JP2539840B2 - 非線形光学素子 - Google Patents

非線形光学素子

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JP2539840B2 JP18646887A JP18646887A JP2539840B2 JP 2539840 B2 JP2539840 B2 JP 2539840B2 JP 18646887 A JP18646887 A JP 18646887A JP 18646887 A JP18646887 A JP 18646887A JP 2539840 B2 JP2539840 B2 JP 2539840B2
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/361Organic materials

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は非線形光学素子に関する。さらに詳細には、
本発明はヒドロキシニトロピリジンを組成とする結晶材
料からなる非線形光学媒質を有する非線形光学素子に関
する。
<従来技術及び発明が解決しようとする問題点> 非線形光学効果は、媒質に光が入射したとき、その光
の電界の2乗以上の高次の項に比例する分極が生じる現
象であり、レーザ光等の強電界下では非線形光学効果が
顕著に現れる。この非線形光学効果により、第2高調
波、カー効果、光双安定性などが表われ、特に光の電界
の2乗に比例して起る2次非線形光学効果は光波長変換
素子、光変調素子等の非線形光学素子としてオプトエレ
クトロニクス分野の発展を約束する素子への応用が可能
であるため多くの注目を集めている。
これらの素子を構成する材料は、現在のところKH2PO4
などの一部の無機材料が実用されているにすぎない。し
かし、それら無機材料の非線形光学定数は小さく、それ
ゆえ素子の動作には極めて高い電圧、又は極めて強い光
強度が必要であった。このため、非線形光学定数の大き
い材料への要求は極めて強く、様々な材料探索がなされ
てきた。無機材料においては、ニオブ酸リチウム(LiNb
O3)が最も大きい非線形光学定数を有しているが、ニオ
ブ酸リチウムは強いレーザ光を照射すると部分的に屈折
率の変化を生じ、また光で容易に損傷する欠点を有して
おり未だ実用化されていない。
近年になって、無機系材料に比べて有機系材料の方が
はるかに高い非線形光学特性を有することが見出ださ
れ、例えば、2−メチル−4−ニトロアニリン(MNA)
に代表されるように、π電子系を有するとともに分子内
に電子供与性基と電子吸引性基とを有し、極めて大きい
非線形光学定数を有する材料が注目されている。
このような2次の非線形光学効果を示す有機系材料で
は、分子状態での2次の分子非線形光学定数β(以下、
非線形光学定数βという)を大きくするためには、分子
内のπ電子系を大きくすることが好ましいと考えられて
いる。π電子系の拡大に伴って、電子遷移吸収帯も可視
領域側に近付いてくることになるので、種々な色に着色
された化合物となる。
一方、最近は、半導体レーザにも比較的短い発振波長
(例えば波長0.7〜1.6μm程度)を有するものが実用化
されてきている。この波長領域で、上記の有機非線形光
学材料を用いた非線形光学素子を光波長変換素子、特に
第2高調波発生素子として使用する場合、この第2高調
波の波長領域が丁度可視光領域に重なってしまうことか
ら、第2高調波が有機非線形光学材料に吸収され、第2
高調波出力の減少を招き、さらには光損傷を受けやすく
なるという問題が生じる。
したがって、光波長変換素子として上記の有機非線形
光学材料を利用した場合、高次高調波を有効に利用する
という観点からすると使用し難く、未だ満足なものが得
られていないというのが現状である。
<目 的> この発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、可視
領域に吸収性を持たないか又は吸収性を持っても吸収率
が小さく、かつ高い非線形光学効果を有する有機系非線
形光学材料を用いた非線形光学素子を提供することを目
的とする。
<問題点を解決するための手段及び作用> 本発明の非線形光学素子は、下記一般式〔I〕で表わ
されるヒドロキシニトロピリジンを組成として持つ結晶
からなることを特徴とする。
上記一般式〔I〕で表わされるヒドロキシニトロピリ
ジンにおけるニトロ基、水酸基の置換位置はオルト、メ
タ、パラの何れであってもよいが、特に、2−ヒドロキ
シ−3−ニトロピリジン、2−ヒドロキシ−5−ニトロ
ピリジンであることが好ましい。
有機非線形光学材料において、非線形光学定数βを大
きくするには、光の電界により分極が生ずる際に、分子
内の電子移動がスムーズに進行することが必要とされる
が、本発明は上記の構成からなり、一般式〔I〕のヒド
ロキシニトロピリジンを組成として持つ結晶は、電子供
与性の水酸基を有するとともに電子吸引性のニトロ基を
有し、励起状態における分子内の電子移動がスムーズに
進行するので、一般式〔I〕のヒドロキシニトロピリジ
ンを組成として持つ結晶は、大きい非線形光学定数βを
有し、大きい非線形光学効果を有する非線形光学素子と
することができる。また、一般式〔I〕のヒドロキシニ
トロピリジンを組成として持つ結晶は分子内のπ電子系
が小さく、電子遷移吸収帯が可視光域より短波長側にあ
るとともに、可視光域に極大吸収を示さないことから、
光出力の減少が小さく、光損傷を受けることも少ない。
したがって、例えば、光波長変換素子として好適に用い
ることができる。
特に、一般式〔I〕のヒドロキシニトロピリジンが、
2−ヒドロキシ−3−ニトロピリジンや、2−ヒドロキ
シ−5−ニトロピリジンである場合、これらを用いて好
ましい特性を有する光波長変換素子を作製することがで
きる。
上記一般式〔I〕で表されるヒドロキシニトロピリジ
ンを組成として持つ結晶は種々の方法で合成することが
でき、例えば、蒸着法の他に、ヒドロキシニトロピリジ
ンを加熱溶融後、冷却結晶化させる方法、又は適当な溶
媒に溶解させた後、溶液を冷却するか、若しくは溶媒を
揮発させることによって、結晶化させる方法が挙げられ
る。上記適当な溶媒には、例えば水素結合可能な水酸基
を有するメタノール、エタノール等の極性溶媒、アセト
ニトリル、酢酸エチル、ジエチルエーテル等の極性溶
媒、ベンゼン、シクロヘキサン、トルエン等の無極性若
しくは小さな極性を有する溶媒、又は不斉炭素を有する
(R)−2−ブタノール溶媒が挙げられる。
<実施例> 以下、実施例を示す添附図面に基づいて詳細に説明す
る。
第1図(a)は、本発明の非線形光学素子の一実施例
であり、光波長変換素子としての光ファイバ型波長変換
素子の概略図を示し、前記一般式〔I〕で表される2次
の非線形光学効果を有するヒドロキシニトロピリジンを
組成として持つ結晶(以下、非線形媒質と称する)から
なるコア(1)が、ガラス等の2次の非線形光学効果を
示さない媒質(以下、等方性媒質と称する)からなるク
ラッド(2)で被覆された構造を有し、同図中、一点鎖
線は入射された光の基本波を、二点鎖線は第2高調波を
示す。レーザ光等の光はレンズ等で集光され、上記光波
長変換素子の一端面からコア(1)に入射される。コア
(1)を形成する非線形媒質は大きい2次の非線形光学
効果を示すので、コア(1)の他端面より出射される光
は基本波と第2高調波を含み、プリズム分光器、回折格
子フィルタ等の分光手段により分離することにより第2
高調波が取り出される。
上記の光ファイバ型波長変換素子は、クラッドとして
の等方性媒質からなる管(キャピラリー)にヒドロキシ
ニトロピリジン結晶を入れ、加熱溶融後ゆっくりと冷却
して製造することができる。この場合、キャピラリーの
中のヒドロキシニトロピリジン結晶との接触界面となる
べき部分を配向処理材で処理した後、結晶を析出させる
と、配向した結晶形が容易に得られるので好ましい。配
向処理材としては、無機塩及び有機塩(例えば、臭化ヘ
キサデシルトリメチルアンモニウムなど)、適当な高分
子(例えば、ポリアミドなど)からなる薄膜、金属薄膜
(例えば、斜め蒸着した金薄膜など)等が例示される。
また、光変調素子としても、従来から用いられている
形態のデバイスとすることができる。第2図は、その一
例として、横型動作の光導波路型光変調素子の概略図を
示し、等方性媒質よりなる基板(3)中に、非線形媒質
からなる光導波路(4)が設けられ、さらに2つの電極
(5)がこの光導波路(4)を介し、かつ長さ方向に沿
って対向する位置に設けられ、該電極(5)間に電圧を
印加することにより電界が形成される。上記素子におい
て、光導波路(4)の長さ方向の一端から入射された光
が光導波路(4)を通過し他端面から出射される際、光
導波路(4)を構成する非線形媒質の屈折率が変化する
と出射される光の位相も変化する。非線形媒質の屈折率
は印加電圧により変化するので、電極(5)間の印加電
圧を変化させることにより、出射光の位相変調を行なう
ことができる。上記の光導波路型波長変換素子は、基板
としての等方性媒質からなるプレート上にヒドロキシニ
トロピリジンを真空蒸着して結晶を析出させたり、上記
プレートを加熱溶融したヒドロキシニトロピリジン、又
はヒドロキシニトロピリジンを溶かした溶媒中に浸した
後取り上げて、ゆっくりと冷却して結晶を析出させても
よい。この場合、基板上のヒドロキシニトロピリジン結
晶との接触界面となるべき部分を上記と同様の配向処理
材で処理した後、結晶を析出させると、配向した結晶形
が容易に得られるので好ましい。
なお、この発明の2次非線形光学素子は上記実施例に
限定されるものではなく、種々の形態が可能であり、例
えば、等方性媒質よりなる基板(3)上に非線形媒質よ
りなる光導波路(4)を積層し第2高調波を採り出す構
成(第1図(b)参照)、非線形媒質よりなる基板
(3)上に等方性媒質よりなる光導波路(4)を積層し
第2高調波を採り出す構成(第1図(c)参照)、等方
性媒質よりなる基板(3)上に等方性媒質よりなる光導
波路(4)を積層し、その上に非線形媒質よりなるトッ
プ層(6)を積層して第2高調波を採り出す構成(第1
図(d)参照)、等方性媒質よりなるクラッド(2)
に、光導波路(4)としての細長い非線形媒質を埋め込
んだ構成(第1図(e)参照)等でもよい[J.Zyss,J.M
olecular Electronics 1,25(1985)など参照]。その
他、非線形媒質単体を光波長変換素子として用いること
ができる。
また光変調素子としては、縦型動作の光導波路型光変
調素子でもよく、また結晶自体に直接電圧を印加する形
態とすることもできる。なお、光変調素子においては、
非線形媒質の対称性、結晶軸の方向等により、位相変調
を効率よく行なうための電界印加方向が異なるので、そ
れらに基づき電極を構成を適宜変更するのがよい。
以下、具体例に基づいて詳細に説明する。
具体例1 市販の2−ヒドロキシ−5−ニトロピリジン5gを、蒸
溜したアセトニトリル20mlに加熱溶解した後、徐々に冷
却した。また、これとは別に、2−ヒドロキシ−5−ニ
トロピリジン5gを、蒸溜したメタノール20mlに加熱溶解
した後、徐々に冷却した。上記何れの場合にも、2−ヒ
ドロキシ−5−ニトロピリジンの同じ結晶形の白色結晶
が得られた。2−ヒドロキシ−5−ニトロピリジンは吸
収極大波長を300nm以下に有し、可視領域において透明
なものである。この結晶を炉別し、ヘキサンで洗浄した
後減圧乾燥させた。そして、乳鉢に入れてすりつぶし、
予め第2高調波がないことを確認済みの2枚のガラスプ
レパラートに挾んで波長1.064μmのNd:YAGレーザ光を
照射すると波長0.532μmの第2高調波の発生が観測さ
れた。
具体例2 具体例1と同様に2−ヒドロキシ−3−ニトロピリジ
ンについて行ったところ同様の結果を得た。
具体例3 具体例1によって得た2−ヒドロキシ−5−ニトロピ
リジンの結晶を加熱溶融した後、内径5〜10μm、外径
0.5〜1mm、長さ2〜3cmのガラスキャピラリー中に毛細
管現象を利用して注入した。これをブリッジマン炉に入
れ、1cm/hour程度の速さで結晶成長させると、2−ヒド
ロキシ−5−ニトロピリジンの単結晶よりなるコアを有
するファイバ型の素子が得られた。この素子の一端面か
ら波長1.064μmのNd:YAGレーザ光をレンズで絞って照
射すると、もう一方の端面より波長0.532μmの第2高
調波の発生が観測された。
具体例4 具体例2で得た2−ヒドロキシ−3−ニトロピリジン
について、具体例3と同様の実験を行ったところ、同様
の結果を得た。
<発明の効果> 以上のように、この発明の非線形光学素子によれば、
電子供与性の水酸基と電子吸引性のニトロ基を有するヒ
ドロキシニトロピリジンを組成として持つ結晶を用いて
いるので、光の電界により分極が生ずる際の電子移動が
速やかに起こり、非線形光学定数βが大きくなり、顕著
な非線形光学効果を示す非線形光学素子が得られる。特
に、結晶材料が可視領域に極大吸収を持たないので、光
波長変換素子として用いた場合には、光の弱いレーザ光
でも高強度の第2高調波を分離することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(e)は、本発明の非線形光学素子の一
実施例としての光波長変換素子の概略図であり、一点鎖
線は基本波、二点鎖線は高調波を示す。 第2図は、他の実施例としての光変調素子の概略図であ
る。 (1)……コア、(2)……クラッド (3)……基板、(4)……光導波路 (5)……電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式〔I〕 で表わされるヒドロキシニトロピリジンを組成とする結
    晶材料からなる非線形光学媒質を有することを特徴とす
    る非線形光学素子。
  2. 【請求項2】一般式〔I〕で表わされるヒドロキシニト
    ロピリジンが2−ヒドロキシ−3−ニトロピリジンであ
    る上記特許請求の範囲第1項記載の非線形光学素子。
  3. 【請求項3】一般式〔I〕で表わされるヒドロキシニト
    ロピリジンが2−ヒドロキシ−5−ニトロピリジンであ
    る上記特許請求の範囲第1項記載の非線形光学素子。
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