に端面を浸積した状態で、光導波路の露出部からレーザ光を出射し、光導波路の露出部および/または光導波路の露出部周縁に、微粒子を位置選択的に堆積する。
【選択図】図1
Description
スプレー法によれば、カーボンナノチューブを分散媒体に分散させて得られた分散液を光学材料にスプレー塗布することによってカーボンナノチューブの薄膜が作製される。
また、ポリマー分散法によれば、精製されたカーボンナノチューブをポリスチレン等のポリマーの有機溶媒溶液中に分散し、スピンコーター等の任意の塗布手段で被塗布表面に塗布される。
まず、これらの手法では、位置選択的にカーボンナノチューブの薄膜を作製することが困難である。
例えば、光ファイバレーザ装置の場合、端面に露出させた、光路となる部分(コア部分)がカーボンナノチューブで覆われることにより、カーボンナノチューブの可飽和吸収機能を発揮させることができる。
しかしながら、上記の従来技術を用いて光ファイバ端面上にカーボンナノチューブの薄膜を作製する場合、コア部に選択的にカーボンナノチューブを配置することができず、クラッド部にもカーボンナノチューブが配置されてしまう。したがって、光路となる位置をカーボンナノチューブの薄膜で覆うためには、過剰なカーボンナノチューブが必要となり、カーボンナノチューブの利用効率を低下させてしまう。
本実施形態では、光導波路構造体の一例として光ファイバを用い、微粒子の一例として、カーボンナノチューブを用いる。
光ファイバは、光導波路であるコア部と、コア部の周囲を取り囲む光閉じこめ層であるクラッド部と、レーザ光の出射する端面を備える。カーボンナノチューブを分散させた液体にこの光ファイバ端面を浸積し、光ファイバ端面からレーザ光を出射させることにより、液体中に分散させたカーボンナノチューブをコア部及びコア・クラッド境界の周囲に位置選択的に堆積させる。
具体的には、この装置は、レーザ光源101と、レーザ光源101からのレーザ光が供給される光増幅器102と、光ファイバ103と、カーボンナノチューブを分散させた液体104とを備える。
レーザ光源101は、波長1560nmのレーザ光を出力するが、レーザ光の波長は、これに限定されるものではない。レーザ光の波長は、短波長のレーザ光であっても、長波長のレーザ光であってもよいが、実用性を考えると、短波長のレーザ光が好ましい。
本実施形態では、エルビウム(Er)添加光ファイバを使用するが、これに限定されるものではなく、光ファイバラマン増幅器であってもよい。
続いて、カーボンナノチューブを分散させた液体104に、作製した光ファイバ端面を浸す。レーザ光源101から出射した連続光を光増幅器102により増幅し、光ファイバ端面から出射して、カーボンナノチューブを光ファイバ端面に堆積させる。
光強度とカーボンナノチューブ堆積の位置選択性の関係は、カーボンナノチューブの凝集の大きさや分散によって、異なるものである。また、カーボンナノチューブの種類によっても変化する。したがって、光強度は、カーボンナノチューブの状態に応じて適宜設定されるものであり、カーボンナノチューブの分散溶媒毎に調整することにより、安定してカーボンナノチューブを堆積させることができる。光強度の上限は、溶媒の沸点に依存し、熱的に溶媒が蒸発しない程度に設定することができる。また、光強度の下限は、低い方が好ましく、堆積可能な閾値とすると、より安定してカーボンナノチューブを堆積させることができる。たとえば、5dBm以上40dBm以下の範囲では、コア部、及びコア・クラッド境界の周囲に位置選択的にカーボンナノチューブを堆積させることができる。
図2(a)(b)(c)は、SMFの端面に堆積したカーボンナノチューブの図である。また、図2(d)(e)(f)は、堆積したカーボンナノチューブのラマンスペクトルである。ラマンスペクトル中の250cm−1近傍に存在する小さなピーク(RBM、Radidal Bleathing Mode)は、カーボンナノチューブの存在を示す。図とラマンスペクトルを取得した位置の対応関係を円とピークの線種で示している。円は、直径2ミクロンであり、図上の実線の円は、SMFのコア部分に相当する。
レーザ光の光強度は、20.0、21.5、22.0dBmとした。
21.5dBmの入射光では、SMF端面の中心のコア近傍にカーボンナノチューブが堆積した(図2(b)(e))。20.0dBmの入射光では、光ピンセットによるカーボンナノチューブの堆積は認められず、偶発的に端の方に堆積したカーボンナノチューブが検出された(図2(a)(d))。一方、入射光強度が22.0dBmの場合には、SMF端面のコア近傍にはカーボンチューブが堆積されず、コア・クラッド境界の周縁にカーボンナノチューブが堆積した(図2(c)(f))。
図3(a)は、DSFに堆積したカーボンナノチューブの図である。また、図3(b)は、DSFに堆積したカーボンナノチューブのラマンスペクトルである。ラマンスペクトルは、光ファイバ端面のコア部について測定したものである。入射光は、19.0dBmとした。図3(b)のラマンスペクトル中の250cm−1近傍に小さなピークが存在することから、DSF端面へのカーボンナノチューブの堆積が検出された。
入射光の強度を19.0〜20.0dBmとすると、DSF端面の中心のコア近傍にカーボンナノチューブが堆積した。また、18.5dBm未満の入射光にすると、光ピンセットによるカーボンナノチューブの堆積は認められなかった。一方、入射光強度を21.5dBmより高くすると、DMF端面のコア近傍にはカーボンチューブが堆積されず、コア部とクラッド部の境界から外側にカーボンナノチューブが堆積した。
光リフレクトメトリとは、光の反射光から様々な情報を測定する技術である。
図4は、光リフレクトメトリを導入した本実施形態の装置を示す。
図4に示す装置は、基本的には、図1と同様であるが、2つのパワーメータ405、406と、減衰器407と、サーキュレータ408を備える。
光ファイバ103として、単一モード光ファイバを用いた。
光増幅器の出射光を10%分岐し、パワーメータ405で測定し、光ファイバ103端面の入力光強度をモニタした。高強度の光からパワーメータ405を保護するため、20dBの減衰器407をパワーメータ405の前に挿入した。光増幅器102の出射光のうち残りの90%の光は、サーキュレータ408を通り、90度にカットした光ファイバ103端面を通して、カーボンナノチューブを分散した液体104に入射させた。光ファイバと液体の界面で反射された光はサーキュレータ408を通して、もう一方のパワーメータ406でその強度を測定した。パワーメータ405、406の値は、500ミリ秒毎に記録した。また、液体には、DMFを用いた。
図5(a)は、堆積開始後8秒程度で光入力を止めた場合、入力光強度と反射率波形の関係を示すグラフである。図5(b)は、光ファイバ端面に堆積したカーボンナノチューブを示す図である。図5(b)で示すように、カーボンナノチューブ層は薄く堆積した。
図6(a)は、堆積開始後300秒ほど光入力を続けた場合の入力光強度と反射率波形の関係を示すグラフである。図6(b)は、光ファイバ端面に堆積したカーボンナノチューブを示す図である。図6(b)で示すように、光ファイバ端面のカーボンナノチューブ層は厚く堆積した。
したがって、カーボンナノチューブの堆積時間の長さによってカーボンナノチューブの厚さを調整することが示された。
本実施形態では、光デバイスの光路を通過する光の光ピンセットによりカーボンナノチューブを堆積することができる。これにより、光路から大きく逸脱する箇所への堆積・拡散もなく、カーボンナノチューブは効率的に利用され、堆積時間も大幅に短縮することができる。
光が物質に入射して屈折することは、運動量ベクトルが変化したことを意味し、運動量保存則の観点から屈折した逆方向へ物質を押していることになる。この「押す力」は、図7(a)で示すように、光を集光することにより「ひく力」「捕捉する力」とすることができる。したがって、レンズの集光点近傍が対象物を捕らえる点となり、図7(b)で示すように、集光点に対象物が捕捉される。通常はその力が小さいため観測されないが、対象物が微小であり、光強度が強い場合には、対象物をとらえることができる。また、光軸から対象物がずれた場合でも、ある程度であれば、図7(c)で示すように復元力が働き、集光点に戻される。この点を利用して、集光点を掃引することにより、対象物も操作することが可能である。
以上のような説明は、対象物が光の波長と同程度以上の大きさの場合に成り立つ。対象物がそれ以下のサイズであった場合は、対象物を電気双極子と仮定して、光強度勾配により発生するローレンツ力により集光点に対象物を捕捉することが出来る。
また、再現よく、光ファイバ端面へカーボンナノチューブを堆積させることができる。
図9は、本実施形態に係る受動モード同期光ファイバレーザ装置の概略構成を示す図である。
レーザ光源を有するとともに、レーザ光源からの光が供給される光増幅領域902が形成されている。光増幅領域902から出射された光の一部を再度、光増幅領域902に導入する。光増幅領域902から出射された光の他の一部を出力する。光増幅領域902に光導波路構造体として増幅用光ファイバを備える。
具体的には、この受動モード同期光ファイバレーザ装置は、励起用レーザ光源と増幅用光ファイバを内蔵する光増幅領域902と、光ファイバ903と、アイソレータ907と、偏波コントローラ(Polarization Controller:PC)908とカプラ909を備える。
光ファイバ903の出射端面は、カーボンナノチューブ層906を備える。このカーボンナノチューブ層906を作成する方法として、カーボンナノチューブを分散させた媒体中に光ファイバ端面を浸積し、光ファイバ端面からレーザ光を出射し、媒体中に分散させたカーボンナノチューブを、光ファイバのコア部及びコア・クラッド境界の周囲に位置選択的に堆積させる方法が用いられている。
レーザ光源からの光が供給される光増幅領域902から出射された光の一部は、リングを1周して再度、光増幅領域902に導入される。また、光増幅領域902から出射された残りの光は、カプラ909を通じて出力される。
フェルール904は、光ファイバ903の一方の端部が挿入されるものであり、光ファイバ903は、カーボンナノチューブ層906を介して接続され、スリーブ905で覆われている。
まず、光ファイバ903の一対の端部にそれぞれ、フェルール904を取り付ける。
次に、フェルール904端面にカーボンナノチューブ層906を形成させる。
カーボンナノチューブを媒体に分散させ、フェルール904の端面を浸積し、フェルール904の端面からレーザ光を出射し、媒体中に分散させたカーボンナノチューブを、光ファイバ903のコア部及びコア・クラッド境界の周囲に位置選択的に堆積させる。
なお、カーボンナノチューブを分散させる溶媒としては、DMF、ジクロロメタン、アルコール等があげられるが、なかでも、DMFを使用することが好ましい。
本実施形態では、たとえば、1550nm付近で大きな利得を有するエルビウム(Er)添加光ファイバを使用することができる。
モード同期光ファイバレーザ装置の電源が投入され、レーザ光源に電流が加えられると、レーザ光が出力され、アイソレータ907内に導入される。そして、この光は、偏波コントローラ908により調整され、光増幅領域902に導入される。光増幅領域902では、光の増幅が行われ、増幅された光は、光ファイバ903を介してレーザ光として出力される。
ここで、モード同期光ファイバレーザ装置に電源を投入した当初では、モード同期光ファイバレーザ装置内を循環する光の強度が弱いため、不安定な多モード発振が行われる。
光がモード同期光ファイバレーザ装置内を循環するにつれて、光の強度が大きくなる。そして、カーボンナノチューブの可飽和吸収特性が出現するパワーに達すると、カーボンナノチューブの可飽和吸収特性の回復時間に依存して、モード同期状態となり、パルス発振状態に達する。
図11(a)は、光スペクトル(分散能0.1nm)を示す。図11(b)は、正規化光スペクトル(分散能:0.1nm)を示す。図11(c)は、自己相関波形(分解能:50fs)である。
図11(a)(b)で示すように、短パルスレーザ特有の広い光スペクトルが見られた。また、図11(c)から、400fsのパルス出力が得られたことが示された。
本実施形態は、光ピンセットによる球状のカーボンナノチューブ超構造作製に関するものである。図12は、本実施形態に係る光導波路構造体の製造方法の概略構成を実現するための装置の概略構成を示す図である。
この装置は、レーザ光源101と、レーザ光源101からのレーザ光を供給される光増幅器102と、光ファイバ103と、カーボンナノチューブを分散させた液体104とを備える。また、2つのパワーメータ405、406と、減衰器407と、サーキュレータ408を備える。ここでは、光ファイバ103として、単一モード光ファイバを用いている。光増幅器の出射光を10%分枝し、パワーメータ405で測定し、光ファイバ103端面の入力光強度をモニタする。高強度の光からパワーメータ405を保護するため、20dBの減衰器407をパワーメータ405の前に挿入する。光増幅器102の出射光のうち残りの90%の光は、サーキュレータ408を通り、光軸方向に90度にカットした光ファイバ103端面を通して、カーボンナノチューブを分散した液体104に入射される。光ファイバと液体の界面で反射された光はサーキュレータ408を通して、もう一方のパワーメータ406でその強度が測定される。光ファイバ103の先端を観察するために、顕微鏡219を備えており、光ファイバ103を水平にスライドガラス220上に固定して上方から顕微鏡219で観測できる構成となっている。スライドガラス220上にカーボンナノチューブを分散させた液体104を滴下して使用する。溶媒は、たとえば、DMFを用いることができる。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブや微粒子を捕捉したり、移動させて目的の場所に設置したりすることができる。
図15は、カーボンナノチューブ球を光ファイバレーザ中に挿入した本実施形態に係る受動モード同期ファイバレーザ装置を示す図である。装置の構成は、第2の実施形態と同様であり、共振器中の一カ所に対向する2本の光ファイバ903間にカーボンナノチューブ球906が作製されている。
本実施形態は、複数種類の微粒子を分散させた液体から特定の微粒子を抽出する方法に係るものである。本実施形態では、光導波路構造体の一例として光ファイバを用い、特定の微粒子の一例として、カーボンナノチューブを用いる。
光ファイバは、導波路であるコア部と、コア部の周囲を取り囲む光閉じこめ層であるクラッド部と、レーザ光を出射する端面を備える。カーボンナノチューブを分散させた液体にこの光ファイバ端面を浸積させる。
本実施形態は、図1または図3に示す装置を用いることにより、実現することができる。
このようにして、光ファイバ端面に堆積させたカーボンナノチューブを剥離することによって、目的のカーボンナノチューブのみを得ることができる。
実施形態では、光路として光ファイバ系を用いたが、光路の構造は、特に限定されるものでなく、空間系や平面導波路系であってもよい。
また、実施形態では、光ファイバ端面へのカーボンナノチューブを堆積する技術を提案したが、光ファイバ端面に限らず、ガラス基板などのその他の箇所にも堆積することが可能である。
102 光増幅器
103 光ファイバ
104 カーボンナノチューブを分散させた液体
106 カーボンナノチューブ
219 顕微鏡
220 スライドガラス
405 パワーメータ
406 パワーメータ
407 減衰器
408 サーキュレータ
902 光増幅領域
903 光ファイバ
904 フェルール
905 スリーブ
906 カーボンナノチューブ層
907 アイソレータ
908 偏波コントローラ
909 カプラ
910 光ファイバ
Claims (11)
- 光導波路を備え、該光導波路の露出部を一部に含む端面を有する光導波路構造体を用意する工程と、
微粒子を分散させた媒体中に前記端面を浸積した状態で、前記光導波路の露出部からレーザ光を出射し、前記光導波路の露出部および/または前記光導波路の露出部周縁に、前記微粒子を位置選択的に堆積させる工程と、を含むことを特徴とする光導波路構造体の製造方法。 - 前記微粒子は、カーボンナノチューブまたはアモルファスカーボン粒子であることを特徴とする請求項1に記載の光導波路構造体の製造方法。
- 前記微粒子は、金属微粒子または半導体微粒子であることを特徴とする請求項1に記載の光導波路構造体の製造方法。
- 前記構造体は、光ファイバであることを特徴とする請求項1または2に記載の光導波路構造体の製造方法。
- 光導波路を備え、該光導波路の露出部を一部に含む端面を有する光導波路構造体であって、前記光導波路の露出部および/または前記光導波路の露出部周縁に、微粒子を位置選択的に堆積させた光導波路構造体。
- 前記微粒子は、カーボンナノチューブまたはアモルファスカーボン粒子であることを特徴とする請求項5に記載の光導波路構造体。
- 前記微粒子は、金属微粒子または半導体微粒子であることを特徴とする請求項5に記載の光導波路構造体。
- 前記光導波路となるコアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバである、請求項5または6に記載の光導波路構造体。
- レーザ光源を有するとともに、
前記レーザ光源からの光が供給される光増幅領域が形成され、
前記光増幅領域から出射された光の一部を再度、前記光増幅領域に導入するとともに、前記光増幅領域から出射された光の他の一部を出力するモード同期光ファイバレーザ装置であって、
前記光増幅領域に請求項8に記載の光導波路構造体を備えることを特徴とするモード同期光ファイバレーザ装置。 - 光導波路を備え、該光導波路の露出部を一部に含む端面を有する光導波路構造体を用意する工程と、
微粒子を分散させた媒体中に前記端面を浸積した状態で、前記光導波路の露出部からレーザ光を出射し、前記光導波路の露出部および/または前記光導波路の露出部周縁に、前記微粒子を位置選択的に堆積させる工程と、
を含む、微粒子堆積方法。 - 光導波路を備え、該光導波路の露出部を一部に含む端面を有する光導波路構造体を用意する工程と、
複数種類の微粒子を分散させた媒体中に前記端面を浸積した状態で、前記光導波路の露出部からレーザ光を出射し、前記光導波路の露出部および/または前記光導波路の露出部周縁に、特定の微粒子を位置選択的に堆積させる工程と、
前記光導波路構造体から前記特定の微粒子を剥離して微粒子を抽出する工程と、
を含む、微粒子抽出方法。
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