JP2862657B2 - 有機非線形光学材料 - Google Patents

有機非線形光学材料

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    • G02OPTICS
    • 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
    • G02F1/3615Organic materials containing polymers
    • G02F1/3617Organic materials containing polymers having the non-linear optical group in a side chain

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は光通信及び光情報処理分野等に用いられる光
学素子に有用な光学材料に関し、特に、非線形光学効果
を有し、かつ機械的強度や成形性がすぐれた有機非線形
光学材料に関する。
[従来の技術] レーザを光通信、光情報処理及び光加工等に応用する
ためには、偏向、変調あるいは波長変換等の種々の機能
を持った光学素子が必要となり、このような光学素子の
中核的な役割を果たすものとしては、非線形光学効果を
有する光学材料が知られている。
従来、非線形光学材料としてはLiNbO3、LiIO、KH2P
O4、GaAs等の無機系結晶体を中心に研究がなされてい
た。
しかしながら、これらの無機系結晶体は、原子、イオ
ン間の化学結合にかかわる電子が、光に応答して格子振
動を伴うので、ピコ秒より高速の応答が困難であるとい
う欠点があるとともに、強力レーザー光に対する破壊し
きい値が低く、MW/cm2オーダーであるという欠点があっ
た。また、これらの無機系結晶体は、一般に単結晶とし
て用いるので、機械的強度、特に衝撃強度が小さく、例
えば成形加工性が悪い等、実用上さまざまな欠点があっ
た。
また、非線形光学材料としては、尿素、p−ニトロア
ニリン(p−NA)、2−メチル−4−ニトロアニリン
(MNA)等の有機分子性結晶が知られている。これらの
有機分子性結晶は、分子内の非局在π電子に起因する大
きな非線形光学効果を有しており、この電子分極のため
に格子振動の影響を受けないので、無機系結晶体より速
い応答や高い光学破壊しきい値を示す。
しかしながら、これらの有機分子性結晶体は、無機系
結晶体と同様に、単結晶であることが大きな非線形光学
効果を得るための条件となっているので、高性能なもの
は機械的強度及び熱的安定性が不十分であり、その取扱
いがきわめて困難であるとともに、例えばオプティカル
ファイバーやフィルム等に成形するのにその加工性が悪
いという欠点があった。
[発明が解決しようとする課題] 本発明の目的は、非線形光学効果が大きく、かつ成形
加工性に優れた有機非線形光学材料を提供することにあ
る。
[課題を解決するための手段] 本発明の有機非線形光学材料は、 下記一般式(I)、(II)及び(III)で示される構
造単位からなり、単位(I)が0〜100モル%、単位(I
I)が0〜50モル%、単位(III)が0〜50モル%であっ
て、分子量が1万〜200万の重合体であることを特徴と
する。
[式(I)中、mは1〜10の整数を表わし、nは0又は
1を表わし、Xは−NR1−又は−O−を表わし、R1は水
素、メチル、又はエチルを表わし、Yは を表わし、Aは−NO2−、−CN又は−CF3を表わす] [式(II)中、R2はアルキル基を表わす] 以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に用いる重合体は、単位(I)が0〜100モル
%、好ましくは、50〜100モル%であり、単位(II)が
0〜50モル%、好ましくは、0〜20モル%であり、単位
(III)が0〜50モル%、好ましくは、0〜20モル%で
ある。
本発明に用いる重合体の分子量は、1万〜200万、好
ましくは50〜100万である。
次に本発明に用いる重合体の製造方法について説明す
る。
(重合体の製造方法) 本発明に用いる重合体は、例えば、次に示す重合工
程、加水分解工程、酸クロライド化工程及び光官
能基導入工程の4工程を経て合成することができる。ま
たの酸クロライド化工程を省略した合成経路も可能で
ある。
重合工程 [前記反応式中、R2はアルキル基を表わす] シアン化ビニリデンとp−カルボキシアルキル安息香
酸ビニルとを、ラジカル開始剤の存在下に共重合させ
て、シアン化ビニリデン−p−カルボキシアルキル安息
香酸ビニル共重合体を合成する。
重合反応は、常法により行うことができる。
本発明に用いる共重合体の原料であるシアン化ビニリ
デン−p−カルボキシアルキル安息香酸ビニル共重合体
は、交互共重合体でもランダム共重合体でもよいが、好
ましくは1対1の交互共重合体である。
シアン化ビニリデン−p−カルボキシアルキル安息香
酸ビニル共重合体の分子量は、1万〜200万、好ましく
は10万〜100万である。
加水分解工程 [前記反応式中、R2は前記に同じ] 得られたシアン化ビニリデン−p−カルボキシアルキ
ル安息香酸ビニル共重合体を、酸又は触媒で加水分解し
てカルボン酸にする。
ここで使用する酸としては、例えば塩酸、硫酸、酢
酸、トリフルオロ酢酸等を挙げることができる。これら
の酸は単独又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの酸は、例えばスルホラン、メタノール、エタ
ノール等のアルコール類や水等の溶媒と混合して用いる
ことができる。
前記触媒としては、例えばフェニルシラン等のシラン
化合物、すずの化合物等を挙げることができる。
加水分解の反応温度は、60〜100℃であり、反応時間
は、数時間〜数十時間である。
加水分解率は、5〜100%、好ましくは、50〜100%で
ある。
酸クロライド化工程 得られたカルボン酸を有機溶媒に溶解し、塩素化物の
存在下に、数時間加熱して酸クロライドに変換する。
使用する有機溶媒としては、カルボン酸を完全に溶解
し、塩素化物又は生成してくる酸クロライドと全く反応
しない溶媒が好ましく、例えばスルホラン等を挙げるこ
とができる。
使用する塩素化物としては、シュウ酸クロライド、チ
オニルクロライド、五塩化リンなどの一般的なクロライ
ド化試薬を挙げることができる。
加熱温度は、30〜100℃が好ましい。
次に、数時間の反応終了後、貧溶媒を用いて過剰の塩
素化物を完全に除去し、酸クロライド化処理した共重合
体を単離精製する。
用いる貧溶媒としては、酸クロライド化された共重合
体と反応しないものであれば特に制限はなく、例えばト
ルエン、ベンゼン、ヘキサン等の有機溶媒を挙げること
ができる。
光官能基導入工程 (式中、m、n、X、Y及びAは、前記に同じ) 本発明に用いる重合体は、得られた酸クロライド化処
理した共重合体をスルホラン等の有機溶媒に再溶解し、
次いで導入する非線形光学化合物とともに加熱して得る
ことができる。
導入する非線形光学化合物 (HO−(CH2 nX−YA) (式中、m、n、X、Y及びAは、前記に同じ)として
は、例えば、p−ニトロアニリン及びその誘導体、4−
ヒドロキシ−4′−ビフェニル及びその誘導体、4−ヒ
ドロキシ−4′−ニトロスチルベン及びその誘導体、4
−アミノ−4′−ニトロスチルベン及びその誘導体、
「ディスパーズレッド1」(Disporse Red 1[Aldrich
社製])及びその誘導体、p−ニトロフェニルイソシア
ネート及びその誘導体等を挙げることができる。
酸クロライド化処理した共重合体中への非線形光学化
合物の導入割合は、該共重合体中のカルボン酸又はその
誘導体(酸クロライド)に対して、5〜100%、好まし
くは50〜100%である。
加熱温度は、50〜100℃が好ましい。
(有機非線形光学材料の製造) 本発明の有機非線形光学材料は、このようにして得ら
れた重合体を、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチル
アセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等の単一溶
媒又はこれらを二種以上混合した溶媒に溶解し、これを
成形して得ることができる。
成形法としては、例えば溶媒キャスト法、スピンコー
ト法、湿式紡糸法等の公知の成形法を採用することがで
きる。
また、本発明の有機非線形光学材料は、得られた重合
体をパウダーの状態で、例えば、プレス成形法、押出成
形法等を採用して成形することができる。
本発明の有機非線形光学材料は、厚さ又は径が0.1〜1
000μm、特に1〜500μmのフィルム状又はファイバー
状に成形加工して用いることができる。
また、本発明の有機非線形光学材料がフィルム又はシ
ートであるときには、その配向性を高めるために、2〜
6倍に延伸したものが好ましく、その場合の延伸方法と
しては、機械的な一軸延伸又は二軸延伸が好ましい。
本発明の有機非線形光学材料は、フィルム、シート、
ファイバ等の所望形状に成形したものを、電気的に分極
することにより、その非線形光学効果を増大させること
ができる。
電気的に分極する方法としては、例えば、有機非線形
光学材料がフィルム状又はシート状であるの場合には、
その両面に電極としての金属塗膜を密着させ、これに電
圧を印加する方法を挙げることができる。
有機非線形光学材料に設ける電極としては、金属箔、
金属板、導電ペースト又は化学メッキ、真空蒸着若しく
はスッパタリングにより形成した金属塗膜等を挙げるこ
とができる。
電極に印加する電圧は、10kv/cm以上であって絶縁破
壊を生じない程度の電界強度であり、好ましくは100〜1
500kv/cmである。
分極処理の時間は、特に制限はなく、10分〜5時間、
好ましくは10分〜2時間である。
分極処理の温度は、処理する有機非線形光学材料のガ
ラス転位温度をTg℃とすると、Tg−20℃〜Tg+20℃、好
ましくはTg−5℃〜Tg+5℃である。
また、有機非線形光学材料をスピンコートで成形する
場合には、ネサガラス上にスピンコートし、次いで減圧
乾燥して得られた有機非線形光学材料を、通常のコロナ
放電を用いて分極する方法を採用することができる。
コロナ放電を用いた分極処理の条件は、前述のフィル
ム状又はシート状の有機非線形光学材料の場合と同様で
ある。
[実施例] 次に実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する
が、本発明はこの実施例によりなんら限定されるもので
はない。
(実施例1) 有機非線形光学材料に用いる重合体の合成 シアン化ビニリデン−p−カルボキシメチル安息香
酸ビニル共重合体の加水分解 常法によって製造したシアン化ビニリデン−p−カル
ボキシアルキル安息香酸ビニル共重合体10gをトリフル
オロ酢酸200ml、塩酸300mlの混合液中に懸濁し、80℃で
10時間撹拌した。反終了後、反応液を水中に投入するこ
とによって析出してきた加水分解物を別し、洗液が中
性になるまで水洗をくり返した。次に、70〜80℃で減圧
乾燥を行ない、下記構造式で示される加水分解物8.8gを
白色パウダーとして得た。なお、使用したシアン化ビニ
リデン−p−カルボキシアルキル安息香酸ビニル共重合
体の平均分子量は50万であった。得られた加水分解物の
同定は、1H−NMR(400MHz、DMSo−d6)により行った。
その結果から、安息香酸ビニルユニットのエステル部分
の加水分解率が、96%であることが判明した。
加水分解物への光官能基の導入 加水分解物1gをスルホラン50mlに溶解させた。この混
合物にシュウ酸クロライド2mlを加え、80℃で2時間加
熱撹拌した。トルエンを加え、数回トリチュレイトする
ことにより過剰のシュウ酸クロライドを除去した。これ
を再度スルホラン50mlに溶解し、パラニトロアニリン1g
を加え、80℃で11時間加熱撹拌することにより、側鎖に
パラニトロアニリンが導入された下記構造式を有するポ
リマー320mgを得た。このポリマーのガラス転移温度
は、232℃であった。得られたポリマーの1H−NMRチャー
トを第1図に示す。その結果に基づいて決定したポリマ
ー中の各ユニット比を下記構造式に示す。
溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミドを使用したGPC
によって分子量を測定した結果、得られたポリマーの分
子量(MW)は55万であった。
[実施例2] パラニトロアニリン1gに代えて4−(6−ヒドロキシ
ヘキシロキシ)−4′−ニトロビフェニル2gを用いたほ
か、実施例1と同様にして下記構造式で示されるポリマ
ー520mgを得た。このポリマーのガラス転移温度は235℃
であった。1H−NMRの結果に基づいて決定したポリマー
中の各ユニット比を下記構造式に示す。
得られたポリマーの分子量を実施例1と同様にして測
定した。得られたポリマーの分子量(MW)は62万であっ
た。
[実施例3] パラニトロアニリン1gに代えてディスパースレッド1
(Disperse Red 1)[Aldrich社製]2gを用いたほか
は、実施例1と同様にして、下記構造式を有するポリマ
ー480mgを得た。このポリマーのガラス転移温度は242℃
であった。1H−NMRの結果に基づいて決定したポリマー
中の各ユニット比を下記構造式に示す。
得られたポリマーの分子量を実施例1と同様にして測
定した。得られたポリマーの分子量(MW)は68万であっ
た。
(実施例4) 実施例1〜3で合成したポリマーをそれぞれN,N−ジ
メチルアセトアミドに溶解し、ネサガラス上にスピンコ
ートした後に、減圧乾燥して薄膜を得た。このスピンコ
ート膜にコロナ分極を施した。
このように分極処理したスピンコート膜について、Je
rphagnonらの方法[J.Appl.Phys.,41、1967(1970)]
に準拠し、2次非線形光学定数(d33)の測定を行なっ
た。
その結果を第1表に示す。
[発明の効果] 本発明の有機非線形光学材料は、非線形光学効果が大
きく、しかも成形加工性に優れているので、光波長変換
素子、光シャッター、光偏光素子、光強度、位相変調素
子、高速光スイッチング素子等の光学材料に有用であ
り、光通信、光情報処理、光加工の分野に幅広く応用す
ることができる。また、本発明の有機非線形光学材料
は、波長変換や電気光学効果ばかりでなく、圧電、焦電
効果においても優れているので、スピーカ、ヘッドホ
ン、超音波素子、衝撃センサ、加速度センサ等の各種セ
ンサ及び赤外線センサ、防犯センサ、温度センサ、火災
検知等の各種検知器に幅広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、実施例1で得られたポリマーの1H−NMRチャ
ートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大橋 由紀子 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 鄒 徳春 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 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 504 CAS

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記一般式(I)、(II)及び(III)で
    示される構造単位からなり、単位(I)が0〜100モル
    %、単位(II)が0〜50モル%、単位(III)が0〜50
    モル%であって、分子量が1万〜200万の重合体である
    ことを特徴とする有機非線形光学材料。 [式(I)中、mは1〜10の整数を表わし、nは0又は
    1を表わし、Xは−NR1−又は−O−を表わし、R1は水
    素、メチル、又はエチルを表わし、Yは を表わし、Aは−NO2−、−CN又は−CF3を表わす] [式(II)中、R2はアルキル基を表わす]
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