JP2783853B2 - 非線形光学素子 - Google Patents

非線形光学素子

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JP2783853B2 JP20373089A JP20373089A JP2783853B2 JP 2783853 B2 JP2783853 B2 JP 2783853B2 JP 20373089 A JP20373089 A JP 20373089A JP 20373089 A JP20373089 A JP 20373089A JP 2783853 B2 JP2783853 B2 JP 2783853B2
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豊史 大橋
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光情報処理や光通信などのオプトエレクト
ロニクス分野で用いられる有機非線形光学素子に関す
る。
(従来の技術) 近年、非線形光学効果(レーザー光を物質に照射した
時、その相互作用によって入射光と異なった成分を持つ
出射光が得られる現像等)を有する材料が注目されてい
る。
かかる材料は、一般に非線形光学材料として知られて
いる。非線形光学材料とは、物質の光の電界との相互作
用によって誘起されるる電子の誘発分極が、電界に対し
て非線形な応答を生じる、いわゆる非線形光学効果を有
する材料を差し、一般に次式により示さ入れる2次の項
以上のものにより生じる。
P=X(1)E+X(2)E・E+X(3)E・E・E+…… (式中、Pは物質の分極率、Eは電界、E(n)はn次の非
線形感受率を表わす) 特に2次の効果を利用した第二高調波発生(SHG)と
して知られている現象によれば、入射光は第二高調波で
ある2倍の周波数を有する光波となる。また電圧によっ
て屈折率が変化したりする。これらは、例えば「Non li
ner Optical Properties of Organic and Polymeric Ma
terials」ACS.SXMPOSIUM SERIES 233,David J.Willams
編(ACS,1983年刊);「有機非線形光学材料」加藤政
雄、中西八浪編(シー・エム・シー社、1985年刊)など
に記述されている。
非線形光学材料の用途の一つに二次の非線形光学効果
に基づいた第二高調波発生および和周波、差周波を用い
た波長変換デバイスがあり、光信号処理の上で極めて重
要な役割を担っている。
これまで、このような非線形光学素子用材料として実
用上用いられているものは、リン酸二水素カリウム(KD
P):ニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの無機系の強誘
電性結晶が知られている。
しかし、近年になり、電子供与基および電子吸引基を
有する共役系のベンゼン誘導体は、前述の無機結晶を大
きく上回る非線形光学材料としての諸性能を有している
ことが知られるようになった。
かかる有機共役系の重要な点は、非線形光学効果を生
む原因が無機材料に見られる核座標の変位もしくは再配
置とは異なり、π電子雲の分極や強い分子間相互作用に
あることである。
このような非線形光学効果を示す有機材料としては、
分子内にπ電子共役系を有しその分子内電荷移動の程度
が大きいことが要求されるが、さらに結晶の反転対称性
のないことも必要要件となる。例えば、p−ニトロアニ
リンあるいはジメチルアミノニトロスチルベンなどは分
子分極率は大きいものの、結晶状態では反転対称性を有
するため、第二高調波発生は全く観測されない。
このような点を考慮し、非線形光学効果を有する有機
材料として、結晶の反転対称性を抑制しうる構造を有す
る化合物が種々提案されている。例えば、2−メチル−
4−ニトロアリニン(MNA)では反転対称性のあるp−
ニトロアニリンのオルト位にメチル基が結合した構造と
なっており、このメチル基の効果で反転対称性が抑えら
れ、この結果大きな第二高調波発生を示すようになって
いる。
(発明が解決しようとする課題) しかし、結晶、薄膜など、バルク状態で反転対称性が
なく、かつ吸収極大も短波長側になると同時に分子のも
つ非線形光学性の大きな有機非線形光学材料が見当らな
いのが現状であり、これら諸条件を満たす有機材料を見
出し、非線形光学素子への応用を図ることが強く要望さ
れている。
そこで、本発明の課題は、上記の実情に鑑み、反転対
称性がなく大きな非線形光学効果を有する有機非線形光
学材料を用いた非線形光学素子を提供することにある。
(課題を解決するための手段) 本発明者らは、鋭意研究の結果上記課題を解決し、本
発明を達成するに至った。
すなわち本発明は、下記一般式(1)で示されるマロ
ンジアルデヒド化合物からなる非線形光学素子を提供す
るものである。
(式中、Rは水素原子、炭素数1〜20の脂肪族、脂環式
又は芳香族基、ピリジル基、アシル基、アミノ基、シア
ノ基、ニトロ基、アゾ基及びハロゲン原子から選ばれた
置換基を表わす) 本発明の一般式(1)中のRにおいて、炭素数1〜20
の脂肪族基としては、メチル、エチル、プロピル、ブチ
ル、ヘキシル、ウンデシル、ヘプタデシルなどのアルキ
ル基;クロルエチル、ブロムプロピルなどのハロアルキ
ル基;2−ヒドロキシエチル、3−ヒドロキシプロピルな
どのヒドロキシアルキル基;ベンジル、2−フェニルエ
チルなどのアリールアルキル基;メトキシ、エトキシ、
ブトキシなどのアルコキシ基;メチルチオ、エチルチオ
などのアルキルチオ基;メトキシカルボニル、エトキシ
カルボニル、ブトキシカルボニルなどのアルコキシカル
ボニル基などが挙げられる。
脂環式基としては、シクロヘキシルなどのシクロアル
キル基;シクロヘキセニルなどのシクロアルケニル基な
どが挙げられる。
芳香族基としては、フェニル、トリル、キシリル、4
−t−ブチルフェニル、4−アミノフェニル、4−ニト
ロフェニル、3−ニトロフェニル、4−メトキシフェニ
ル、4−シアノフェニル、ナフチルなどのアリール基;
フェノキシ、4−t−ブチルフェノキシ、4−アミノフ
ェノキシ、4−ニトロフェノキシなどのアリールオキシ
基;フェニルチオ、トリルチオなどのアリールチオ基な
どが挙げられる。
アシル基としては、アセチル、プロピオニル、ヘキサ
ノイル、ウンデカノイルなどのアルカノイル基、あるい
はベンゾイルなどのアロイル基が挙げられる。
アミノ基としては、無置換のアミノ;メチルアミノ、
エチルアミノ、プロピルアミノ、イソプロピルアミノ、
ヘキシルアミノなどの炭素数1〜6のアルキル基が置換
したアルキルアミノ基;ジメチルアミノ、ジエチルアミ
ノ、ジプロピルアミノ、ジイソプロピルアミノ、ジヘキ
シルアミノ、メチルエチルアミノ、メチルプロピルアミ
ノ、エチルブチルアミノなどの炭素数1〜6のアルキル
基が置換したジアルキルアミノ基;フェニルアミノ、ジ
フェニルアミノなどの炭素数6〜8のアリール基が置換
したアリールアミノ基;メチルフェニルアミノ、エチル
フェニルアミノなどのアルキルアリールアミノ基等が挙
げられる。
アゾ基としては、 などの芳香族アゾ誘導体があげられる。
ハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素などが挙
げられる。
本発明の一般式(1)で表わされるマロンジアルデヒ
ド化合物において、好ましい弛緩基Rとしては、置換基
を有するか有しない芳香族基、ピリジル基及びシクロヘ
キシル基である。
特に好ましい芳香族基の例を下記の第1表に示す。
上記したマロンジアルデヒド化合物(1)は、例え
ば、次のようにして製造することができる。
一般式(2) (式中、Rは前述のものと同義である)で示される置換
酢酸化合物を、オキシ塩化リンとジメチルアセトアミド
の混合液と反応させ、 一般式(3) (式中、Rは前述のものと同義である)で示される化合
物を生成させた後、水酸化ナトリウムと反応させる方法
がある。
反応溶媒としては、前記反応成分に対して不活性なも
のであればよい。例えば、生成物(3)を合成する場
合、ジメチルホルムアミド、トリエチルアミンなどのア
ミン系溶媒が挙げられ、生成物(1)を合成する場合、
メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒が挙げ
られる。
反応モル比は、生成物(3)を合成する場合、置換酢
酸化合物(2)1モルに対して、オキシ塩化リン1.0〜1
0.0倍モルとジメチルホルムアミド1.0〜12.0倍モルが用
いられ、特に各々、5.0〜7.0と6.0〜8.0倍モルが好まし
い。また、生成物(1)を合成する場合、生成物(2)
1モルに対して水酸化ナトリウム1.0〜5.0倍モルが用い
られ、特に1.1〜1.5倍モルがましい。さらに反応を円滑
に行わせるために、水を加えることが好ましい。加える
量は、水酸化ナトリウムの重量%が15〜30%になる位が
よい。
反応温度は、生成物(3)を合成する場合、25〜100
℃が用いられるが、特に60〜80℃が好ましい。また生成
物(1)を合成する場合50〜100℃が用いられるが、特
に70〜80℃が好ましい。
反応時間は、いずれの場合でも3〜20時間が適当であ
る。
かくして得られるマロンジアルデヒド化合物は、一般
に白色結晶で結晶成長性もよく、かつ大きな二次の非線
形光学効果を有するものである。
マロンジアルデヒド化合物は、例えば、各種支持体上
に沈積した薄膜、ファイバー、宿主格子(ポリマー、包
接化合物、固溶体、結晶)中の分子包有物の形で非線形
光学素子として用いることができる。
マロンジアルデヒド化合物の非線形光学素子の作成方
法としては、ガラスキャピラリー中に結晶を成長させて
ファイバー導波路にする方法、支持体上(例えば、ガラ
ス基板状)に平面状に薄膜結晶を成長させて平面導波路
を作成する方法などが利用できる。
また、宿主格子(ポリマー、包接化合物、固溶体、結
晶)中の分子包有物の形の素子化も可能である。
(実施例) 次に合成例および実施例によって本発明をさらに具体
的に説明する。
合成例1 (2−フェニルマロンジアルデヒドの合成) オキシ塩化リン(138g、0.9mol)中に撹拌下ジメチル
ホルムアミド(81g、1.1mol)を30℃を超えないように
ゆっくり滴下した。滴下終了後、5分間撹拌した後に、
フェニル酢酸(40.8g、0.3mol)・ジメチルホルムアミ
ド150ml溶液をゆっくり滴下した。反応混合物をそれか
ら70℃、18時間撹拌加熱した。加熱終了後、室温までも
どし、反応混合物を1.25kgの氷の中へ注いだ。無水炭酸
カリウムで反応系を中性にし、その後50%水酸化ナトリ
ウム300〜400mlで強塩基にした。その時反応混合物の温
度は50℃を超えてはならない。ジエチルアミンの発生終
了後、反応混合物を氷水で冷却し、生成する沈殿を別
した。沈殿物は水でよく洗浄し、乾燥後エチルエーテル
で再結晶し、中間体を得た(収率57%)。
中間体(17.4g、0.1mol)を150mlのエタノールに溶解
し、次に25%の水酸化ナトリウム水溶液150mlを加え
た。この後反応混合物を80℃、3時間加熱した。反応終
了後、エタノールを留去し、反応混合物を氷水で冷却し
た。沈殿する生成物のナトリウム塩を別し、塩化メチ
レンでよく洗浄した。乾燥後、生成物のナトリウム塩を
水に溶解し、6N塩酸を加え酸性にした。生成物を別
し、エチルエーテルで再結晶して目的化合物No.1を得
た。
合成例2〜10 合成例1の方法と同様な操作で、下記に示しマロンジ
アルデヒド化合物No.2〜10を得た。( )内はトーナル
収率。
実施例1 第二高調波発生(SHG)の測定をS.K.Kurtzらの方法
(J.Appl.phys.,39,3798)に準じて、本発明の化合物の
分枚に対して行った。
線源としてNd:YAGレーザー(Spectra Physics社製YAG
レーザーDCR−3、ピーク出力110MW)の1.064μ線を使
用し、ガラスセル中に充填した粉末のサンプルに照射
し、発生した緑色光をフィルター(532nm)で分光、
し、光電子増倍管で検知した。なお、高調波変換効率の
絶対値を粉末法の結果より求めることは困難であるた
め、よく研究されている尿素を標準として用い、それと
の相対値として評価した結果を第2表に示す。
実施例2 非線形光学素子の製造は、例えばD.J.Williamsらの
“Non linear Optical properties of Organic and Pol
ymeric Materials"ACS、1983年刊に示されている方法に
準じて行った。一例をあげれば化合物No.1を炉内等にお
いて融液状態に保ち、この融液内に中空のガラスファイ
バー(例えば、外径が100μm、そして中心部に直径2
〜10μm程度の中空を有するもの)の一端部を浸入させ
た。毛細管現象により、融液状態の化合物No.1がガラス
ファイバーの中空部内に侵入し、その後ガラスファイバ
ーを冷却することで、化合物No.1を固化させた。次にこ
のガラスファイバーを化合物No.1の融点より高い温度に
保たれた炉内から、融点より低い温度に保たれた炉外に
徐々に引き出すことにより、融液状態の化合物No.1を炉
外への引出し部分から単結晶化させた。このようにして
製造された非線形光学素子の波長変換効率は、実施例1
と同じレーザーを用い、対物レンズで集光したレーザー
光を非線形光学素子端面に照射することにより、そのレ
ーザー光を素子内に入射し、発生する第二高調波の強度
をレーザーパワーメーターで測定することによって行っ
た。波長変換効率は、基本波光出力に対する第二高調波
光強度の比率であるが、基本波光出力が数百mW程度の場
合で0.1%程度であった。これは、MNAを上述のようにし
て作成した素子の波長変換効率と同程度である。
(発明の効果) 本発明による有機非線形光学素子は、非線形光学効果
が大きく、結晶成長性、耐久性が優れるマロンジアルデ
ヒド化合物を用いることを基本としており、非線形光学
効果を応用した種々用途に適用できるものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C07C 223/06 C07C 223/06 245/06 245/06 255/17 255/17 C07D 213/50 C07D 213/50 (72)発明者 伊坪 明 茨城県稲敷郡阿見町中央8丁目3番1号 三菱油化株式会社筑波総合研究所内 (72)発明者 戸田 秀夫 茨城県稲敷郡阿見町中央8丁目3番1号 三菱油化株式会社筑波総合研究所内 (56)参考文献 特開 平3−68540(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 - 3/02 C07C 1/00 - 409/00 C07D 213/00 - 213/90 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記一般式(1)で示されるマロンジアル
    デヒド化合物からなる非線形光学素子 (式中、Rは水素原子、炭素数1〜20の脂肪族、脂環式
    又は芳香族基、ピリジル基、アシル基、アミノ基、シア
    ノ基、ニトロ基、アゾ基及びハロゲン原子から選ばれた
    置換基を表す)
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