JP4196019B2 - Thin film optical element, light control method and light control apparatus using the same - Google Patents

Thin film optical element, light control method and light control apparatus using the same Download PDF

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  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば光通信、光情報処理などの光エレクトロニクスおよびフォトニクスの分野において有用な、薄膜光素子およびそれを用いる光制御方法および光制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超高速情報伝達・処理を目的として、光の多重性、高密度性に着目した光エレクトロニクスおよびフォトニクスの分野において、光学材料または光学組成物を加工して作成した光学素子に光を照射することで引き起こされる透過率や屈折率の変化を利用して、電子回路技術を用いずに、光の強度（振幅）または周波数（波長）を変調しようとする光・光制御方法の研究開発が盛んに進められている。また、光の特徴を活かして、並列光論理演算や画像処理を行おうとする場合、光ビームの断面に光強度分布変化など、何等かの変調を行うための「空間光変調器」が極めて重要であり、ここへも光・光制御方法の適用が期待される。
【０００３】
光・光制御方法への応用が期待される現象としては可飽和吸収、非線形屈折、フォトリフラクティブ効果などの非線形光学効果、およびフォトクロミック現象が広く注目を集めている。
【０００４】
一方、第一の波長帯域の光で励起された分子が、分子構造の変化を伴わずに、第一の波長帯域とは異なる第二の波長帯域において新たに光吸収を起こす現象も知られており、これを「励起状態吸収」または「誘導吸収」、あるいは「過渡吸収」と呼ぶことができる。
【０００５】
励起状態吸収の応用を試みた例としては、例えば、特開昭５３−１３７８８４号公報にはポルフィリン系化合物と電子受容体を含んだ溶液または固体に対して波長の異なる少なくとも二種類の光線を照射し、この照射により一方の波長の光線が有する情報を他方の光線の波長に移すような光変換方法が開示されている。また、特開昭５５−１００５０３号公報および特開昭５５−１０８６０３号公報にはポルフィリン誘導体などの有機化合物の基底状態と励起状態の間の分光スペクトルの差を利用し、励起光の時間的な変化に対応して伝搬光を選択するような機能性の液体コア型光ファイバーが開示されている。また、特開昭６１−１２９６２１には、酸化ウラニウムをドープしたバリウムクラウンガラスからなるファイバーに、第一光子束を減衰しないように導入し、第二光子束を導入することにより第一光子束を減衰させると共に、ファイバーのエネルギーレベル２をポピュレイトし、第一光子束の一部が吸収されてエネルギーレベル３をポピュレイトし、エネルギーレベル３の一部が再びエネルギーレベル２に戻って第一光子束を更に減衰させる段階を含む放射エネルギー透過制御方法が開示されている。また、特開昭６３−８９８０５号公報には光によって励起された三重項状態から更に上位の三重項状態への遷移に対応する吸収を有するポルフィリン誘導体などの有機化合物をコア中に含有しているプラスチック光ファイバーが開示されている。また、特開昭６３−２３６０１３号公報にはクリプトシアニンなどのシアニン色素の結晶に第一の波長の光を照射して分子を光励起した後、第一の波長とは異なる第二の波長の光を前記分子に照射し、第一の波長の光による光励起状態によって第二の波長の光の透過または反射をスイッチングするような光機能素子が開示されている。また、特開昭６４−７３３２６号公報にはポルフィリン誘導体などの光誘起電子移動物質をマトリックス材料中に分散した光変調媒体に第一および第二の波長の光を照射して、分子の励起状態と基底状態の間の吸収スペクトルの差を利用して光変調するような光信号変調媒体が開示されている。
【０００６】
これら従来技術で用いられている光学装置の構成としては、特開昭５５−１００５０３号公報、特開昭５５−１０８６０３号公報、および特開昭６３−８９８０５号公報には伝搬光の伝播する光ファイバーを励起光の光源（例えばフラッシュランプ）の周囲に巻きつけるような装置構成が開示されており、特開昭５３−１３７８８４号公報および特開昭６４−７３３２６号公報には光応答性光学素子内部の信号光に相当する光の伝播している部分全体に信号光の光路とは別の方向から制御光に相当する光を収束させることなくむしろ投射レンズなどの手段によって拡散させて照射するような装置構成が開示されている。
【０００７】
更に、従来技術においては、熱効果による屈折率分布を利用して光の変調を行う方法も検討されている。特開昭５９−６８７２３号公報には、発熱抵抗体へ入力電気信号を通電し、前記発熱手段からの熱を受け屈折率分布を生じる液体媒体中の屈折率分布によって、光束の波面を変形するような光変調素子が開示されており、ＫＨｚのオーダー、すなわちミリ秒のオーダーで屈折率分布形成から消滅までのサイクルを行うことができると記載されている。また、特開昭６０−１３０７２３号公報には、近赤外線制御光を熱吸収層で熱エネルギーに変換し、この熱を近赤外線反射膜層および可視光線反射膜層を通じて熱効果媒体まで伝熱させ、熱効果媒体中に発生する屈折率分布によって、可視光線反射膜層へ入射する光束の波面を変換する方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の熱効果による屈折率分布を利用した光の変調を行う方法は、熱効果を生ずるまでの熱の伝達経路が長く、かつ、制御光ビーム断面積よりも温度上昇部分の面積が拡大しながら伝達されるため伝達経路の体積、すなわち熱容量が大きくなって、制御光から与えられるエネルギーの利用効率が低く、また、高速応答も望めない。
【０００９】
また、上述したいずれの従来技術も、実用に足りる大きさの透過率変化または屈折率変化を引き起こすため、非常に高密度の光パワーを必要としたり、光照射に対する応答が遅かったり、光学系の微妙な調整が必要で、かつ光学系の多少の変動で制御光出力が大きく変動したりするため、実用に至るものは未だ得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決し、できる限り低い光パワーで充分な大きさおよび速度の光応答を引き出せるような薄膜光素子およびそれを用いる光制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の請求項１記載の発明に係る薄膜光素子は、少なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子中の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う薄膜光素子において、前記光吸収層膜の厚さが、収束された前記制御光の共焦点距離の２倍を越えないことを特徴とする。
【００１２】
ここで、信号光および制御光は、反射による損失を最小限にするため、前記薄膜光素子へほぼ垂直に入射するものとする。
【００１３】
また、ここで共焦点距離とは、凸レンズなどの収束手段で収束された光束がビームウエスト（焦点）の近傍において、ほぼ平行光と見なすことのできる区間の距離である。進行方向ビーム断面の電場の振幅分布、すなわち光束のエネルギー分布がガウス分布となっているガウスビームの場合、共焦点距離Ｚc は、円周率π、ビームウエスト半径ω0 および波長λを用いた式（１）で表すことができる。
【００１４】
【数１】
Ｚc ＝ πω0 2 ／λ …（１）
なお、光吸収層膜の膜厚の下限については、光応答が検知できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好ましい。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項２記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１に記載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記制御光および前記信号光の波長帯域において光透過性の保温層膜が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項３記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１または請求項２に記載の薄膜光素子において、前記保温層膜が存在しない場合には、前記光吸収層膜の片側または両側に前記伝熱層膜が設けられ、一方、前記保温層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記保温層膜を介して、伝熱層膜が設けられたことを特徴とする。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項４記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜および／または前記保温層膜および／または前記伝熱層膜が自己形態保持性の材質からなることを特徴とする。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項５記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜光素子において、収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜が前記光吸収層膜の制御光入射側に、また前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設けられたことを特徴とする。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項６記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜が、前記制御光の波長帯域の光を吸収する色素ないし色素分子凝集体を含有していることを特徴とする。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項７記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸収膜、保温層膜、光反射膜のいずれかを介して光透過膜が設けられ、
更に、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とする。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項８記載の発明に係る光制御方法は、請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする。
【００２２】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項９記載の発明に係る光制御方法は、請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１０記載の発明に係る光制御方法は、請求項８または請求項９に記載の光制御方法において、前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲（開口角）で取り出すことによって、強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すことを特徴とする。
【００２４】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１１記載の発明に係る光制御装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段を有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１２記載の発明に係る光制御装置は、請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることにより、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段として前記凸レンズを有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする。
【００２６】
また、上記目的を達成するために、本願の請求項１３記載の発明に係る光制御方法は、請求項１１または請求項１２に記載の光制御装置において、強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すための手段として、前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲（開口角）で取り出す手段を設けたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２８】
［薄膜光素子の構成］
本発明の薄膜光素子は単層型または積層膜型構造を有し、その構成としては以下のような組み合わせを挙げることができる
（１）光吸収層膜単独
（２）光吸収層膜／保温層膜
（３）保温層膜／光吸収層膜／保温層膜
（４）光吸収層膜／伝熱層膜
（５）伝熱層膜／光吸収層膜／伝熱層膜
（６）光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（７）伝熱層膜／光吸収層膜／保温層膜
（８）伝熱層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（９）伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜
（１０）伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（１１）凸レンズ／光透過層膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光素子。
【００２９】
積層膜の構成が非対称な場合、例えば、上記（２）「光吸収層膜／保温層膜」のような場合、制御光を光吸収層膜側から入射させても良いし、保温層膜側から入射させても良い。従って、凸レンズ／光透過膜層を積層した場合の構成は、例えば次のようになる
（１２）凸レンズ／光透過層膜／光吸収層膜／保温層膜
（１３）凸レンズ／光透過層膜／保温層膜／光吸収層膜。
【００３０】
収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を前記光吸収層膜の制御光入射側に、前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設ける。その場合の構成は、次のようになる
（１４）光反射膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光素子
（１５）凸レンズ／光透過層膜／光反射膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光素子。
【００３１】
なお、必要に応じて光の入射面および出射面に反射防止膜層（ＡＲコート膜層）を設けても良い。
【００３２】
本発明の薄膜光素子の構成を例示した断面図を図１１に示す。図１１に示すように、薄膜光素子は、制御光Ｓ１および信号光Ｓ２の入射側から、凸レンズ８７／光透過層膜８６／孔８３を設けた反射膜８４／保温層膜８１／光吸収層膜８０／保温層膜８１／伝熱層膜８２の順に積層されてなる。
【００３３】
光吸収層膜、保温層膜、伝熱層膜、および光反射膜の材料、作成方法、各々の膜厚、光反射膜の孔の大きさなどについて、以下に、順を追って説明する。
【００３４】
［光吸収層膜の材料］
本発明の薄膜光素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料としては、公知の種々のものを使用することができる。
【００３５】
本発明の薄膜光素子が光吸収層膜単独の単層型構造である場合、光吸収層膜は自己形態保持性の材質である必要がある。ここで、自己形態保持性の材質とは、薄膜光素子としての形態（薄膜）を、支持手段なしに維持できるような性状を有する材料のことをいう。例えば、無機ガラス材質であれば、数μｍの厚さで、数ｍｍ角の大きさの薄膜光素子としての形態を「自己形態保持」することができるものである。一方、色素を含有したポリメタクリル酸メチルのような材料を用いて数μｍの厚さの光吸収膜を形成させる場合は、何等かの支持手段が必要である。このような場合は、例えば、後述のように、無機ガラス材質からなる伝熱層膜を支持手段を兼ねて、組み合わせて用いる必要がある。
【００３６】
本発明の薄膜光素子が積層型構造であっても、光吸収性材料自身に自己形態保持能力があれば、薄膜光素子の構成を設計する際の自由度が増す。一方、後に述べる保温層膜および／または伝熱層膜が自己形態保持性であれば、光吸収層膜が自己形態保持性でなくても差し支えない。
【００３７】
本発明の薄膜光素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料の例を具体的に挙げるならば、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＴｅ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体の単結晶、前記化合物半導体の微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、異種金属イオンをドープした金属ハロゲン化物（例えば、臭化カリウム、塩化ナトリウムなど）の単結晶、前記金属ハロゲン化物（例えば、臭化銅、塩化銅、塩化コバルトなど）の微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、銅などの異種金属イオンをドープしたＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅなどのカドミウムカルコゲナイドの単結晶、前記カドミウムカルコゲナイドの微粒子をマトリックス材料中に分散したもの、シリコン、ゲルマニウム、セレン、テルルなどの半導体単結晶薄膜、多結晶薄膜ないし多孔質薄膜、シリコン、ゲルマニウム、セレン、テルルなどの半導体微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、ルビー、アレキサンドライト、ガーネット、Ｎｄ：ＹＡＧ、サファイア、Ｔｉ：サファイア、Ｎｄ：ＹＬＦなど、金属イオンをドープした宝石に相当する単結晶（いわゆるレーザー結晶）、金属イオン（例えば、鉄イオン）をドープしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、ＬｉＢ3Ｏ5、ＬｉＴａＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＮｂＯ3、ＢａＢ2Ｏ2などの強誘電性結晶、金属イオン（例えば、ネオジウムイオン、エルビウムイオンなど）をドープした石英ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、その他のガラスなどのほか、マトリックス材料中に色素を溶解または分散したものを好適に使用することができる。
【００３８】
これらの中でも、マトリックス材料中に色素を溶解または分散したものは、マトリックス材料および色素の選択範囲が広く、かつ薄膜光素子への加工も容易であるため、本発明で特に好適に用いることができる。
【００３９】
本発明で用いることができる色素の具体例としては、例えば、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、エオシン、フロキシンＢなどのキサンテン系色素、アクリジンオレンジ、アクリジンレッドなどのアクリジン系色素、エチルレッド、メチルレッドなどのアゾ色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、３，３’−ジエチルチアカルボシアニンヨージド、３，３’−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージドなどのシアニン色素、エチル・バイオレット、ビクトリア・ブルーＲなどのトリアリールメタン系色素などを好適に使用することができる。
【００４０】
本発明では、これらの色素を単独で、または、２種以上を混合して使用することができる。
【００４１】
本発明で用いることのできるマトリックス材料は、
（１）本発明の光制御方法で用いられる光の波長領域で透過率が高いこと、
（２）本発明で用いられる色素または種々の微粒子を安定性良く溶解または分散できること、
（３）前述のように必要に応じて自己形態保持性であること、
という条件を満足するものであれば任意のものを使用することができる。
【００４２】
無機系のマトリックス材料としては、例えば金属ハロゲン化物の単結晶、金属酸化物の単結晶、金属カルコゲナイドの単結晶、石英ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラスなどの他、いわゆるゾルゲル法で作成された低融点ガラス材料などを使用することができる。
【００４３】
また、有機系のマトリックス材料としては、例えば種々の有機高分子材料を使用することができる。
【００４４】
これらのマトリックス材料中へ色素を溶解または分散させるには公知の方法を用いることができる。例えば、色素とマトリックス材料を共通の溶媒中へ溶解して混合した後、溶媒を蒸発させて除去する方法、ゾルゲル法で製造する無機系マトリックス材料の原料溶液へ色素を溶解または分散させてからマトリックス材料を形成する方法、有機高分子系マトリックス材料のモノマー中へ、必要に応じて溶媒を用いて、色素を溶解または分散させてから該モノマーを重合ないし重縮合させてマトリックス材料を形成する方法、色素と有機高分子系マトリックス材料を共通の溶媒中に溶解した溶液を、色素および熱可塑性の有機高分子系マトリックス材料の両方が不溶の溶剤中へ滴下し、生じた沈殿を濾別し乾燥してから加熱・溶融加工する方法などを好適に用いることができる。色素とマトリックス材料の組み合わせおよび加工方法を工夫することで、色素分子を凝集させ、「Ｈ会合体」や「Ｊ会合体」などと呼ばれる特殊な会合体を形成させられることが知られているが、マトリックス材料中の色素分子をこのような凝集状態もしくは会合状態を形成する条件で使用しても良い。
【００４５】
また、これらのマトリックス材料中へ前記の種々の微粒子を分散させるには公知の方法を用いることができる。例えば、前記微粒子をマトリックス材料の溶液、または、マトリックス材料の前駆体の溶液に分散した後、溶媒を除去する方法、有機高分子系マトリックス材料のモノマー中へ、必要に応じて溶媒を用いて、前記微粒子を分散させてから該モノマーを重合ないし重縮合させてマトリックス材料を形成する方法、微粒子の前駆体として、例えば過塩素酸カドミウムや塩化金などの金属塩を有機高分子系マトリックス材料中へ溶解または分散した後、硫化水素ガスで処理して硫化カドミウムの微粒子を、または、熱処理することで金の微粒子を、それぞれマトリックス材料中に析出させる方法、化学的気相成長法、スパッタリング法などを好適に用いることができる。
【００４６】
なお、本発明で用いられる光吸収性材料は、その機能に支障をきたさない範囲において、加工性を向上させたり、光学素子としての安定性・耐久性を向上させるため、添加物として公知の酸化防止剤、紫外線吸収剤、一重項酸素クエンチャー、分散助剤などを含有しても良い。
【００４７】
［保温層膜の材料］
保温層膜としては気体、液体、および、固体の材料を用いることができる。保温層膜の材質が気体や液体の場合のように、自己形態保持性でない場合は、例えば、光吸収層膜および伝熱層膜を自己形態保持性の材質で作成し、保温層膜の厚さに相当する空乏を設け、そこへ気体または液体の保温層膜材料を注入することで、保温層膜を作成することができる。保温層膜の材質が固体の場合は、光吸収層膜に保温層膜を積層させて作成すれば良い。
【００４８】
保温層膜の厚さは、用いる材料の種類にもよるが、数ナノメートルから数百μｍの範囲の厚さであれば良く、数十ナノメートルから数十μｍの範囲であれば特に好適である。
【００４９】
保温層膜として気体を用いる場合は、空気の他、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスを好適に用いることができる。
【００５０】
保温層膜として液体を用いる場合は、熱伝導率が光吸収層膜と同等か光吸収層膜よりも小さい材質であって、かつ、制御光および信号光を透過し、光吸収層膜の材質を溶解または腐食しないものであれば、任意の液体を用いることができる。例えば、光吸収層膜がシアニン色素を含有したポリメタクリル酸メチルからなる場合、流動性パラフィンを用いることができる。
【００５１】
保温層膜として固体を用いる場合は、熱伝導率が光吸収層膜と同等か光吸収層膜よりも小さい材質であって、かつ、制御光および信号光を透過し、光吸収層膜や伝熱層膜の材質と反応しないものであれば、任意の固体を用いることができる。例えば、光吸収層膜がシアニン色素を含有したポリメタクリル酸メチルからなる場合、色素を含まないポリメタクリル酸メチル［３００Ｋにおける熱伝導率０．１５Ｗｍ-1Ｋ-1］を保温層膜として用いることができる。
【００５２】
［伝熱層膜の材料］
伝熱層膜としては、熱伝導率が光吸収層膜よりも大きい材質が好ましく、制御光および信号光を透過し、光吸収層膜や保温層膜の材質と反応しないものであれば、任意のものを用いることができる。熱伝導率が高く、かつ、可視光線の波長帯域における光吸収が小さい材質として、例えば、ダイアモンド［３００Ｋにおける熱伝導率９００Ｗｍ-1Ｋ-1］、サファイア［同４６Ｗｍ-1Ｋ-1］、石英単結晶［ｃ軸に平行方向で同１０．４Ｗｍ-1Ｋ-1］、石英ガラス［同１．３８Ｗｍ-1Ｋ-1］、硬質ガラス［同１．１０Ｗｍ-1Ｋ-1］などを伝熱層膜として好適に用いることができる。
【００５３】
［光反射膜の材料］
光反射膜としては、制御光および信号光を反射し、光吸収層膜、保温層膜および伝熱層膜の材質と反応しないものであれば、任意のものを用いることができる。アルミニウムや金などの金属薄膜、もしくは、酸化チタンと酸化ケイ素の交互積層膜からなる誘電体多層膜を光反射膜として好適に用いることができる。
【００５４】
［凸レンズの材料］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とするが、この凸レンズの材質としては、公知の、任意のものを使用することができる。 例えば、ポリメチルメタクリル酸エステル系樹脂などのプラスチック、光学ガラスなどを好適に使用することができる。
【００５５】
［光透過層膜の材料］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とするが、光透過層膜の材質としては、固体の保温層膜および／または伝熱層膜の材質と同様のものを使用することができる。
【００５６】
［薄膜光素子の作成方法］
本発明の薄膜光素子の作成方法は、薄膜光素子の構成および使用する材料の種類に応じて任意に選定され、公知の方法を用いることができる。
【００５７】
例えば、薄膜光素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料が、前述のような単結晶の場合、単結晶の切削・研磨加工によって、光吸収層膜を作成することができる。
【００５８】
例えば、色素を含有したマトリックス材料からなる光吸収層膜と、光学ガラスを伝熱層膜として組み合わせて用いた「光吸収層膜／伝熱層膜」という積層型構造の薄膜光素子を作成する場合、以下に列挙するような方法によって、光吸収層膜を作成することができる。
【００５９】
色素およびマトリックス材料を溶解した溶液を、伝熱層膜として用いられるガラス板上に塗布法、ブレードコート法、ロールコート法、スピンコート法、ディッピング法、スプレー法などの塗工法で塗工するか、あるいは、平版、凸版、凹版、孔版、スクリーン、転写などの印刷法で印刷して光吸収膜層を形成する方法。この場合、光吸収膜層の形成にゾルゲル法による無機系マトリックス材料作成方法を利用することもできる。
【００６０】
電着法、電解重合法、ミセル電解法（特開昭６３−２４３２９８号報）などの電気化学的成膜手法を用いることができる。
【００６１】
水の上に形成させた単分子膜を移し取るラングミア・ブロジェット法を用いることができる。
【００６２】
光吸収層膜を形成する有機高分子系マトリックス材料が熱可塑性の場合、ガラス板を伝熱層膜として組み合わせることによって、ホットプレス法（特開平４−９９６０９号公報）を用いて「伝熱層膜／光吸収膜層／伝熱膜層」という積層型構造の薄膜光素子を作成することができる。
【００６３】
原料モノマーの重合ないし重縮合反応を利用する方法として、例えば、モノマーが液体の場合、キャスティング法、リアクション・インジェクション・モールド法、プラズマ重合法、および、光重合法などがあげられる。
【００６４】
昇華転写法、蒸着法、真空蒸着法、イオンビーム法、スパッタリング法、プラズマ重合法、ＣＶＤ法、有機分子線蒸着法、などの方法を用いることもできる。
【００６５】
２成分以上の有機系光学材料を溶液または分散液状態で各成分毎に設けた噴霧ノズルから高真空容器内に噴霧して基板上に堆積させ、加熱処理することを特徴とする複合型光学薄膜の製造方法（特許公報第２５９９５６９号）を利用することもできる。
【００６６】
以上のような固体の光吸収層膜の作成方法は、例えば、固体の有機高分子材料からなる保温層膜を作成する場合にも、好適に使用することができる。
【００６７】
［凸レンズの作成方法］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とするが、この凸レンズの作成方法としては、公知の、任意のものを使用することができる。
例えば、モノマーの浸透・拡散現象を利用して、屈折率分布型の凸レンズを有機高分子系材質で作成することができる［M.Oikawa,K.Iga,T.Sanada: Jpn.J.Appl.Phys,20(1),L51-L54(1981)］。すなわち、モノマー交換技術によって、屈折率分布レンズを平坦な基板上にモノリシックに作ることができ、例えば、低屈折率プラスチックとしてのメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９４）を、３．６ｍｍφの円形ディスクのマスクのまわりから、高屈折率を持つポリイソフタル酸ジアクリル（ｎ＝１．５７０）の平坦なプラスチック基板中へ拡散させる。
【００６８】
また、無機イオンの拡散現象を利用し、屈折率分布型凸レンズを無機ガラス系材質で作成することができる［M.Oikawa,K.Iga: Appl.Opt.,21(6),1052-1056(1982)］。すなわち、ガラス基板にマスクを付けてからフォトリソグラフィの手法により直径百μｍ前後の円形窓を設け、溶融塩に浸けてイオン交換により屈折率分布を形成させるに当たり、数時間に渡って電界を印加してイオン交換を促進させることによって、例えば、直径０．９ｍｍ、焦点距離２ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．２３のレンズを形成させることができる。
【００６９】
なお、上記のような方法で、基板中に凸レンズを作成する際に用いられる「マスク」を、本発明の薄膜光素子における「収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜」と兼用して用いることができる。
【００７０】
［光反射膜に孔を設ける方法］
本発明の薄膜光素子実施形態の一つは、収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を有することを特徴とするが、光反射膜に、この孔を設ける方法としては、公知の任意の方法を用いることができる。例えば、ガラス性の伝熱層膜上に設けられた、金属蒸着膜からなる光反射膜にフォトレジストを塗工した後、定法に従って、フォトエッチングの手法によって、孔を設けることができる。孔の形および大きさについては後で述べる。
【００７１】
［ビームウエスト直径の計算］
以下、進行方向ビーム断面の電場の振幅分布、すなわち光束のエネルギー分布がガウス分布となっているガウスビームの場合について述べる。なお、以下の説明では、ビーム収束手段として集光レンズ（凸レンズ）を用いる場合について説明するが、収束手段が凹面鏡や屈折率分散型レンズであっても同様である。
【００７２】
ガウスビームを、集光レンズ７などで、開き角２θで収束させたときの焦点Ｆc 近傍における光線束および波面３０の様子を図３に示す。ここで、波長λのガウスビームの直径２ωが最小になる位置を「ビームウエスト」という。以下、ビームウエスト直径を２ω0 で表すものとする。光の回折作用のため、２ω0 はゼロにはならず、有限の値を持つ。なお、ビーム半径ωやω0 の定義は、ガウスビームのビーム中心部分のエネルギーを基準として、エネルギーが１／ｅ2 （ｅは自然対数の底）になる位置をビーム中心から測ったときの距離である。いうまでもなく、ビームウエストの中心において、光子密度は最も高い。
【００７３】
ガウスビームの場合、ビームウエストから充分に遠方でのビーム広がり角θは波長λおよびビームウエスト径ω0 と、次の式（２）で関係づけられる。
【００７４】
【数２】
π・θ・ω0 ≒ λ …（２）
ここで、πは円周率である。
【００７５】
「ビームウエストから充分に遠方」という条件を満たす場合に限りこの式を用いて、集光レンズに入射するビーム半径ω、集光レンズの開口数および焦点距離から、集光レンズで集光されたビームウエスト径ω0 を計算することができる。
【００７６】
更に一般的に、有効開口半径ａおよび開口数ＮＡの集光レンズで、ビーム半径ωの平行ガウスビーム（波長λ）を収束させた場合のビームウエスト直径２ω0 は、次の式（３）で表すことができる。
【００７７】
【数３】
２ω0 ≒ ｋ・λ／ＮＡ …（３）
ここで、係数ｋは代数的に解くことができないため、レンズ結像面での光強度分布についての数値解析計算を行うことによって決定することができる。
【００７８】
集光レンズに入射するビーム半径ωと集光レンズの有効開口半径ａの比率を変えて、数値解析計算を行うと、式（３）の係数ｋの値は以下のように求まる。
【００７９】
【数４】
ａ／ω ＝ １ のとき ｋ ≒ ０．９２
ａ／ω ＝ ２ のとき ｋ ≒ １．３
ａ／ω ＝ ３ のとき ｋ ≒ １．９
ａ／ω ＝ ４ のとき ｋ ≒ ３
すなわち、集光レンズの有効開口半径ａよりもビーム半径ωが小さければ小さい程、ビームウエスト径ω0 は大きくなる。
【００８０】
例えば、集光レンズとして焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径約４ｍｍのレンズを用い、波長６９４ｎｍの信号光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４９μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．６μｍと計算される。同様にして波長６３３ｎｍの制御光を収束したとき、ビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４５μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．５μｍと計算される。
【００８１】
この計算例から明らかなように、集光レンズの焦点近傍の光子密度が最も高い領域、すなわちビームウエストにおける光ビームの断面積を最小にするには、集光レンズが受光可能な最大限まで、ビーム径を拡大（ビームエキスパンド）すれば良い。また、集光レンズへ入射するビーム径が同一の場合、光の波長が短い程、ビームウエスト径は小さくなることも判る。
【００８２】
本発明の光制御方法において光応答を大きくするには、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記信号光のビーム断面積が、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記制御光のビーム断面積を越えないように前記信号光および前記制御光のビーム断面の形状および大きさをそれぞれ設定することが好ましい。信号光および制御光ともにガウスビームを用いる場合であれば、以上の説明および計算式に従って、集光レンズなどの収束手段で収束する前の平行ビームの状態で、波長に応じて、信号光および制御光のビーム径を、必要に応じてビームエキスパンドするなどして、調節することによって、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記信号光のビーム断面積が、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における前記制御光のビーム断面積を越えないようにすることができる。ビームエキスパンドの手段としては、公知のもの、例えば２枚の凸レンズからなるケプラー型の光学系を用いることができる。
【００８３】
［共焦点距離Ｚc の計算］
先に述べたように、ガウスビームの場合、凸レンズなどの収束手段で収束された光束のビームウエスト近傍、すなわち、焦点を挟んで共焦点距離Ｚc の区間においては、収束ビームはほぼ平行光と見なすことができ、共焦点距離Ｚc は、円周率π、ビームウエスト半径ω0 および波長λを用いた式（１）で表すことができる。
【００８４】
【数５】
Ｚc ＝ πω0 2 ／λ …（１）
式（１）のω0 に式（３）を代入すると、式（４）が得られる。
【００８５】
【数６】
Ｚc ≒ π（ｋ／ＮＡ）2 λ／４ …（４）
例えば、集光レンズとして焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径約４ｍｍのレンズを用い、波長６９４ｎｍの信号光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４９μｍ、共焦点距離Ｚc は１．０９μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．６μｍ、共焦点距離Ｚc は１１．６μｍと計算される。同様にして波長６３３ｎｍの制御光を収束したとき、ビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω0 は０．４５μｍ、共焦点距離Ｚc は０．９９６μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω0 は１．５μｍ、共焦点距離Ｚc は１０．６μｍと計算される。
【００８６】
［光吸収層膜の最適膜厚］
光吸収膜の光学濃度が一定になるように膜厚と膜中の色素濃度の積が一定になるように色素濃度と膜厚を調整して試料を作製し、種々実験の結果、上記のようにして計算される共焦点距離の２倍を光吸収層膜の膜厚の上限としたとき、本発明の光制御方法の光応答速度が充分高速になることが判った。
【００８７】
光吸収層膜の膜厚の下限については、光応答が検知できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好ましい。
【００８８】
［保温層膜の膜厚］
保温層膜の膜厚には、光応答の大きさおよび／または速度を最大にするような最適値（下限値および上限値）が存在する。その値は薄膜光素子の構成、光吸収層膜の材質および厚さ、保温層の材質、伝熱層膜の材質および厚さなどに応じて、実験的に決定することができる。
【００８９】
［伝熱層膜の膜厚］
伝熱層膜の膜厚にも、光応答の大きさおよび／または速度を最大にするような最適値（この場合は下限値）が存在する。その値は薄膜光素子の構成、光吸収層膜の材質および厚さ、保温層の材質および厚さ、伝熱層膜の材質などに応じて、実験的に決定することができる。
【００９０】
［光反射膜に設ける孔の役割、形および大きさ］
本発明の薄膜光素子において、収束されて照射される前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を、前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の制御光入射側に、前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設けることによって、収束されて照射される前記制御光および前記信号光の光軸の調整を容易に行えるようにすることができる。すなわち、前記の孔を通過する信号光および制御光の光量が、各々最大になるよう、信号光および制御光の光軸を各々調節する、という簡便な操作によって、結果的に、信号光および制御光の光軸の位置関係を最適化することができる。
【００９１】
孔の形および大きさは、上記役割を果たす限りにおいて、信号光および制御光の光束をできる限り有効に通過させる形および大きさであることが好ましい。信号光および制御光がガウスビームであれば、その光束断面は円形であるので、孔の形も円形であることが好ましい。円形孔の半径は、孔を通過する信号光および制御光のビーム半径と同等であることが好ましい。ここで、注意しなければならないこととして、孔の半径が小さくなりすぎると、光の干渉が顕著になる。具体的な目安として、孔の直径が信号光および制御光の波長の百倍よりも小さくならないようにすることが好ましい。通常、直径がミリメートルオーダーの信号光および制御光が「収束」されてから孔を通過することから、孔を設けた光反射膜の設置位置を調整することによって、孔の大きさを、前記の値よりも大きくすることが可能になる。
【００９２】
〔実施形態１〕
図１には本実施形態の光制御装置の概略構成が示されている。
【００９３】
図１に概要を例示する本発明の光制御装置は、制御光の光源１、信号光の光源２、ＮＤフィルター３、シャッター４、半透過鏡５、光混合器６、集光レンズ７、本発明の薄膜光素子８、受光レンズ９、波長選択透過フィルター２０、絞り１９、光検出器１１および２２、およびオシロスコープ１００から構成される。これらの光学素子ないし光学部品のうち、制御光の光源１、信号光の光源２、光混合器６、集光レンズ７、薄膜光素子８、受光レンズ９、および、波長選択透過フィルター２０は、図１の装置構成で本発明の光制御方法を実施するために必須の装置構成要素である。なお、ＮＤフィルター３、シャッター４、および半透過鏡５は必要に応じて設けるものであり、また、光検出器１１および２２、およびオシロスコープ１００は、本発明の光制御方法を実施するためには必要ないが光制御の動作を確認するための電子装置として、必要に応じて用いられる。
【００９４】
次に、個々の構成要素の特徴ならびに動作について説明する。
【００９５】
制御光の光源１にはレーザー装置が好適に用いられる。その発振波長および出力は、本発明の光制御方法が対象とする信号光の波長および使用する光吸収層膜の光吸収特性に応じて適宜選択される。レーザー発振の方式については特に制限はなく、発振波長帯域、出力、および経済性などに応じて任意の形式のものを用いることができる。また、レーザー光源の光を非線形光学素子によって波長変換してから使用しても良い。具体的には例えば、アルゴンイオンレーザー（発振波長４５７．９ないし５１４．５ｎｍ）、ヘリウム・ネオンレーザー（６３３ｎｍ）などの気体レーザー、ルビーレーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、色素レーザー、半導体レーザーなどを好適に使用することができる。信号光の光源２にはレーザー光源からのコヒーレント光だけではなく非コヒーレント光を使用することもできる。また、レーザー装置、発光ダイオード、ネオン放電管など、単色光を与える光源の他、タングステン電球、メタルハライドランプ、キセノン放電管などからの連続スペクトル光を光フィルターやモノクロメーターで単色化して用いても良い。
【００９６】
以下、信号光の光源２として半導体レーザー（発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍＷ）の出射光をビーム整形して直径約８ｍｍの平行ガウスビームとして用い、一方、制御光の光源１としてヘリウム・ネオンレーザー（発振波長６３３ｎｍ、ビーム直径約２ｍｍの平行ビーム、ビーム断面のエネルギー分布はガウス分布）を用いた場合について実施形態を説明する。
【００９７】
ＮＤフィルター３は必ずしも必要ではないが、装置を構成する光学部品や光学素子へ必要以上に高いパワーのレーザー光が入射することを避けるため、また、本発明の薄膜光素子の光応答性能を試験するに当たり、制御光の光強度を増減するために有用である。本実施形態では後者の目的で数種類のＮＤフィルターを交換して使用した。
【００９８】
シャッター４は、制御光として連続発振レーザーを用いた場合に、これをパルス状に明滅させるために用いられるものであり、本発明の光制御方法を実施する上で必須の装置構成要素ではない。すなわち、制御光の光源１がパルス発振するレーザーであり、そのパルス幅および発振間隔を制御できる形式の光源である場合や、適当な手段で予めパルス変調されたレーザー光を光源１として用いる場合は、シャッター４を設けなくても良い。
【００９９】
シャッター４を使用する場合、その形式としては任意のものを使用することができ、例えば、オプティカルチョッパ、メカニカルシャッター、液晶シャッター、光カー効果シャッター、ポッケルセル、光音響素子などを、シャッター自体の作動速度を勘案して適宜選択して使用することができる。
【０１００】
半透過鏡５は、本実施形態において、本発明の光制御方法の作用を試験するに当たり、制御光の光強度を常時見積もるために用いるものであり、光分割比は任意に設定可能である。
【０１０１】
光検出器１１および２２は、本発明の光・光制御による光強度の変化の様子を電気的に検出して検証するため、また、本発明の薄膜光素子の機能を試験するために用いられる。光検出器１１および２２の形式は任意であり、検出器自体の応答速度を勘案して適宜選択して使用することができ、例えば、光電子増倍管やフォトダイオード、フォトトランジスターなどを使用することができる。
【０１０２】
前記光検出器１１および２２の受光信号はオシロスコープ１００などの他、ＡＤ変換器とコンピューターの組み合わせ（図示せず）によってモニターすることができる。
【０１０３】
光混合器６は、前記薄膜光素子中を伝播していく制御光および信号光の光路を調節するために用いるものであり、本発明の光制御方法および光制御装置を実施するに当たり重要な装置構成要素の一つである。偏光ビームスプリッター、非偏光ビームスプリッター、またはダイクロイックミラーのいずれも使用することができ、光分割比についても任意に設定可能である。
【０１０４】
集光レンズ７は、信号光および制御光に共通の収束手段として、光路が同一になるように調節された信号光および制御光を収束させて前記薄膜光素子へ照射するためのものであり、本発明の光制御方法および光制御装置の実施に必須な装置構成要素の一つである。集光レンズの焦点距離、開口数、Ｆ値、レンズ構成、レンズ表面コートなどの仕様については任意のものを適宜使用することができる。
【０１０５】
本実施形態では、以下、集光レンズ７として、焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径４．０３ｍｍの顕微鏡用対物レンズを用いた場合について述べる。
【０１０６】
この場合の集光レンズの焦点近傍の光子密度が最も高い領域、すなわちビームウエストにおける光ビームの半径ω0 および共焦点距離Ｚc は、先に示した式（２）および式（４）を用いた計算例の通り、波長６３３ｎｍ、ビーム直径２ｍｍの制御光についてω0 は１．５μｍ、Ｚc は１０．６μｍと計算される。
【０１０７】
同様にして波長６９４ｎｍ、ビーム直径８ｍｍの信号光についてビームウエストにおける光ビームの半径ω0 は０．４９μｍと計算される。すなわち、本実施形態において、ビームウエストにおける制御光ビームと信号光ビームの大小関係は、ビーム径として約３：１、ビーム断面積として約１０：１の割合で、制御光の方が大きい。
【０１０８】
薄膜光素子中での制御光Ｓ１と信号光Ｓ２との関係を模式的に図４に示す。
【０１０９】
このようにビームウエストにおける制御光のビームサイズを信号光に比べて大きくすると、集光レンズの焦点近傍における制御光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域に、信号光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域を重ね合わせるように光学系を調整することが容易になり、かつ、光学系諸要素の変動の影響を受け難くなる。すなわち、焦点近傍において、制御光および信号光の光軸中心を完全に一致させる必要はなく、制御光および信号光のビーム位置が、ある程度変動ないしドリフトしても、信号光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域が制御光収束ビームのエネルギー密度が最も高い領域から逸脱しないように調整することが可能となる。
【０１１０】
受光レンズ９は、収束されて薄膜光素子８へ照射され、透過してきた信号光および制御光を平行および／または収束ビームに戻すための手段であるが、充分な大きさの信号光を再現性良く得るためには、前記集光レンズ７の開口数より小さい開口数のレンズを用いる。この実施形態では受光レンズ９として、開口数０．４の顕微鏡レンズを用いた。すなわち、集光レンズ７の開口数より受光レンズ９の開口数を小さくすることにより、信号光の光束のうち、強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の光束を分別して取り出すことが可能となり、充分な大きさの信号光を再現性良く検出できるようになる。なお、レンズ開口数が大きくても、絞り１９を入れたり光検出器に光束の中心部分のみ入射させて実質的に開口数を小さくすることもできるが、開口数の小さい受光レンズを用いる方が経済的である。また、集光レンズおよび受光レンズの代わりに凹面鏡を用いることも可能である。
【０１１１】
波長選択透過フィルター２０は、図１の装置構成で本発明の光制御方法を実施するために必須の装置構成要素の一つであり、前記薄膜光素子中の同一の光路を伝播してきた信号光と制御光とから信号光のみを取り出すための手段の一つとして用いられる。
【０１１２】
波長の異なる信号光と制御光とを分離するための手段としては他に、プリズム、回折格子、ダイクロイックミラーなどを使用することができる。
【０１１３】
図１の装置構成で用いられる波長選択透過フィルター２０としては、制御光の波長帯域の光を完全に遮断し、一方、信号光の波長帯域の光を効率良く透過することのできるような波長選択透過フィルターであれば、公知の任意のものを使用することができる。例えば、色素で着色したプラスチックやガラス、表面に誘電体多層蒸着膜を設けたガラスなどを用いることができる。
【０１１４】
本発明の薄膜光素子の一形態として、伝熱層膜／光吸収層膜／伝熱層膜タイプの薄膜光素子８は、例えば以下の手順で作成することができる。すなわち、シアニン色素の３，３’−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージド（慣用名ＤＯＤＣＩ、エキシトン社製）：５７．４ｍｇおよびポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピル：１９４２．６ｍｇをアセトン：２００ｍｌに溶解し、ｎ−ヘキサン：６００ｍｌ中へかき混ぜながら加えて析出した沈殿（色素およびポリマーの混合物）を濾別し、ｎ−ヘキサンで洗浄してから減圧下乾燥し、粉砕した。得られた色素およびポリマーの混合粉末を１０-5Ｐａ未満の超高真空下、１００℃で２日間加熱を続け、残留溶媒等の揮発成分を完全に除去して、色素／ポリマー混合物の粉末を得た。この粉末２０ｍｇを伝熱層膜として用いるスライドガラス（２５ｍｍ×７６ｍｍ×厚さ１．１５０ｍｍ）および同カバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）の間に挟み、真空下１６０℃に加熱し、２枚のガラス板を圧着する方法（真空ホットプレス法）を用いてスライドガラス／カバーガラス間に色素／ポリマーの膜として、膜厚２０μｍの光吸収層膜を作成した。この光吸収層膜へ収束させて照射する制御光（波長６３３ｎｍ、ビーム直径２ｍｍ）の共焦点処理は前述のように１０．６μｍと計算される。すなわち、前記光吸収層膜の厚さは制御光の共焦点距離の２倍を越えていない。
【０１１５】
なお、色素／ポリマー膜中の色素濃度は、色素／ポリマー混合物の密度を１．０６として計算すると、６．２６×１０-2ｍｏｌ／ｌである。
【０１１６】
以上のようにして作成した薄膜光素子の透過率スペクトルを図２に示す。この膜の透過率は制御光の波長（６３３ｎｍ）で３８．３％、信号光の波長（６９４ｎｍ）で９０．３％であった。
【０１１７】
以上のような構成要素からなる図１の光学装置において、光源１から出射された制御光の光ビームは、透過率を加減することによって透過光強度を調節するためのＮＤフィルター３を通過し、次いで制御光をパルス状に明滅するためのシャッター４を通過して、半透過鏡５によって分割される。
【０１１８】
半透過鏡５によって分割された制御光の一部は光検出器１１によって受光される。ここで、光源２を消灯、光源１を点灯し、シャッター４を開放した状態において薄膜光素子８への光ビーム照射位置における光強度と光検出器１１の信号強度との関係を予め測定して検量線を作成しておけば、光検出器１１の信号強度から、薄膜光素子８に入射する制御光の光強度を常時見積もることが可能になる。この実施形態では、ＮＤフィルター３によって、薄膜光素子８へ入射する制御光のパワーを０．５ｍＷないし２５ｍＷの範囲で調節した。
【０１１９】
半透過鏡５で分割・反射された制御光は、光混合器６および集光レンズ７を通って、薄膜光素子８に収束されて照射される。薄膜光素子８を通過した制御光の光ビームは、受光レンズ９を通過した後、波長選択透過フィルター２０によって遮断される。
【０１２０】
光源２から出射された信号光の光ビームは、前記光混合器６によって、制御光と同一光路を伝播するよう混合され、集光レンズ７を経由して、薄膜光素子８に収束・照射され、素子を通過した光は受光レンズ９および波長選択透過フィルター２０を透過した後、光検出器２２にて受光される。
【０１２１】
図１の光学装置を用いて光制御の実験を行い、図５または図６に示すような光強度変化を観測した。図５および／または図６において、１１１は光検出器１１の受光信号、２２２および２２３は光検出器２２の受光信号である。光検出器２２の受光信号２２２の得られる場合と２２３の得られる場合の違いは、以下の通りである。
【０１２２】
図１の装置配置においては薄膜光素子８に制御光と信号光とを収束して入射させているが、最小収束ビーム径位置、すなわちビームウエスト（焦点）を薄膜光素子８の集光レンズ７に近いところ（光の入射側）に設定すると、前記薄膜光素子を透過した前記信号光が減少する方向の光応答２２２が観察される。一方、ビームウエストを薄膜光素子８の受光レンズ９に近いところ（光の出射側）に設定すると、前記薄膜光素子を透過した前記信号光の見かけの強度が増大する方向の光応答２２３が観察される。
【０１２３】
このような光応答が生じる機構は、次のように想定される。
【０１２４】
光吸収層膜を設けた薄膜光素子に、前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれた波長の制御光を、集光レンズ７によって収束させて照射すると、制御光は前記光吸収層膜によって吸収され、吸収された光エネルギーの一部分は熱エネルギーに変化し、まず前記光吸収層膜中の制御光照射部分の温度が上昇し、次いで熱伝導によって、前記制御光を吸収した領域の周辺領域の温度も上昇する。制御光としてガウスビームを用いたときの温度上昇の分布は、ビーム中心部分が大きく、周辺にいくに従って小さくなるガウス分布に類似すると推測される。このような温度上昇およびその分布に起因して、前記光吸収層膜中の制御光照射部分に熱膨張が起こり、その結果、分布を持った密度変化および屈折率変化が起こる。このようにして生じた屈折率分布に基づく光学的作用を「熱レンズ」と呼ぶことができる。熱レンズ形成のきっかけとなった制御光の照射を止めると、光吸収による温度上昇は止まり、密度変化および屈折率分布は解消し、熱レンズは消滅する。すなわち、制御光の断続に対応して、熱レンズは可逆的に形成され、消滅する。ここで、収束されていない平行な制御光（ガウスビーム）が、比較的薄い光吸収層を透過する場合に、光吸収によって形成される熱レンズを考えると、ビーム中心に近いほど温度上昇が大きく、熱膨張が大きく、密度低下が大きくなり、結果的に、中心部分に近い程、屈折率が小さくなるような分布が形成され、その光学的作用は凹レンズに相当すると推定される。しかるに、収束された制御光が、比較的厚い光吸収層を透過していく場合に形成される熱レンズの光学的作用は、光吸収の影響によって、ビーム断面のエネルギー分布がガウス分布から乖離していくと推測され、単純な凹レンズが形成されるとは限らない。
【０１２５】
そこで、次に述べるようにして、薄膜光素子を透過した信号光ビーム断面の光強度分布およびその変化についての測定を行った。なお、以下の測定で収束ビームのビームウエスト（焦点Ｆc ）の位置を薄膜光素子８内で移動するには、集光レンズ７および受光レンズ９の間隔（ｄ78＋ｄ89）を固定したまま、薄膜光素子８を移動させて行った。すなわち、集光レンズ７および受光レンズ９の間隔を固定したまま、薄膜光素子８と集光レンズ７の距離を変化させ、同一の光路で収束された制御光および信号光の焦点位置と薄膜光素子８との位置関係を変化させた。
【０１２６】
図１の装置において、受光レンズ９を集光レンズ７の開口数（本実施形態の場合は０．６５）よりも大きな開口数（例えば０．７５）のものに変更し、光検出器２２の代わりに図７に示すようなスリットを設けた光強度分布測定器を設置し、薄膜光素子８を透過した光線束の全てを受光レンズ９で受光・収束させて前記光強度分布測定器の受光部３１（有効直径４ｍｍ）へ入射させ、信号光光線束断面の光強度分布を測定した。測定結果を図８ないし１０に示す。ここで、光強度分布測定器は、図７に示すように、受光部３１（有効直径４ｍｍ）に対して幅１ｍｍの第一のスリット３２を設け、第一のスリットの長さ方向、すなわち図７において点Ｘから点Ｙの向きに、幅２５μｍの第二のスリット３３を一定速度で移動させて、２枚のスリットが作る１ｍｍ×２５μｍの長方形の窓を通過した光の強度を、前記窓の移動位置に対応させて測定する装置である。前記窓の移動位置に対応させて光強度を測定するには、例えば、第二のスリット３３の移動速度に同期させたストレージオシロスコープ上に、前記窓を通過した光を受光した検出器の出力を記録すれば良い。図８ないし１０は、以上のようにして、ストレージオシロスコープ上に記録された信号光の光ビーム断面についての光強度分布を示すものであり、横軸（光ビーム断面内の位置）は図７の点Ｘから点Ｙの方向の位置に対応し、縦軸は光強度を表す。
【０１２７】
図８は、薄膜光素子８に制御光を入射せず、信号光のみが入射された場合の前記信号光の光強度分布である。この場合の光強度分布は、中心部分の強度が強く、周辺にいくに従い強度が弱まる分布（ガウス分布）である。
【０１２８】
図９は、制御光および信号光のビームウエスト位置（焦点Ｆc ）を薄膜光素子８の集光レンズ７に近いところ（光の入射側）に設定し、制御光を照射したとき見かけの信号光強度が減少する向きの光応答２２２が観察される条件において、制御光を照射したときの信号光ビーム断面の光強度分布である。この場合の光強度分布は、中心部分の光強度が弱く、周辺で光強度が増大する分布になっている。信号光ビーム断面の中心部の光強度は、制御光強度および薄膜光素子８と焦点の位置関係に依存して減少し、制御光強度が増すに従い、ゼロに近づいていく。これは制御光の照射により照射された中心部分ほど屈折率が小さくなり、その部分の光がビームの外周方向に曲げられるためと考えられる。従って、この場合、信号光ビームの中心部分だけを取り出して、見かけの信号光強度を測定すると、制御光の断続に対応して、信号光の強度が減少する向きの光応答２２２を、充分な大きさで取り出すことができる。
【０１２９】
図１０は、制御光および信号光のビームウエスト位置（焦点Ｆc ）を薄膜光素子８の受光レンズ９に近いところ（光の出射側）に設定し、制御光を照射したとき見かけの信号光強度が増大する向きの光応答２２３が観察される条件において、制御光を照射したときの信号光ビーム断面の光強度分布である。この場合は、中心部分の光強度が、制御光を照射しない場合の中心部分の光強度（図８）より強くなっている。ここで、信号光ビーム断面の中心部の光強度は、制御光強度および薄膜光素子８を焦点位置の関係に依存するが、制御光非照射時の数倍にも達する。これは、この配置においては、収束されて照射された制御光によって形成される熱レンズの光学作用は、同じく収束されて照射される信号光の収束点を、結果的に薄膜光素子８の外側に伸ばした状態にする（条件にもよるが、ほぼ無限遠に伸ばされた状態にもなる）ためと考えられる。従って、この場合、信号光ビームの中心部分だけを取り出して、見かけの信号光強度を測定すると、制御光の断続に対応して、信号光の強度が増大する向きの光応答２２３を充分な大きさで取り出すことができる。
【０１３０】
なお、受光レンズ９の開口数を集光レンズ７の開口数よりも大きくし、薄膜光素子を透過した信号光を全て受光した場合には、上記のような光強度分布を持った信号光を光検出器２２に入射させても、光応答は小さいかほとんどない。すなわち、制御光および信号光を薄膜光素子８の集光レンズ側に収束して入射させた場合でも、受光レンズ側に収束して入射させた場合でも、光応答は小さいかほとんどない。これは、この実施形態においては、薄膜光素子中の色素の励起状態からの吸収は、事実上起きていないことを示唆している。
【０１３１】
一方、本実施形態の図１のように受光レンズ９の開口数を集光レンズ７の開口数よりも小さくすると、光検出器２２に入射する信号光は外周部分が除外され、制御光および信号光を薄膜光素子８の集光レンズ側（入射側）に収束して入射させた場合には光検出器２２に入射する信号光は小さくなり、受光レンズ側（出射側）に収束して入射させた場合には光検出器２２に入射する信号光は大きくなり、大きな光応答が得られることになる。
【０１３２】
図１の光学装置を用いて光制御の実験を行い、図５または図６に示すような光強度変化を観測したが、その詳細は以下に述べる通りである。
【０１３３】
まず、制御光の光ビームと信号光の光ビームとが、薄膜光素子８内部の同一領域で焦点Ｆc を結ぶように、それぞれの光源からの光路、光混合器６、および集光レンズ７を調節した。なお、前記薄膜光素子８のカバーガラス側から信号光および制御光が入射し、スライドガラス基板側から出射するような向きに薄膜光素子を配置した。次いで、波長選択フィルター２０の機能を点検した。すなわち、光源２を消灯した状態で、光源１を点灯し、シャッター４を開閉した場合には光検出器２２に応答が全く生じないことを確認した。
【０１３４】
まず、前記焦点Ｆc を薄膜光素子８の集光レンズ側（入射側）に設置した場合について図５を用いて述べる。
【０１３５】
シャッター４を閉じた状態で制御光の光源１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源２を点灯し薄膜光素子８へ信号光を照射すると、光検出器２２の信号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。
【０１３６】
時刻ｔ2 においてシャッター４を開放し、薄膜光素子８内部の信号光が伝播しているのと同一の光路へ制御光を収束・照射すると光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＢへ減少した。この変化の応答時間は２マイクロ秒未満であった。
【０１３７】
時刻ｔ3 においてシャッター４を閉じ、薄膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２２の信号強度はレベルＢからレベルＡへ復帰した。この変化の応答時間は３マイクロ秒未満であった。
【０１３８】
時刻ｔ4 においてシャッター４を開放し、次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＢへ減少し、次いでレベルＡへ復帰した。
【０１３９】
時刻ｔ6 において光源２を消灯すると光検出器２２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。
【０１４０】
次いで、前記焦点Ｆc を薄膜光素子８の受光レンズ側（光の出射側）に設置した場合について図６を用いて述べる。
【０１４１】
シャッター４を閉じた状態で制御光の光源１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源２を点灯し薄膜光素子８へ信号光を照射すると、光検出器２２の信号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。
【０１４２】
時刻ｔ2 においてシャッター４を開放し、薄膜光素子８内部の信号光が伝播しているのと同一の光路へ制御光を収束・照射すると光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＤへ増加した。この変化の応答時間は２マイクロ秒未満であった。
【０１４３】
時刻ｔ3 においてシャッター４を閉じ、薄膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２２の信号強度はレベルＤからレベルＡへ復帰した。この変化の応答時間は３マイクロ秒未満であった。
【０１４４】
時刻ｔ4 においてシャッター４を開放し、次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２２の信号強度はレベルＡからレベルＤへ増加し、次いでレベルＡへ復帰した。
【０１４５】
時刻ｔ6 において光源２を消灯すると光検出器２２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。
【０１４６】
以上まとめると、薄膜光素子８へ、制御光を図５の１１１に示すような波形で表される光強度の時間変化を与えて照射したところ、信号光の光強度をモニターして示す光検出器２２の出力波形は図５または図６の２２２または２２３に示すように、制御光の光強度の時間変化に対応して可逆的に変化した。すなわち、制御光の光強度の増減または断続により信号光の透過を制御すること、すなわち光で光を制御すること（光・光制御）、または、光で光を変調すること（光・光変調）ができることが確認された。
【０１４７】
なお、制御光の断続に対応する信号光光強度の変化の程度は、前記の光検出器２２の出力レベルＡ、ＢおよびＣを用いて次に定義される値ΔＴ［単位％］または、Ａ、ＣおよびＤを用いて次に定義される値ΔＴ’［単位％］
【数７】
ΔＴ ＝１００［（Ａ−Ｂ）／（Ａ−Ｃ）］
ΔＴ’＝１００［（Ｄ−Ａ）／（Ａ−Ｃ）］
によって定量的に比較することができる。ここで、Ａは制御光を遮断した状態で信号光の光源２を点灯した場合の光検出器２２の出力レベル、ＢおよびＤは信号光と制御光を同時に照射した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｃは信号光の光源２を消灯した状態の光検出器２２の出力レベルである。
【０１４８】
上の例において、制御光の入射パワーを２０ｍＷとし、薄膜光素子８の位置を前述のように移動して信号光の光応答の向きと大きさを調べたところ、信号光強度が減少する向きの応答の大きさΔＴの最大値は８０％、見かけの信号光強度が増加する向きの応答の大きさΔＴ’の最大値は４０％であった。
【０１４９】
〔実施形態２〕
次に、光吸収層膜の光学濃度を一定にして、光吸収層膜中の色素濃度および膜厚を変える実験を行った。
【０１５０】
まず、実施形態１で用いた光吸収層膜における色素濃度を２倍にし、一方、光吸収層膜の膜厚を実施形態１の場合の半分の１０μｍとしたところ、光応答の大きさΔＴおよびΔＴ’の大きさは実施形態１の場合とほぼ同一、光応答速度もほぼ同一であった。
【０１５１】
〔比較例１〕
実施形態１の薄膜光素子における光吸収層膜の色素濃度を半分にし、一方、光吸収層膜の膜厚を２倍の４０μｍにして薄膜光素子を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答の大きさΔＴの最大値は６８％、ΔＴ’の最大値は２５％となった。実施形態１の場合に比べて、明らかに光応答の大きさが減少した。これは、光吸収層膜の厚さが制御光の共焦点距離の２倍を越えるほど厚くなり、その中に色素が、実施形態１の場合に比べて希釈された形で存在するため、制御光の光吸収に起因する熱レンズ形成が実施形態１の場合よりも阻害されたためであると推測される。
【０１５２】
〔比較例２〕
実施形態１の薄膜光素子における光吸収層膜の色素濃度を変えずに、光吸収層膜の膜厚のみを２倍の４０μｍに変更して薄膜光素子を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答の大きさΔＴおよびΔＴ’の最大値は実施形態１の場合と遜色ないものの、信号光透過率の絶対値が著しく減少してしまい、高速応答の際の信号／ノイズ比が悪化した。
【０１５３】
〔実施形態３〕
特許公報第２５９９５６９号に記載の複合型光学薄膜の製造方法を利用して、伝熱層膜として用いるスライドガラス（２５ｍｍ×７６ｍｍ×厚さ１．１５０ｍｍ）の上に、（i）ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜、（ii）色素としてＤＯＤＣＩ、マトリックス樹脂としてポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを用い、色素／ポリマー膜中の色素濃度１．２５×１０-1ｍｏｌ／ｌになるように調整した光吸収層膜、（iii）ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜（膜厚１０μｍ）を積層・堆積させ、更に、伝熱層膜としてのカバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）を重ねて真空下、加熱・加圧処理（真空ホットプレス処理）し、本発明の薄膜光素子実施形態の一つとして「伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜」タイプの薄膜光素子を作成した。なお、２枚の伝熱層膜（ガラス板）の厚さは各々、上記の通りであり、２層の保温層膜の厚さは、真空ホットプレス処理後において、ともに１０μｍ、また、光吸収層膜の厚さは、同じく真空ホットプレス処理後において１０μｍになるよう成膜条件を調整した。
【０１５４】
以上のようにして作成した実施形態３の薄膜光素子の吸収スペクトルは実施形態１の薄膜光素子の場合（図２参照）と、同等であった。
【０１５５】
この薄膜光素子を用いて、実施形態１の場合と同様に、制御光の入射パワー２０ｍＷにおいて、信号光の光応答の向きと大きさを調べたところ、信号光強度が減少する向きの応答の大きさΔＴの最大値は８８％、見かけの信号光強度が増加する向きの応答の大きさΔＴ’の最大値は４６％であった。すなわち、実施形態１および実施形態２の場合よりも、光応答が大きくなった。これは光吸収層膜を挟むように設けた保温層膜によって、熱レンズの形成が円滑に行われるようになったためであると推測される。
【０１５６】
一方、実施形態２の場合、光吸収層膜中の色素濃度および光吸収層膜の厚さは本実施形態３と同等であるが、光応答は小さい（実施形態１と同等）。これは、保温層膜が存在しないため、光吸収層膜において吸収された制御光のエネルギーが、急速に伝熱層膜に奪われてしまい熱レンズの形成が阻害されるものと推測される。
【０１５７】
〔比較例３〕
実施形態１の薄膜光素子における光吸収層膜の色素濃度を変えずに、光吸収層膜の膜厚のみを０．０１倍の０．２μｍに変更して薄膜光素子を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答は検出されなかった。これは、光吸収層膜中の色素量が少なく、制御光の吸収による発熱量が少ないことに加えて、制御光の吸収による発熱が急速に伝熱層膜に奪われてしまい熱レンズの形成が阻害されるためであると推測される。
【０１５８】
〔実施形態４〕
文献［M.Oikawa,K.Iga: Appl.Opt.,21(6),1052-1056(1982)］記載の方法に従い、無機イオンの拡散現象を利用し、屈折率分布型凸レンズを無機ガラス系材質で作成した。すなわち、ガラス基板にマスク兼反射膜として金の蒸着膜を設け、これにフォトリソグラフィの手法により直径４００μｍの円形窓を設けた。次いで、溶融塩に浸けてイオン交換により屈折率分布を形成させるに当たり、数時間に渡って電界を印加してイオン交換を促進させることによって、直径０．９ｍｍ、焦点距離２ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．２３の屈折率分布型凸レンズを形成させた。
【０１５９】
このガラス基板の反射膜側に、ポリメタクリル酸メチルからなる厚さ２ｍｍの光透過層兼保温層膜をキャスティング法によって設けた。
【０１６０】
この光透過層兼保温層膜の上に、特許公報第２５９９５６９号に記載の複合型光学薄膜の製造方法を利用して、（i）色素としてＤＯＤＣＩ、マトリックス樹脂としてポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを用い、色素／ポリマー膜中の色素濃度１．２５×１０-1ｍｏｌ／ｌになるように調整した光吸収層膜、（ii）ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜（膜厚１０μｍ）を積層・堆積させ、更に、伝熱層膜としてのカバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）を重ねて真空下、加熱・加圧処理（真空ホットプレス処理）し、本発明の薄膜光素子実施形態の一つとして「凸レンズ／光透過層膜兼保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜」タイプの薄膜光素子を作成した。なお、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルからなる保温層膜の厚さおよび光吸収層膜の厚さは、真空ホットプレス処理後において、いずれも１０μｍになるよう成膜条件を調整した。
【０１６１】
以上のようにして作成した本実施形態４の薄膜光素子を、集光レンズ７を取り除き、受光レンズの開口数を０．１のものに代えた他は実施形態１の場合と同様な光制御装置へ取り付け、本実施形態４の薄膜光素子の反射膜へ設けた孔へ向けて、実施形態１における集光レンズ７の代わりに、ガラス基板内に形成された屈折率分布型凸レンズを経由して、信号光および制御光を、薄膜光素子の面に垂直に入射させた。ここで、信号光としては、発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍＷの半導体レーザー出射光をビーム整形して直径約０．９ｍｍの平行ガウスビームとして用い、一方、制御光としては、発振波長６３３ｎｍのヘリウム・ネオンレーザー出射光をビーム整形して直径約０．９ｍｍの平行ガウスビームとして用いた。前述の式（２）および式（４）を用いて計算すると、信号光および制御光ともにａ／ωは１でｋは約０．９２であって、信号光のビームウエスト半径ω0 は約１．４μｍ、共焦点距離Ｚc は約８．７μｍ、制御光のビームウエスト半径ω0 は約１．３μｍ、共焦点距離Ｚc は約８．０μｍと算出される。すなわち、上記のように、光吸収層膜の厚さは１０μｍであり、制御光の共焦点距離の２倍（約１６μｍ）を越えていない。
【０１６２】
信号光および制御光の光軸合わせは、以下のようにして、極めて簡便に行うことができた。まず、信号光のみを入射させ、反射膜に設けた孔を通過してくる信号光の大きさが最大になるよう、信号光の光軸（具体的には光源の取り付け位置）を調節した。次いで、制御光のみを入射させ、反射膜に設けた孔を通過してくる制御光の大きさが最大になるよう、制御光の光軸（具体的には光源の取り付け位置）を調節した。なお、このとき、波長選択透過フィルター２０を一時的に取り外し、光検出器２２にて制御光の光強度を測定した。
【０１６３】
以下、実施形態１の場合と同様にして本実施形態の薄膜光素子の光応答を測定し、実施形態１の場合と同等の速度および大きさの光応答を観察した。
【０１６４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の薄膜光素子、光制御方法および光制御装置によれば、例えば、可視領域にある低パワーのレーザー光を制御光として、近赤外線領域にある信号光を精度良く変調することが、極めて単純な光学装置によって、電子回路などを一切用いることなく、実用上充分な応答速度において実現可能になる。また、制御光と信号光の光軸調整を簡便に行うことができ、更に、極めてコンパクトな光制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施する際に用いられる装置構成を例示した構成図である。
【図２】 薄膜光素子の透過率スペクトルである。
【図３】 集光レンズなどで収束されたガウスビームの焦点近傍における様子を表した模式図である。
【図４】 薄膜光素子中での信号光と制御光との関係を模式的に示した図である。
【図５】 最小収束ビーム径位置を薄膜光素子の集光レンズに近いところに設定したときの制御光および信号光の光強度時間変化を例示した図である。
【図６】 最小収束ビーム径位置を薄膜光素子の受光レンズに近いところに設定したときの制御光および信号光の光強度時間変化を例示した図である。
【図７】 光強度分布測定に用いたスリットと光ビームとの関係を示す図である。
【図８】 信号光のビーム断面の光強度分布を表した図である。
【図９】 信号光のビーム断面の光強度分布を表した図である。
【図１０】 信号光のビーム断面の光強度分布を表した図である。
【図１１】 本発明の薄膜光素子の構成例を例示した断面図である。
【符号の説明】
１ 制御光の光源、２ 信号光の光源、３ ＮＤフィルター、４ シャッター、５ 半透過鏡、６ 光混合器、７ 集光レンズ、８ 膜型光学素子、９ 受光レンズ、１１ 光検出器、１９ 絞り、２０ 波長選択透過フィルター（制御光遮断用）、２２ 光検出器（信号光の光強度検出用）、８０光吸収層膜、８１ 保温層膜、８２ 伝熱層膜、８３ 孔、８４ 光反射膜、８５ 熱レンズが形成されうる領域、８６ 光透過層膜、８７ 凸レンズ、１００ オシロスコープ、１１１ 光検出器１１からの信号（制御光の光強度時間変化曲線）、２２２および２２３ 光検出器２２からの信号（信号光の光強度時間変化曲線）、Ａ 制御光を遮断した状態で信号光の光源を点灯した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｂ 焦点Ｆｃが膜型光学素子８の集光レンズ側に設定された場合で、かつ信号光の光源を点灯した状態で制御光を照射した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｃ信号光を消灯した状態の光検出器２２の出力レベル、Ｄ 焦点Ｆｃが膜型光学素子８の受光レンズ側に設定された場合で、かつ信号光の光源を点灯した状態で制御光を照射した場合の光検出器２２の出力レベル、ｄ78 集光レンズ７と光学素子８の距離、ｄ89 光学素子８と受光レンズ９の距離、Ｆc 焦点、Ｓ１ 制御光、Ｓ２ 信号光、ｔ1 信号光の光源を点灯した時刻、ｔ2 制御光を遮断していたシャッターを開放した時刻、ｔ3 制御光をシャッターで再び遮断した時刻、ｔ4 制御光を遮断したシャッターを開放した時刻、ｔ5 制御光をシャッターで再び遮断した時刻、ｔ6 信号光の光源を消灯した時刻、θ 集光レンズで収束させた光ビームの外周部が光軸となす角度、ω0 集光レンズで収束させたガウスビームのビームウエスト（焦点位置におけるビーム半径）、Ｚc 共焦点距離。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a thin film optical element, a light control method and a light control apparatus using the same, which are useful in the fields of optoelectronics and photonics such as optical communication and optical information processing.
[0002]
[Prior art]
In the field of optoelectronics and photonics, focusing on the multiplicity and high density of light for the purpose of ultra-high-speed information transmission and processing, it is possible to irradiate optical elements or optical compositions created by processing optical materials or light. Research and development of light and light control methods that attempt to modulate the intensity (amplitude) or frequency (wavelength) of light without using electronic circuit technology using the change in transmittance and refractive index caused It has been. In addition, when performing parallel optical logic operations and image processing taking advantage of the characteristics of light, a “spatial light modulator” is extremely important for performing some kind of modulation, such as changes in the light intensity distribution on the cross section of the light beam. The application of the light / light control method is also expected here.
[0003]
As phenomena that are expected to be applied to light / light control methods, saturable absorption, nonlinear refraction, non-linear optical effects such as photorefractive effect, and photochromic phenomenon are attracting wide attention.
[0004]
On the other hand, it is also known that a molecule excited by light in the first wavelength band newly absorbs light in a second wavelength band different from the first wavelength band without changing the molecular structure. This can be called “excited state absorption” or “induced absorption” or “transient absorption”.
[0005]
As an example of an application of excited state absorption, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-137484 irradiates a solution or solid containing a porphyrin compound and an electron acceptor with at least two types of light beams having different wavelengths. However, a light conversion method is disclosed in which the information contained in the light beam of one wavelength is transferred to the wavelength of the other light beam by this irradiation. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 55-100503 and 55-108603 utilize the difference in the spectral spectrum between the ground state and the excited state of an organic compound such as a porphyrin derivative to determine the time of excitation light. A functional liquid-core optical fiber that selects propagating light in response to changes is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 61-129621 introduces a first photon flux into a fiber made of barium crown glass doped with uranium oxide so as not to attenuate the first photon flux. Attenuate and populate fiber energy level 2, absorb part of the first photon flux and populate energy level 3, part of energy level 3 returns to energy level 2 again, and the first photon flux Further disclosed is a method for controlling transmission of radiant energy including a step of attenuation. JP-A-63-89805 contains an organic compound such as a porphyrin derivative having an absorption corresponding to a transition from a triplet state excited by light to a higher triplet state in the core. A plastic optical fiber is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 63-236013 discloses a light having a second wavelength different from the first wavelength after irradiating light of a first wavelength to a crystal of a cyanine dye such as cryptocyanine to photoexcite the molecule. An optical functional element is disclosed that switches the transmission or reflection of light of the second wavelength according to the photoexcited state of the light of the first wavelength. JP-A-64-73326 discloses a light modulation medium in which a photoinduced electron transfer material such as a porphyrin derivative is dispersed in a matrix material by irradiating light of the first and second wavelengths, thereby exciting the molecules. An optical signal modulation medium that performs optical modulation using a difference in absorption spectrum between the ground state and the ground state is disclosed.
[0006]
As the configuration of the optical apparatus used in these conventional techniques, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 55-100503, 55-108603, and 63-89805 disclose optical fibers through which propagating light propagates. Is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 53-13784 and 64-73326, and the inside of the photoresponsive optical element is disclosed. The light corresponding to the signal light is irradiated to the entire part where the light is propagating from a direction different from the optical path of the signal light without being converged by means such as a projection lens without converging the light corresponding to the control light. An apparatus configuration is disclosed.
[0007]
Further, in the prior art, a method of modulating light using a refractive index distribution due to a thermal effect has been studied. In Japanese Patent Laid-Open No. 59-68723, an input electric signal is supplied to a heating resistor, and the wavefront of the light beam is deformed by the refractive index distribution in the liquid medium that receives the heat from the heating means and generates a refractive index distribution. Such a light modulation element is disclosed, and it is described that a cycle from formation of a refractive index distribution to disappearance can be performed in the order of KHz, that is, in the order of milliseconds. JP-A-60-130723 discloses that near-infrared control light is converted into heat energy by a heat absorption layer, and this heat is transferred to the heat effect medium through the near-infrared reflection film layer and the visible light reflection film layer. A method for converting the wavefront of a light beam incident on a visible light reflecting film layer by a refractive index distribution generated in a heat effect medium is disclosed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of modulating light using the refractive index distribution due to the thermal effect described above has a long heat transfer path until the thermal effect is generated, and the area of the temperature rising portion is larger than the cross-sectional area of the control light beam. However, since the volume of the transmission path, that is, the heat capacity is increased, the utilization efficiency of energy given from the control light is low, and a high-speed response cannot be expected.
[0009]
In addition, any of the above-described conventional techniques causes a change in transmittance or refractive index that is large enough for practical use, so that a very high density optical power is required, a response to light irradiation is slow, or an optical system Since subtle adjustment is required and the control light output fluctuates greatly due to slight fluctuations in the optical system, no practical product has yet been obtained.
[0010]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a thin-film optical element capable of extracting an optical response having a sufficient size and speed with as low optical power as possible, and a light control method and control apparatus using the same. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a thin-film optical device according to the first aspect of the present invention includes control light and signal light having different wavelengths on a light-absorbing layer film in a thin-film optical device including at least a light-absorbing layer film. And the wavelength of the control light is selected from a wavelength band absorbed by the light absorption layer film, and at least the control light is focused in the light absorption layer film. By using a thermal lens based on the refractive index distribution reversibly generated due to the temperature rise occurring in the region where the absorption layer film absorbs the control light and the surrounding region, intensity modulation of the signal light and / or In the thin film optical element that performs light beam density modulation, the thickness of the light absorption layer film does not exceed twice the confocal distance of the converged control light.
[0012]
Here, it is assumed that the signal light and the control light are incident substantially perpendicularly on the thin film optical element in order to minimize loss due to reflection.
[0013]
Here, the confocal distance is a distance of a section in which the light beam converged by a converging means such as a convex lens can be regarded as almost parallel light in the vicinity of the beam waist (focal point). In the case of a Gaussian beam in which the electric field amplitude distribution in the traveling beam cross section, that is, the energy distribution of the luminous flux is a Gaussian distribution, the confocal distance Zc is expressed by the circularity ratio π and the beam waist radius ω.0And the equation (1) using the wavelength λ.
[0014]
[Expression 1]
Zc = πω0 2/ Λ (1)
In addition, as for the lower limit of the film thickness of the light absorption layer film, the thinner the film, the better, as long as the optical response can be detected.
[0015]
In order to achieve the above object, a thin film optical device according to claim 2 of the present application is the thin film optical device according to claim 1, wherein the control light is provided on one side or both sides of the light absorbing layer film. In addition, a heat-transmitting heat insulating layer film is provided in the wavelength band of the signal light.
[0016]
In order to achieve the above object, the thin-film optical element according to the third aspect of the present invention is the thin-film optical element according to the first or second aspect, wherein the heat insulating layer film is not present. The heat transfer layer film is provided on one side or both sides of the light absorption layer film.On the other hand, when the heat insulation layer film is present, on one side or both sides of the light absorption layer film, the heat insulation layer film is interposed. A heat transfer layer film is provided.
[0017]
In order to achieve the above object, a thin film optical device according to claim 4 of the present application is the thin film optical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the light absorption layer film and / or The heat-retaining layer film and / or the heat-transfer layer film is made of a self-form-retaining material.
[0018]
In order to achieve the above object, the thin-film optical element according to the fifth aspect of the present invention is the thin-film optical element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the control light is converged and irradiated. And a light reflection film provided with a hole of a size that allows the signal light to pass therethrough on the control light incident side of the light absorption layer film, and if the heat insulation layer film and / or the heat transfer layer film are present, the heat insulation film It is provided through a layer film and / or a heat transfer layer film.
[0019]
In order to achieve the above object, the thin-film optical element according to the sixth aspect of the present invention is the thin-film optical element according to any one of the first to fifth aspects, wherein the light absorption layer film is the control. It contains a dye or dye molecule aggregate that absorbs light in the wavelength band of light.
[0020]
In order to achieve the above object, a thin film optical device according to claim 7 of the present application is the thin film optical device according to any one of claims 1 to 6, wherein the light absorbing film, the heat insulating layer film, A light transmissive film is provided via any of the light reflective films,
Further, the convex lens as the control light converging means is provided to be laminated on the incident side of the control light through a light transmission layer film.
[0021]
In order to achieve the above object, a light control method according to an eighth aspect of the present invention is different in wavelength from the light absorption layer film of the thin film optical device according to any one of the first to sixth aspects. The control light and the signal light are respectively converged and irradiated, and the wavelength of the control light is selected from a wavelength band absorbed by the light absorption layer film, and at least the control light is focused in the light absorption layer film By using a thermal lens based on a refractive index distribution reversibly generated due to a temperature rise that occurs in the area where the light absorption layer film absorbs the control light and the surrounding area, the signal light of the signal light is used. Intensity modulation and / or light flux density modulation is performed.
[0022]
In order to achieve the above object, a light control method according to a ninth aspect of the present invention provides the control light and the signal light to the convex lens provided in the thin film optical element according to the seventh aspect. Irradiated as parallel beams, and at least the control light is focused in the light absorption layer film, and the light absorption layer film is caused by a temperature rise that occurs in a region where the control light is absorbed and its peripheral region. By using a thermal lens based on a reversibly generated refractive index distribution, intensity modulation and / or light beam density modulation of the signal light is performed.
[0023]
In order to achieve the above object, a light control method according to claim 10 of the present application is the light control method according to claim 8 or 9, wherein the light control method transmits light after passing through the thin film optical device. The signal light beam bundle in a region that has been strongly subjected to intensity modulation and / or light beam density modulation is obtained by taking out the signal light beam bundle that is being processed in an angle range (aperture angle) smaller than the divergence angle of the signal light beam bundle. It is characterized by being separated and taken out.
[0024]
In order to achieve the above object, a light control device according to an eleventh aspect of the present invention is different in wavelength from the light absorption layer film of the thin film optical element according to any one of the first to sixth aspects. Each of the control light and the signal light is irradiated, and the wavelength of the control light is selected from a wavelength band absorbed by the light absorption layer film, and the light absorption layer film absorbs the control light in a region and its peripheral region. In a light control apparatus that performs intensity modulation and / or light beam density modulation of the signal light by using a thermal lens based on a refractive index distribution that occurs reversibly due to a temperature rise that occurs,
Converging means for converging the control light and the signal light, respectively, and the control light and the control light and the signal light so that regions with the highest photon density near the respective focal points of the control light and the signal light overlap each other. Each optical path of signal light is arranged,
Further, the light absorption layer film of the thin film optical element is disposed at a position where regions having the highest photon density near the respective focal points of the converged control light and signal light overlap each other. .
[0025]
In order to achieve the above object, a light control device according to a twelfth aspect of the present invention provides the control light and the signal light to the convex lens provided in the thin film optical element according to the seventh aspect. By irradiating each as a parallel beam and using a thermal lens based on a refractive index distribution reversibly generated due to a temperature rise occurring in the region where the light absorbing layer film absorbs the control light and its surrounding region, In a light control device that performs intensity modulation and / or light flux density modulation of the signal light,
The control lens has the convex lens as a converging means for converging the control light and the signal light, respectively, and the control is performed so that regions with the highest photon density near the focal points of the converged control light and the signal light overlap each other. The optical paths of the light and the signal light are respectively arranged,
Further, the light absorption layer film of the thin film optical element is disposed at a position where regions having the highest photon density near the respective focal points of the converged control light and signal light overlap each other. .
[0026]
In order to achieve the above object, a light control method according to a thirteenth aspect of the present invention is the light control device according to the eleventh or twelfth aspect, in which intensity modulation and / or light flux density modulation is strengthened. As a means for separating and extracting the signal light beam bundle of the received region, the signal light beam bundle that diverges after passing through the thin film optical element is an angle range smaller than the divergence angle of the signal light beam bundle ( Means is provided for taking out at an opening angle.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0028]
[Configuration of thin film optical element]
The thin film optical device of the present invention has a single layer type or a laminated film type structure, and examples of the configuration include the following combinations.
(1) Light absorption layer film alone
(2) Light absorption layer film / heat insulation layer film
(3) Thermal insulation layer film / light absorption layer film / thermal insulation layer film
(4) Light absorption layer film / heat transfer layer film
(5) Heat transfer layer film / light absorption layer film / heat transfer layer film
(6) Light absorption layer film / heat insulation layer film / heat transfer layer film
(7) Heat transfer layer film / light absorption layer film / heat insulation layer film
(8) Heat transfer layer film / light absorption layer film / heat insulation layer film / heat transfer layer film
(9) Heat transfer layer film / heat insulation layer film / light absorption layer film / heat insulation layer film
(10) Heat transfer layer film / heat insulation layer film / light absorption layer film / heat insulation layer film / heat transfer layer film
(11) Convex lens / light transmission layer film / thin film optical device according to (1) to (10) above.
[0029]
When the structure of the laminated film is asymmetrical, for example, in the case of (2) “Light absorption layer film / heat insulation layer film”, the control light may be incident from the light absorption layer film side, or the heat insulation layer film side It may enter from. Therefore, the configuration when the convex lens / light transmission film layer is laminated is, for example, as follows.
(12) Convex lens / light transmission layer film / light absorption layer film / heat insulation layer film
(13) Convex lens / light transmission layer film / heat insulation layer film / light absorption layer film.
[0030]
A heat reflecting layer film and / or a heat transfer layer film is provided on the control light incident side of the light absorption layer film with a light reflection film provided with a hole having a size through which the control light and the signal light that are converged and irradiated can pass. Is present via the heat insulating layer film and / or the heat transfer layer film. In that case, the configuration is as follows:
(14) Light reflecting film / thin film optical device according to the above (1) to (10)
(15) Convex lens / light transmission layer film / light reflection film / thin film optical element according to (1) to (10) above.
[0031]
If necessary, an antireflection film layer (AR coating film layer) may be provided on the light incident surface and the light emitting surface.
[0032]
A cross-sectional view illustrating the configuration of the thin film optical element of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 11, the thin-film optical element has a reflecting film 84 / heat insulating layer film 81 / light absorption layer provided with a convex lens 87 / light transmission layer film 86 / hole 83 from the incident side of the control light S1 and the signal light S2. The film 80 / the heat insulating layer film 81 / the heat transfer layer film 82 are laminated in this order.
[0033]
The materials of the light absorption layer film, the heat retaining layer film, the heat transfer layer film, and the light reflection film, the preparation methods, the respective film thicknesses, the size of the holes in the light reflection film, and the like will be described in order.
[0034]
[Material of light absorption layer film]
Various known materials can be used as the light-absorbing material used for the light-absorbing layer film in the thin-film optical element of the present invention.
[0035]
When the thin film optical device of the present invention has a single-layer structure composed of a single light absorption layer film, the light absorption layer film needs to be made of a self-shape-retaining material. Here, the self-form-retaining material means a material having such a property that the form (thin film) as the thin film optical element can be maintained without supporting means. For example, in the case of an inorganic glass material, a form as a thin film optical element having a thickness of several μm and a size of several mm square can be “self-maintained”. On the other hand, when a light absorption film having a thickness of several μm is formed using a material such as polymethyl methacrylate containing a dye, some support means is necessary. In such a case, for example, as described later, it is necessary to use a heat transfer layer film made of an inorganic glass material in combination as a support means.
[0036]
Even if the thin-film optical element of the present invention has a laminated structure, if the light-absorbing material itself has a self-shape maintaining ability, the degree of freedom in designing the configuration of the thin-film optical element is increased. On the other hand, if the heat retaining layer film and / or the heat transfer layer film described later is self-form-retaining, the light-absorbing layer film may not be self-form-retaining.
[0037]
If the example of the light absorptive material used for the light absorption layer film | membrane in the thin film optical element of this invention is specifically mentioned, for example, GaAs, GaAsP, GaAlAs, InP, InSb, InAs, PbTe, InGaAsP, ZnSe etc. A compound semiconductor single crystal, a dispersion of fine particles of the compound semiconductor in a matrix material, a single crystal of a metal halide doped with a different metal ion (for example, potassium bromide, sodium chloride, etc.), the metal halide ( (For example, copper bromide, copper chloride, cobalt chloride, etc.) dispersed in a matrix material, single crystals of cadmium chalcogenides such as CdS, CdSe, CdSeS, CdSeTe doped with different metal ions such as copper, the cadmium Chalcogenide fine particles dispersed in matrix material , Semiconductor single crystal thin film such as silicon, germanium, selenium, tellurium, polycrystalline thin film or porous thin film, semiconductor fine particles such as silicon, germanium, selenium, tellurium dispersed in matrix material, ruby, alexandrite, garnet, Nd: YAG, sapphire, Ti: sapphire, Nd: YLF, etc., single crystals corresponding to metal ions-doped gemstones (so-called laser crystals), lithium ions of niobate (LiNbO) doped with metal ions (for example, iron ions)Three), LiBThreeOFiveLiTaOThree, KTiOPOFour, KH2POFour, KNbOThree, BaB2O2In addition to quartz crystals doped with metal ions (eg, neodymium ions, erbium ions, etc.), soda glass, borosilicate glass, other glasses, etc., and pigments dissolved or dispersed in matrix materials Can be preferably used.
[0038]
Among these, those in which a dye is dissolved or dispersed in a matrix material have a wide selection range of the matrix material and the dye and can be easily processed into a thin film optical element, and therefore can be used particularly preferably in the present invention. .
[0039]
Specific examples of the dye that can be used in the present invention include xanthene dyes such as rhodamine B, rhodamine 6G, eosin and phloxine B, acridine dyes such as acridine orange and acridine red, ethyl red, and methyl red. Cyanine dyes such as azo dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, 3,3′-diethylthiacarbocyanine iodide, 3,3′-diethyloxadicarbocyanine iodide, ethyl violet, Victoria Blue R, etc. A triarylmethane dye or the like can be preferably used.
[0040]
In this invention, these pigment | dyes can be used individually or in mixture of 2 or more types.
[0041]
Matrix materials that can be used in the present invention are:
(1) high transmittance in the wavelength region of light used in the light control method of the present invention;
(2) The dye or various fine particles used in the present invention can be dissolved or dispersed with good stability.
(3) As described above, self-form retention as required,
Any material can be used as long as the above condition is satisfied.
[0042]
Inorganic matrix materials include, for example, metal halide single crystals, metal oxide single crystals, metal chalcogenide single crystals, quartz glass, soda glass, borosilicate glass, etc. A melting point glass material or the like can be used.
[0043]
In addition, as the organic matrix material, for example, various organic polymer materials can be used.
[0044]
Known methods can be used to dissolve or disperse the dye in these matrix materials. For example, the dye and matrix material are dissolved and mixed in a common solvent, then the solvent is evaporated and removed, or the dye is dissolved or dispersed in the raw material solution of the inorganic matrix material produced by the sol-gel method, and then the matrix A method of forming a material, a method of forming a matrix material by dissolving or dispersing a dye in a monomer of an organic polymer matrix material, if necessary, and then polymerizing or polycondensing the monomer; A solution in which a dye and an organic polymer matrix material are dissolved in a common solvent is dropped into a solvent in which both the dye and the thermoplastic organic polymer matrix material are insoluble, and the resulting precipitate is filtered and dried. For example, a method of heating / melting can be preferably used. It is known that by combining the dye and matrix material and processing methods, the dye molecules can be aggregated to form a special aggregate called “H aggregate” or “J aggregate”. The dye molecules in the matrix material may be used under conditions that form such an aggregated state or an associated state.
[0045]
A known method can be used to disperse the various fine particles in these matrix materials. For example, after the fine particles are dispersed in a matrix material solution or a matrix material precursor solution, a method of removing the solvent, into the monomer of the organic polymer matrix material, if necessary, using a solvent, A method for forming a matrix material by polymerizing or polycondensing the monomer after dispersing the fine particles, and as a precursor of the fine particles, for example, a metal salt such as cadmium perchlorate or gold chloride into an organic polymer matrix material. After dissolution or dispersion, a method of depositing fine particles of cadmium sulfide by treatment with hydrogen sulfide gas or gold fine particles by heat treatment, a chemical vapor deposition method, a sputtering method, etc. It can be used suitably.
[0046]
The light-absorbing material used in the present invention is a known oxidation additive as an additive in order to improve workability or improve stability and durability as an optical element within a range that does not hinder its function. An inhibitor, an ultraviolet absorber, a singlet oxygen quencher, a dispersion aid and the like may be contained.
[0047]
[Material of thermal insulation film]
Gas, liquid, and solid materials can be used as the heat insulating layer film. If the material of the thermal insulation layer film is not self-retaining such as gas or liquid, for example, the light-absorbing layer film and the heat transfer layer film are made of a self-maintaining material, and the thickness of the thermal insulation layer film By providing a depletion corresponding to the thickness and injecting a gas or liquid heat insulating layer film material into the depletion layer, a heat insulating layer film can be formed. When the material of the heat insulating layer film is solid, the heat insulating layer film may be formed by laminating the light absorbing layer film.
[0048]
The thickness of the heat insulating layer film depends on the type of material used, but may be a thickness in the range of several nanometers to several hundreds of micrometers, and particularly preferably in the range of several tens of nanometers to several tens of micrometers. is there.
[0049]
When a gas is used as the heat insulating layer film, an inert gas such as nitrogen, helium, neon, or argon can be suitably used in addition to air.
[0050]
When a liquid is used as the heat insulating layer film, the material having the thermal conductivity equal to or smaller than that of the light absorbing layer film and transmitting control light and signal light, and the material of the light absorbing layer film As long as it does not dissolve or corrode, any liquid can be used. For example, when the light absorption layer film is made of polymethyl methacrylate containing a cyanine dye, fluid paraffin can be used.
[0051]
When a solid is used as the heat insulation layer film, the material has a thermal conductivity equal to or smaller than that of the light absorption layer film, and transmits control light and signal light, and transmits the light absorption layer film or the transmission layer. Any solid can be used as long as it does not react with the material of the thermal layer film. For example, when the light absorption layer film is made of polymethyl methacrylate containing a cyanine dye, polymethyl methacrylate containing no dye [thermal conductivity at 300 K 0.15 Wm-1K-1] Can be used as a heat insulating layer film.
[0052]
[Material of heat transfer layer film]
As the heat transfer layer film, a material having higher thermal conductivity than the light absorption layer film is preferable, and any material can be used as long as it transmits control light and signal light and does not react with the material of the light absorption layer film or the heat insulation layer film. Can be used. As a material having high thermal conductivity and low light absorption in the visible light wavelength band, for example, diamond [thermal conductivity 900 Wm at 300 K].-1K-1], Sapphire [46Wm-1K-1], Quartz single crystal [10.4 Wm in the direction parallel to the c-axis]-1K-1], Quartz glass [1.38 Wm]-1K-1], Hard glass [Same as 1.10Wm]-1K-1] Can be suitably used as the heat transfer layer film.
[0053]
[Light Reflective Film Material]
Any light reflecting film may be used as long as it reflects control light and signal light and does not react with the materials of the light absorbing layer film, the heat retaining layer film, and the heat transfer layer film. A metal thin film such as aluminum or gold, or a dielectric multilayer film composed of alternating laminated films of titanium oxide and silicon oxide can be suitably used as the light reflecting film.
[0054]
[Material of convex lens]
One of the embodiments of the thin film optical device of the present invention is characterized in that a convex lens as the control light converging means is provided on the incident side of the control light via a light transmission layer film. However, any known material can be used as the material of the convex lens. For example, plastics such as polymethyl methacrylate ester resin, optical glass, and the like can be suitably used.
[0055]
[Material of light transmission layer film]
One of the embodiments of the thin film optical device of the present invention is characterized in that a convex lens as the control light converging means is provided on the incident side of the control light via a light transmission layer film. However, as the material of the light transmission layer film, the same material as the material of the solid heat insulating layer film and / or the heat transfer layer film can be used.
[0056]
[Method of creating thin film optical element]
The method for producing the thin film optical element of the present invention is arbitrarily selected according to the configuration of the thin film optical element and the type of material used, and a known method can be used.
[0057]
For example, when the light-absorbing material used for the light-absorbing layer film in the thin-film optical element is a single crystal as described above, the light-absorbing layer film can be formed by cutting and polishing the single crystal.
[0058]
For example, a light-absorbing layer film made of a matrix material containing a dye and a thin-film optical element having a stacked structure of “light-absorbing layer film / heat-transfer layer film” using optical glass as a heat-transfer layer film are prepared. In this case, the light absorption layer film can be formed by the methods listed below.
[0059]
Whether a solution in which a dye and a matrix material are dissolved is applied to a glass plate used as a heat transfer layer film by a coating method such as a coating method, a blade coating method, a roll coating method, a spin coating method, a dipping method, or a spray method. Alternatively, a method of forming a light-absorbing film layer by printing by a printing method such as planographic printing, relief printing, intaglio printing, stencil printing, screen, or transfer. In this case, an inorganic matrix material preparation method by a sol-gel method can be used for forming the light absorption film layer.
[0060]
Electrochemical film-forming methods such as electrodeposition, electropolymerization, and micelle electrolysis (Japanese Patent Laid-Open No. 63-243298) can be used.
[0061]
A Langmere-Blodgett method that transfers a monomolecular film formed on water can be used.
[0062]
When the organic polymer matrix material for forming the light absorption layer film is thermoplastic, a “heat transfer layer” is used by using a hot press method (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 4-99609) by combining a glass plate as the heat transfer layer film. A thin film optical element having a laminated structure of “film / light absorption film layer / heat transfer film layer” can be produced.
[0063]
Examples of the method utilizing polymerization or polycondensation reaction of raw material monomers include casting method, reaction injection molding method, plasma polymerization method, and photopolymerization method when the monomer is liquid.
[0064]
Sublimation transfer methods, vapor deposition methods, vacuum vapor deposition methods, ion beam methods, sputtering methods, plasma polymerization methods, CVD methods, organic molecular beam vapor deposition methods, and the like can also be used.
[0065]
A composite optical thin film characterized in that an organic optical material having two or more components is sprayed into a high vacuum container from a spray nozzle provided for each component in a solution or dispersion state, deposited on a substrate, and heat-treated. The manufacturing method (Patent Publication No. 2599569) can also be used.
[0066]
The method for producing a solid light-absorbing layer film as described above can be suitably used, for example, when producing a heat insulating layer film made of a solid organic polymer material.
[0067]
[How to create a convex lens]
One of the embodiments of the thin film optical device of the present invention is characterized in that a convex lens as the control light converging means is provided on the incident side of the control light via a light transmission layer film. However, any known method can be used as a method for forming the convex lens.
For example, a refractive index distribution type convex lens can be made of an organic polymer material by utilizing the phenomenon of monomer penetration / diffusion [M.Oikawa, K.Iga, T. Sanada: Jpn.J.Appl. Phys, 20 (1), L51-L54 (1981)]. In other words, the refractive index distribution lens can be made monolithically on a flat substrate by the monomer exchange technique. For example, methyl methacrylate (n = 1.494) as a low refractive index plastic is used as a circular disk of 3.6 mmφ. Is diffused into a flat plastic substrate of polyisophthalic acid diacrylic (n = 1.570) having a high refractive index.
[0068]
In addition, by utilizing the diffusion phenomenon of inorganic ions, a gradient index convex lens can be made of an inorganic glass material [M. Oikawa, K. Iga: Appl. Opt., 21 (6), 1052-1056 ( 1982)]. That is, after applying a mask to a glass substrate, a circular window with a diameter of about 100 μm is provided by a photolithography method, and an electric field is applied for several hours to form a refractive index distribution by ion exchange by immersing in molten salt. By promoting ion exchange, a lens having a diameter of 0.9 mm, a focal length of 2 mm, and a numerical aperture NA = 0.23 can be formed, for example.
[0069]
It should be noted that the “mask” used when creating the convex lens in the substrate by the method as described above is “a size through which the control light and the signal light that are converged and irradiated can pass through in the thin film optical element of the present invention. It can also be used as a light reflecting film provided with a hole.
[0070]
[Method of providing a hole in the light reflecting film]
One of the embodiments of the thin film optical element of the present invention is characterized by having a light reflecting film provided with a hole having a size through which the control light and the signal light irradiated with convergence can pass. Any known method can be used as a method of providing this hole in the membrane. For example, after a photoresist is applied to a light reflection film made of a metal vapor deposition film provided on a glass heat transfer layer film, holes can be provided by a photoetching method according to a conventional method. The shape and size of the holes will be described later.
[0071]
[Calculation of beam waist diameter]
Hereinafter, the case of a Gaussian beam in which the amplitude distribution of the electric field in the cross section of the traveling direction beam, that is, the energy distribution of the luminous flux is a Gaussian distribution will be described. In the following description, a case where a condensing lens (convex lens) is used as the beam converging unit will be described. However, the same applies when the converging unit is a concave mirror or a refractive index dispersion type lens.
[0072]
FIG. 3 shows the state of the light beam and the wavefront 30 in the vicinity of the focal point Fc when the Gaussian beam is converged by the condensing lens 7 or the like at the opening angle 2θ. Here, the position where the diameter 2ω of the Gaussian beam having the wavelength λ is minimum is referred to as “beam waist”. Below, the beam waist diameter is 2ω0It shall be expressed as 2ω due to the diffraction effect of light0Is not zero and has a finite value. The beam radius ω and ω0The definition of the energy is 1 / e based on the energy of the beam center portion of the Gaussian beam.2This is the distance when the position where e is the base of the natural logarithm is measured from the beam center. Needless to say, the photon density is highest in the center of the beam waist.
[0073]
In the case of a Gaussian beam, the beam divergence angle θ sufficiently far from the beam waist is the wavelength λ and the beam waist diameter ω.0And the following equation (2).
[0074]
[Expression 2]
π ・ θ ・ ω0  ≒ λ ... (2)
Here, π is the circumference ratio.
[0075]
Only when the condition of “far enough from the beam waist” is satisfied, the light is collected by the condenser lens from the beam radius ω incident on the condenser lens, the numerical aperture of the condenser lens, and the focal length. Beam waist diameter ω0Can be calculated.
[0076]
More generally, a beam waist diameter 2ω when a parallel Gaussian beam (wavelength λ) having a beam radius ω is converged by a condensing lens having an effective aperture radius a and a numerical aperture NA.0Can be expressed by the following equation (3).
[0077]
[Equation 3]
2ω0≒ k ・ λ / NA (3)
Here, since the coefficient k cannot be solved algebraically, it can be determined by performing a numerical analysis calculation on the light intensity distribution on the lens imaging plane.
[0078]
When the numerical analysis calculation is performed by changing the ratio of the beam radius ω incident on the condenser lens and the effective aperture radius a of the condenser lens, the value of the coefficient k in Equation (3) is obtained as follows.
[0079]
[Expression 4]
When a / ω = 1, k≈0.92
When a / ω = 2, k≈1.3
When a / ω = 3, k≈1.9
When a / ω = 4, k≈3
That is, the smaller the beam radius ω is than the effective aperture radius a of the condenser lens, the smaller the beam waist diameter ω.0Will grow.
[0080]
For example, when a lens having a focal length of 6.2 mm, a numerical aperture of 0.65, and an effective aperture radius of about 4 mm is used as a condensing lens and signal light having a wavelength of 694 nm is converged, the beam radius ω incident on the condensing lens is 4 mm. If there is a / ω is about 1, the beam waist radius ω0Is 0.49 μm and ω is 1 mm, a / ω is about 4 and ω0Is calculated to be 1.6 μm. Similarly, when the control light having a wavelength of 633 nm is converged, if the beam radius ω is 4 mm, a / ω is about 1, and the beam waist radius ω0Is 0.45 μm and ω is 1 mm, a / ω is about 4 and ω0Is calculated to be 1.5 μm.
[0081]
As is clear from this calculation example, in order to minimize the cross-sectional area of the light beam in the region with the highest photon density near the focal point of the condenser lens, that is, the beam waist, What is necessary is just to expand a beam diameter (beam expansion). It can also be seen that when the beam diameter incident on the condenser lens is the same, the shorter the wavelength of light, the smaller the beam waist diameter.
[0082]
In order to increase the optical response in the light control method of the present invention, the beam cross-sectional area of the signal light in the region where the photon density near the focal point is the highest is the beam cross-section of the control light in the region where the photon density near the focal point is the highest. It is preferable to set the shape and size of the beam cross sections of the signal light and the control light so as not to exceed the area. If a Gaussian beam is used for both the signal light and the control light, the signal light and the control light are controlled according to the wavelength in the state of the parallel beam before being converged by the converging means such as a condenser lens according to the above explanation and the calculation formula. The beam cross-sectional area of the signal light in the region with the highest photon density near the focal point is the region with the highest photon density in the vicinity of the focal point by adjusting the beam diameter of the light, for example, by expanding the beam as necessary. The beam cross-sectional area of the control light in can not be exceeded. As a means for beam expansion, a publicly known one, for example, a Kepler type optical system composed of two convex lenses can be used.
[0083]
[Calculation of confocal distance Zc]
As described above, in the case of a Gaussian beam, the convergent beam is regarded as almost parallel light in the vicinity of the beam waist of the light beam converged by the converging means such as a convex lens, that is, in the section of the confocal distance Zc across the focal point. The confocal distance Zc can be expressed as follows: pi π, beam waist radius ω0And the equation (1) using the wavelength λ.
[0084]
[Equation 5]
Zc = πω0 2/ Λ (1)
Ω in equation (1)0By substituting equation (3) into equation (4), equation (4) is obtained.
[0085]
[Formula 6]
Zc ≈ π (k / NA)2λ / 4 (4)
For example, when a lens having a focal length of 6.2 mm, a numerical aperture of 0.65, and an effective aperture radius of about 4 mm is used as a condensing lens and signal light having a wavelength of 694 nm is converged, the beam radius ω incident on the condensing lens is 4 mm. If there is a / ω is about 1, the beam waist radius ω0Is 0.49 μm, confocal distance Zc is 1.09 μm, and ω is 1 mm, a / ω is about 4 and ω0Is calculated as 1.6 μm and the confocal distance Zc is calculated as 11.6 μm. Similarly, when the control light having a wavelength of 633 nm is converged, if the beam radius ω is 4 mm, a / ω is about 1, and the beam waist radius ω0Is 0.45 μm, confocal distance Zc is 0.996 μm, and ω is 1 mm, a / ω is about 4 and ω0Is calculated as 1.5 μm and the confocal distance Zc is calculated as 10.6 μm.
[0086]
[Optimal film thickness of light absorption layer]
Samples were prepared by adjusting the dye concentration and film thickness so that the product of the film thickness and the dye concentration in the film was constant so that the optical density of the light absorbing film was constant. It has been found that the light response speed of the light control method of the present invention is sufficiently high when the double of the calculated confocal distance is set as the upper limit of the film thickness of the light absorption layer film.
[0087]
About the minimum of the film thickness of a light absorption layer film, as long as a light response is detectable, it is so preferable that it is thin.
[0088]
[Thickness of heat insulation layer film]
There is an optimum value (lower limit value and upper limit value) that maximizes the magnitude and / or speed of the optical response in the film thickness of the heat insulating layer film. The value can be experimentally determined according to the configuration of the thin film optical element, the material and thickness of the light absorption layer film, the material of the heat retaining layer, the material and thickness of the heat transfer layer film, and the like.
[0089]
[Film thickness of heat transfer layer film]
The film thickness of the heat transfer layer film also has an optimum value (in this case, a lower limit value) that maximizes the magnitude and / or speed of the optical response. The value can be experimentally determined according to the configuration of the thin film optical element, the material and thickness of the light absorption layer film, the material and thickness of the heat retaining layer, the material of the heat transfer layer film, and the like.
[0090]
[Role, shape, and size of the hole in the light reflecting film]
In the thin film optical element of the present invention, the heat insulating layer film and / or the heat transfer layer film is provided as a light reflecting film provided with a hole having a size through which the control light and the signal light that are converged and irradiated can pass. In this case, adjustment of the optical axes of the control light and the signal light to be converged and irradiated by providing the light absorption layer film on the control light incident side via the heat insulating layer film and / or the heat transfer layer film. Can be easily performed. That is, the signal light and the control light are controlled by a simple operation of adjusting the optical axes of the signal light and the control light so that the amounts of the signal light and the control light passing through the holes are maximized. The positional relationship of the optical axis of light can be optimized.
[0091]
The shape and size of the hole is preferably a shape and size that allows the signal light and the control light to pass through as effectively as possible, as long as they fulfill the above-mentioned role. If the signal light and the control light are Gaussian beams, the cross section of the light beam is circular, and the hole shape is preferably circular. The radius of the circular hole is preferably equal to the beam radius of the signal light and control light passing through the hole. Here, it should be noted that if the radius of the hole becomes too small, light interference becomes significant. As a specific guideline, it is preferable that the diameter of the hole is not smaller than 100 times the wavelength of the signal light and the control light. Usually, signal light and control light having a diameter of millimeter order pass through the hole after being “converged”, and therefore the size of the hole can be adjusted by adjusting the installation position of the light reflecting film provided with the hole. It becomes possible to make it larger than the value.
[0092]
Embodiment 1
FIG. 1 shows a schematic configuration of the light control device of the present embodiment.
[0093]
The light control apparatus of the present invention, whose outline is illustrated in FIG. 1, includes a light source 1 for control light, a light source 2 for signal light, an ND filter 3, a shutter 4, a semi-transparent mirror 5, an optical mixer 6, a condensing lens 7, and a book. The thin film optical element 8 of the invention, the light receiving lens 9, the wavelength selective transmission filter 20, the diaphragm 19, the photodetectors 11 and 22, and the oscilloscope 100 are included. Among these optical elements or optical components, the control light source 1, the signal light source 2, the optical mixer 6, the condenser lens 7, the thin film optical element 8, the light receiving lens 9, and the wavelength selective transmission filter 20 are: The apparatus configuration shown in FIG. 1 is essential for carrying out the light control method of the present invention. The ND filter 3, the shutter 4, and the semi-transparent mirror 5 are provided as necessary, and the photodetectors 11 and 22 and the oscilloscope 100 are used for carrying out the light control method of the present invention. Although not necessary, it is used as needed as an electronic device for confirming the operation of light control.
[0094]
Next, features and operations of individual components will be described.
[0095]
A laser device is preferably used as the light source 1 for the control light. The oscillation wavelength and output are appropriately selected according to the wavelength of the signal light targeted by the light control method of the present invention and the light absorption characteristics of the light absorption layer film to be used. There is no particular limitation on the laser oscillation method, and an arbitrary type can be used according to the oscillation wavelength band, output, and economy. The light from the laser light source may be used after wavelength conversion by a nonlinear optical element. Specifically, for example, argon ion laser (oscillation wavelength: 457.9 to 514.5 nm), gas laser such as helium-neon laser (633 nm), solid laser such as ruby laser and Nd: YAG laser, dye laser, semiconductor laser Etc. can be used suitably. As the signal light source 2, not only coherent light from a laser light source but also non-coherent light can be used. In addition to a light source that provides monochromatic light, such as a laser device, a light emitting diode, or a neon discharge tube, continuous spectrum light from a tungsten bulb, a metal halide lamp, a xenon discharge tube, or the like may be monochromatized with an optical filter or a monochromator. .
[0096]
Hereinafter, the emitted light of a semiconductor laser (oscillation wavelength 694 nm, continuous oscillation output 3 mW) is beam-shaped as a signal light source 2 and used as a parallel Gaussian beam having a diameter of about 8 mm, while the control light source 1 is a helium-neon laser. The embodiment will be described in the case of using (a parallel beam having an oscillation wavelength of 633 nm, a beam diameter of about 2 mm, and a Gaussian distribution of energy in the beam cross section).
[0097]
Although the ND filter 3 is not necessarily required, in order to avoid the laser light having a higher power than necessary from entering the optical components and optical elements constituting the apparatus, the optical response performance of the thin film optical element of the present invention is tested. In doing so, it is useful for increasing or decreasing the light intensity of the control light. In this embodiment, several types of ND filters are exchanged for the latter purpose.
[0098]
When a continuous wave laser is used as the control light, the shutter 4 is used for blinking it in a pulse form, and is not an essential component of the apparatus for carrying out the light control method of the present invention. That is, when the light source 1 of the control light is a laser that oscillates and the pulse width and the oscillation interval can be controlled, or when laser light that has been pulse-modulated in advance by appropriate means is used as the light source 1 The shutter 4 may not be provided.
[0099]
When the shutter 4 is used, any type can be used. For example, an optical chopper, a mechanical shutter, a liquid crystal shutter, a light Kerr effect shutter, a Pockel cell, a photoacoustic element, etc. Can be selected and used as appropriate.
[0100]
In the present embodiment, the semi-transmissive mirror 5 is used for constantly estimating the light intensity of the control light when testing the operation of the light control method of the present invention, and the light splitting ratio can be arbitrarily set.
[0101]
The photodetectors 11 and 22 are used to electrically detect and verify the change in light intensity by the light and light control of the present invention, and to test the function of the thin film optical device of the present invention. . The types of the photodetectors 11 and 22 are arbitrary, and can be appropriately selected and used in consideration of the response speed of the detector itself. For example, a photomultiplier tube, a photodiode, a phototransistor, or the like is used. Can do.
[0102]
The received light signals of the photodetectors 11 and 22 can be monitored by a combination of an AD converter and a computer (not shown) in addition to the oscilloscope 100 or the like.
[0103]
The optical mixer 6 is used to adjust the optical paths of the control light and signal light propagating through the thin film optical element, and is an important device for carrying out the light control method and the light control device of the present invention. One of the components. Any of a polarization beam splitter, a non-polarization beam splitter, and a dichroic mirror can be used, and the light splitting ratio can be arbitrarily set.
[0104]
The condensing lens 7 is for converging the signal light and the control light adjusted so that the optical paths are the same as the converging means common to the signal light and the control light, and irradiating the thin film optical element, The light control method and the light control device according to the present invention are one of the essential components of the device. Any specifications can be used as appropriate for the focal length, numerical aperture, F value, lens configuration, lens surface coating, and the like of the condenser lens.
[0105]
In the present embodiment, a case where a microscope objective lens having a focal length of 6.2 mm, a numerical aperture of 0.65, and an effective aperture radius of 4.03 mm is used as the condenser lens 7 will be described below.
[0106]
In this case, the radius ω of the light beam in the region with the highest photon density near the focal point of the condenser lens, that is, the beam waist.0And the confocal distance Zc is ω for control light having a wavelength of 633 nm and a beam diameter of 2 mm, as in the calculation example using the equations (2) and (4) shown above.0Is calculated as 1.5 μm and Zc is calculated as 10.6 μm.
[0107]
Similarly, for the signal light having a wavelength of 694 nm and a beam diameter of 8 mm, the radius ω of the light beam at the beam waist0Is calculated to be 0.49 μm. In other words, in the present embodiment, the control light beam and the signal light beam at the beam waist have a magnitude relationship of about 3: 1 as the beam diameter and about 10: 1 as the beam cross-sectional area.
[0108]
FIG. 4 schematically shows the relationship between the control light S1 and the signal light S2 in the thin film optical device.
[0109]
Thus, when the beam size of the control light at the beam waist is made larger than that of the signal light, the energy density of the signal light convergence beam is the highest in the region where the energy density of the control light convergence beam is the highest near the focal point of the condenser lens. It becomes easy to adjust the optical system so as to overlap the regions, and it is difficult to be affected by fluctuations in various elements of the optical system. That is, it is not necessary that the optical axis centers of the control light and the signal light are completely coincided with each other in the vicinity of the focal point. Even if the beam positions of the control light and the signal light fluctuate or drift to some extent, the energy density of the signal light convergence beam is It is possible to adjust so that the highest region does not deviate from the region where the energy density of the control light focusing beam is highest.
[0110]
The light receiving lens 9 is a means for returning the signal light and the control light that have been converged and irradiated onto the thin film optical element 8 and returned to the parallel and / or converged beam. In order to obtain well, a lens having a numerical aperture smaller than that of the condenser lens 7 is used. In this embodiment, a microscope lens having a numerical aperture of 0.4 is used as the light receiving lens 9. That is, by making the numerical aperture of the light receiving lens 9 smaller than the numerical aperture of the condensing lens 7, it is possible to separate and extract the light flux in the region that is strongly subjected to intensity modulation and / or light flux density modulation out of the signal light flux. This makes it possible to detect a sufficiently large signal light with good reproducibility. Even if the lens numerical aperture is large, the aperture 19 can be inserted or only the central portion of the light beam can be incident on the photodetector to substantially reduce the numerical aperture. However, it is preferable to use a light receiving lens having a small numerical aperture. Economical. It is also possible to use a concave mirror instead of the condenser lens and the light receiving lens.
[0111]
The wavelength selective transmission filter 20 is one of the essential components for implementing the light control method of the present invention with the device configuration of FIG. 1, and the signal light that has propagated through the same optical path in the thin film optical device. It is used as one of means for extracting only the signal light from the control light.
[0112]
Besides, as means for separating signal light and control light having different wavelengths, prisms, diffraction gratings, dichroic mirrors, and the like can be used.
[0113]
As the wavelength selective transmission filter 20 used in the apparatus configuration of FIG. 1, wavelength selection is such that light in the wavelength band of control light can be completely blocked, while light in the wavelength band of signal light can be efficiently transmitted. Any known permeation filter can be used. For example, plastic or glass colored with a pigment, glass with a dielectric multilayer deposited film on the surface, or the like can be used.
[0114]
As one embodiment of the thin film optical element of the present invention, the heat transfer layer film / light absorption layer film / heat transfer layer film type thin film optical element 8 can be prepared, for example, by the following procedure. That is, 3,3′-diethyloxadicarbocyanine iodide of cyanine dye (common name DODCI, manufactured by Exciton): 57.4 mg and 2-hydroxypropyl methacrylate: 1942.6 mg were dissolved in 200 ml of acetone, n-Hexane: The precipitate (mixture of dye and polymer) which was added while stirring into 600 ml was filtered off, washed with n-hexane, dried under reduced pressure, and pulverized. 10 pigment powders and polymer mixed powders were obtained.-FiveHeating was continued at 100 ° C. for 2 days under an ultra-high vacuum of less than Pa to completely remove volatile components such as residual solvent, and a dye / polymer mixture powder was obtained. This 20 mg powder was sandwiched between a slide glass (25 mm × 76 mm × thickness 1.150 mm) and a cover glass (18 mm × 18 mm × thickness 0.150 mm) using a heat transfer layer film, and heated to 160 ° C. under vacuum. A light absorption layer film having a film thickness of 20 μm was formed as a pigment / polymer film between the slide glass and the cover glass by using a method (vacuum hot press method) for press-bonding two glass plates. As described above, the confocal processing of the control light (wavelength 633 nm, beam diameter 2 mm) to be converged and irradiated on the light absorption layer film is calculated as 10.6 μm. That is, the thickness of the light absorption layer film does not exceed twice the confocal distance of the control light.
[0115]
The dye concentration in the dye / polymer film is 6.26 × 10 6 when the density of the dye / polymer mixture is 1.06.-2mol / l.
[0116]
FIG. 2 shows the transmittance spectrum of the thin film optical device produced as described above. The transmittance of this film was 38.3% at the wavelength of the control light (633 nm) and 90.3% at the wavelength of the signal light (694 nm).
[0117]
In the optical apparatus of FIG. 1 composed of the above components, the light beam of the control light emitted from the light source 1 passes through the ND filter 3 for adjusting the transmitted light intensity by adjusting the transmittance, Next, the control light passes through the shutter 4 for blinking in a pulse shape and is divided by the semi-transmissive mirror 5.
[0118]
A part of the control light divided by the semi-transmissive mirror 5 is received by the photodetector 11. Here, in a state where the light source 2 is turned off, the light source 1 is turned on, and the shutter 4 is opened, the relationship between the light intensity at the light beam irradiation position on the thin film optical element 8 and the signal intensity of the photodetector 11 is measured in advance. If a calibration curve is prepared, it is possible to always estimate the light intensity of the control light incident on the thin film optical element 8 from the signal intensity of the photodetector 11. In this embodiment, the power of the control light incident on the thin film optical element 8 is adjusted by the ND filter 3 in the range of 0.5 mW to 25 mW.
[0119]
The control light divided and reflected by the semi-transmissive mirror 5 passes through the optical mixer 6 and the condenser lens 7 and is converged and irradiated on the thin film optical element 8. The light beam of the control light that has passed through the thin film optical element 8 passes through the light receiving lens 9 and is then blocked by the wavelength selective transmission filter 20.
[0120]
The light beam of the signal light emitted from the light source 2 is mixed by the optical mixer 6 so as to propagate in the same optical path as the control light, and converges and irradiates the thin film optical element 8 via the condenser lens 7. The light that has passed through the element passes through the light receiving lens 9 and the wavelength selective transmission filter 20 and is then received by the photodetector 22.
[0121]
An optical control experiment was performed using the optical apparatus of FIG. 1, and changes in light intensity as shown in FIG. 5 or 6 were observed. 5 and / or 6, 111 is a light reception signal of the photodetector 11, and 222 and 223 are light reception signals of the photodetector 22. The difference between the case where the light reception signal 222 of the photodetector 22 is obtained and the case where 223 is obtained is as follows.
[0122]
In the apparatus arrangement of FIG. 1, the control light and the signal light are converged and incident on the thin film optical element 8, but the minimum converged beam diameter position, that is, the beam waist (focal point) is set to the condenser lens 7 of the thin film optical element 8. When it is set near (light incident side), the optical response 222 in the direction in which the signal light transmitted through the thin film optical element decreases is observed. On the other hand, when the beam waist is set close to the light receiving lens 9 of the thin film optical element 8 (light emission side), the optical response 223 in the direction in which the apparent intensity of the signal light transmitted through the thin film optical element increases is observed. Is done.
[0123]
A mechanism for generating such a light response is assumed as follows.
[0124]
When the thin film optical element provided with the light absorption layer film is irradiated with the control light having a wavelength selected from the wavelength band absorbed by the light absorption layer film by the condenser lens 7, the control light is emitted from the light absorption layer. A part of the light energy absorbed by the film is changed into heat energy, first the temperature of the control light irradiation part in the light absorption layer film is increased, and then the region of the region where the control light is absorbed by heat conduction. The temperature in the surrounding area also rises. The distribution of temperature rise when using a Gaussian beam as the control light is presumed to be similar to a Gaussian distribution where the beam center is large and decreases toward the periphery. Due to such a temperature rise and its distribution, thermal expansion occurs in the control light irradiation portion in the light absorption layer film, and as a result, a density change and a refractive index change with a distribution occur. The optical action based on the refractive index distribution generated in this way can be called a “thermal lens”. When the control light irradiation that triggered the formation of the thermal lens is stopped, the temperature rise due to light absorption stops, the density change and the refractive index distribution are eliminated, and the thermal lens disappears. That is, the thermal lens is reversibly formed and disappears in response to the intermittent control light. Here, when parallel control light (Gaussian beam) that has not been converged passes through a relatively thin light absorption layer, considering a thermal lens formed by light absorption, the temperature rise increases as the distance from the beam center increases. The thermal expansion is large and the density reduction is large. As a result, a distribution is formed such that the closer to the central portion, the smaller the refractive index, and the optical action is estimated to correspond to a concave lens. However, the optical action of the thermal lens formed when the converged control light passes through a relatively thick light absorption layer is that the energy distribution of the beam cross section deviates from the Gaussian distribution due to the effect of light absorption. Therefore, a simple concave lens is not always formed.
[0125]
Therefore, as described below, the light intensity distribution of the cross section of the signal light beam transmitted through the thin film optical element and its change were measured. In order to move the position of the beam waist (focal point Fc) of the convergent beam in the thin film optical element 8 in the following measurement, the distance between the condenser lens 7 and the light receiving lens 9 (d78+ D89) Was fixed, and the thin film optical element 8 was moved. That is, while the distance between the condensing lens 7 and the light receiving lens 9 is fixed, the distance between the thin film optical element 8 and the condensing lens 7 is changed, and the focal positions of the control light and signal light converged in the same optical path and the thin film light. The positional relationship with the element 8 was changed.
[0126]
In the apparatus of FIG. 1, the light receiving lens 9 is changed to one having a numerical aperture (for example, 0.75) larger than the numerical aperture of the condenser lens 7 (0.65 in this embodiment). Instead, a light intensity distribution measuring device provided with slits as shown in FIG. 7 is installed, and the light beam transmitted through the thin film optical element 8 is received and converged by the light receiving lens 9 to receive the light intensity distribution measuring device. It was made to inject into the part 31 (effective diameter 4mm), and the light intensity distribution of the signal beam bundle was measured. The measurement results are shown in FIGS. Here, as shown in FIG. 7, the light intensity distribution measuring device is provided with a first slit 32 having a width of 1 mm with respect to the light receiving unit 31 (effective diameter 4 mm). 7, the second slit 33 having a width of 25 μm is moved at a constant speed in the direction from the point X to the point Y, and the intensity of light passing through a 1 mm × 25 μm rectangular window formed by the two slits is determined by the window It is an apparatus which measures according to the movement position. In order to measure the light intensity corresponding to the moving position of the window, for example, the output of the detector that receives the light passing through the window on the storage oscilloscope synchronized with the moving speed of the second slit 33 is used. Record it. 8 to 10 show the light intensity distribution of the light beam section of the signal light recorded on the storage oscilloscope as described above, and the horizontal axis (position in the light beam section) is shown in FIG. Corresponding to the position in the direction from point X to point Y, the vertical axis represents the light intensity.
[0127]
FIG. 8 shows the light intensity distribution of the signal light when only the signal light is incident without the control light being incident on the thin film optical element 8. In this case, the light intensity distribution is a distribution (Gaussian distribution) in which the intensity at the center portion is strong and the intensity decreases toward the periphery.
[0128]
FIG. 9 shows the apparent signal light when the control light and signal light beam waist positions (focal points Fc) are set close to the condenser lens 7 of the thin film optical element 8 (on the light incident side) and the control light is irradiated. It is the light intensity distribution of the cross section of the signal light beam when the control light is irradiated under the condition that the optical response 222 in the direction of decreasing intensity is observed. In this case, the light intensity distribution is such that the light intensity at the center is weak and the light intensity increases at the periphery. The light intensity at the center of the cross section of the signal light beam decreases depending on the control light intensity and the positional relationship between the thin film optical element 8 and the focal point, and approaches zero as the control light intensity increases. This is presumably because the refractive index of the central portion irradiated by the control light irradiation becomes smaller and the light at that portion is bent in the outer circumferential direction of the beam. Therefore, in this case, when only the central portion of the signal light beam is taken out and the apparent signal light intensity is measured, the optical response 222 in the direction in which the signal light intensity decreases in response to the intermittent control light is sufficiently obtained. Can be taken out in size.
[0129]
FIG. 10 shows the apparent signal light intensity when the control light is irradiated when the beam waist position (focal point Fc) of the control light and signal light is set close to the light receiving lens 9 of the thin film optical element 8 (light emission side). This is the light intensity distribution of the signal light beam cross section when the control light is irradiated under the condition where the optical response 223 in the direction in which the light increases is observed. In this case, the light intensity at the central portion is higher than the light intensity at the central portion when the control light is not irradiated (FIG. 8). Here, the light intensity at the center of the cross section of the signal light beam depends on the relationship between the control light intensity and the focus position of the thin film optical element 8, but reaches several times that when the control light is not irradiated. This is because, in this arrangement, the optical action of the thermal lens formed by the converged and irradiated control light is the same as that of the converged and irradiated signal light. (It depends on the conditions, but it may be extended to almost infinity). Therefore, in this case, when only the central portion of the signal light beam is taken out and the apparent signal light intensity is measured, the optical response 223 in the direction in which the signal light intensity increases corresponding to the intermittent control light is sufficiently large. You can take it out.
[0130]
When the numerical aperture of the light receiving lens 9 is made larger than the numerical aperture of the condenser lens 7 and all the signal light transmitted through the thin film optical element is received, the signal light having the above light intensity distribution is received. Even if it is incident on the photodetector 22, the optical response is small or almost none. That is, even when the control light and the signal light are converged and made incident on the condensing lens side of the thin film optical element 8, the optical response is small or almost none. This suggests that in this embodiment, absorption from the excited state of the dye in the thin film optical element does not occur in practice.
[0131]
On the other hand, when the numerical aperture of the light receiving lens 9 is made smaller than the numerical aperture of the condenser lens 7 as shown in FIG. 1 of the present embodiment, the outer peripheral portion of the signal light incident on the photodetector 22 is excluded, and the control light and signal When the light is converged and incident on the condenser lens side (incident side) of the thin film optical element 8, the signal light incident on the photodetector 22 becomes small and converges and enters the light receiving lens side (exit side). In this case, the signal light incident on the photodetector 22 becomes large, and a large optical response is obtained.
[0132]
An optical control experiment was performed using the optical apparatus of FIG. 1, and changes in light intensity as shown in FIG. 5 or FIG. 6 were observed. The details are as described below.
[0133]
First, the optical path from each light source, the optical mixer 6, and the condenser lens 7 are set so that the light beam of the control light and the light beam of the signal light form a focal point Fc in the same region inside the thin film optical element 8. Adjusted. The thin film optical element was arranged in such a direction that signal light and control light entered from the cover glass side of the thin film optical element 8 and exited from the slide glass substrate side. Next, the function of the wavelength selection filter 20 was checked. That is, when the light source 1 was turned on and the shutter 4 was opened and closed with the light source 2 turned off, it was confirmed that no response was generated in the photodetector 22.
[0134]
First, the case where the focal point Fc is set on the condenser lens side (incident side) of the thin film optical element 8 will be described with reference to FIG.
[0135]
When the light source 1 of the control light is turned on with the shutter 4 closed, and then the light source 2 is turned on at time t1 to irradiate the thin film optical element 8 with signal light, the signal intensity of the light detector 22 changes from level C to level A. Increased to.
[0136]
When the shutter 4 is opened at time t2 and the control light is converged and irradiated on the same optical path as the signal light inside the thin film optical element 8 is propagated, the signal intensity of the photodetector 22 decreases from the level A to the level B. did. The response time for this change was less than 2 microseconds.
[0137]
When the shutter 4 was closed at time t3 and the control light irradiation to the thin film optical element was stopped, the signal intensity of the photodetector 22 returned from level B to level A. The response time for this change was less than 3 microseconds.
[0138]
When the shutter 4 was opened at time t4 and then closed at time t5, the signal intensity of the photodetector 22 decreased from level A to level B and then returned to level A.
[0139]
When the light source 2 was turned off at time t6, the output of the photodetector 22 decreased and returned to level C.
[0140]
Next, the case where the focal point Fc is set on the light receiving lens side (light emitting side) of the thin film optical element 8 will be described with reference to FIG.
[0141]
When the light source 1 of the control light is turned on with the shutter 4 closed, and then the light source 2 is turned on at time t1 to irradiate the thin film optical element 8 with signal light, the signal intensity of the light detector 22 changes from level C to level A. Increased to.
[0142]
When the shutter 4 is opened at the time t2 and the control light is converged and irradiated on the same optical path as the signal light inside the thin film optical element 8 is propagated, the signal intensity of the photodetector 22 increases from the level A to the level D. did. The response time for this change was less than 2 microseconds.
[0143]
When the shutter 4 was closed at time t3 and the control light irradiation to the thin film optical element was stopped, the signal intensity of the photodetector 22 returned from level D to level A. The response time for this change was less than 3 microseconds.
[0144]
When the shutter 4 was opened at time t4 and then closed at time t5, the signal intensity of the photodetector 22 increased from level A to level D and then returned to level A.
[0145]
When the light source 2 was turned off at time t6, the output of the photodetector 22 decreased and returned to level C.
[0146]
In summary, when the thin film optical element 8 is irradiated with the control light with the time change of the light intensity represented by the waveform as shown in 111 of FIG. 5, the light detection is shown by monitoring the light intensity of the signal light. As shown by 222 or 223 in FIG. 5 or FIG. 6, the output waveform of the device 22 reversibly changed corresponding to the temporal change in the light intensity of the control light. That is, the transmission of signal light is controlled by increasing / decreasing or interrupting the light intensity of the control light, that is, controlling the light with light (light / light control), or modulating the light with light (light / light modulation) ) Was confirmed.
[0147]
The degree of change in the intensity of the signal light corresponding to the intermittent control light is a value ΔT [unit%] or A defined below using the output levels A, B and C of the photodetector 22. , T and [unit%] defined as follows using C, D
[Expression 7]
ΔT = 100 [(A−B) / (A−C)]
ΔT ′ = 100 [(D−A) / (A−C)]
Can be compared quantitatively. Here, A is the output level of the photodetector 22 when the light source 2 of the signal light is turned on with the control light blocked, and B and D are the outputs of the photodetector 22 when the signal light and the control light are simultaneously irradiated. The output level C is the output level of the photodetector 22 in a state where the light source 2 of the signal light is turned off.
[0148]
In the above example, the incident power of the control light is 20 mW, the position and the magnitude of the optical response of the signal light are examined by moving the position of the thin film optical element 8 as described above, and the direction in which the signal light intensity decreases. The maximum value of the response magnitude ΔT was 80%, and the maximum value of the response magnitude ΔT ′ in the direction in which the apparent signal light intensity increased was 40%.
[0149]
[Embodiment 2]
Next, an experiment was conducted in which the optical density of the light absorption layer film was fixed and the dye concentration and film thickness in the light absorption layer film were changed.
[0150]
First, when the dye concentration in the light absorption layer film used in Embodiment 1 is doubled, and the film thickness of the light absorption layer film is 10 μm, which is half of that in Embodiment 1, the magnitude of optical response ΔT and The magnitude of ΔT ′ was almost the same as in the first embodiment, and the optical response speed was almost the same.
[0151]
[Comparative Example 1]
When the dye concentration of the light absorption layer film in the thin film optical element of Embodiment 1 was halved, and the film thickness of the light absorption layer film was doubled to 40 μm, a thin film optical element was prepared, and an optical response experiment was performed. The maximum value of photoresponse magnitude ΔT was 68%, and the maximum value of ΔT ′ was 25%. Compared with the case of the first embodiment, the magnitude of the optical response is clearly reduced. This is because the thickness of the light absorption layer film increases as it exceeds twice the confocal distance of the control light, and the dye is present in a diluted form as compared with the case of the first embodiment. It is presumed that this is because the formation of the thermal lens due to the light absorption is inhibited more than in the first embodiment.
[0152]
[Comparative Example 2]
Without changing the dye concentration of the light absorption layer film in the thin film optical element of Embodiment 1, only the film thickness of the light absorption layer film was changed to 40 μm, and a thin film optical element was created, and an optical response experiment was performed. Although the maximum values of the optical response magnitudes ΔT and ΔT ′ are not inferior to those of the first embodiment, the absolute value of the signal light transmittance is remarkably reduced, and the signal / noise ratio during high-speed response is reduced. It got worse.
[0153]
[Embodiment 3]
(I) Polymethacrylic acid 2 on a slide glass (25 mm × 76 mm × thickness 1.150 mm) used as a heat transfer layer film by using the method for producing a composite optical thin film described in Japanese Patent No. 2599569 -Heat insulation layer film using hydroxypropyl alone, (ii) DODCI as dye, poly (2-hydroxypropyl methacrylate) as matrix resin, dye concentration in dye / polymer film 1.25 × 10-1Light absorption layer film adjusted to be mol / l, (iii) Heat insulation layer film (film thickness 10 μm) using poly (2-hydroxypropyl methacrylate) alone is laminated and deposited, and further as a heat transfer layer film A cover glass (18 mm × 18 mm × thickness 0.150 mm) is stacked and heated and pressurized (vacuum hot pressing) under vacuum to obtain a “heat transfer layer film” as one embodiment of the thin film optical device of the present invention. A thin film optical element of the type “/ heat insulating layer film / light absorbing layer film / heat insulating layer film / heat transfer layer film” was prepared. The thickness of the two heat transfer layer films (glass plates) is as described above, and the thickness of the two heat insulating layer films is 10 μm after vacuum hot pressing, and the light absorption The film forming conditions were adjusted so that the thickness of the layer film was 10 μm after the vacuum hot pressing process.
[0154]
The absorption spectrum of the thin film optical device of Embodiment 3 prepared as described above was equivalent to that of the thin film optical device of Embodiment 1 (see FIG. 2).
[0155]
Using this thin film optical element, as in the case of the first embodiment, when the direction and magnitude of the optical response of the signal light are examined at an incident power of 20 mW of the control light, the response of the direction in which the signal light intensity decreases is obtained. The maximum value of the magnitude ΔT was 88%, and the maximum value of the response magnitude ΔT ′ in the direction in which the apparent signal light intensity increased was 46%. That is, the optical response was larger than in the first and second embodiments. This is presumed to be because the thermal lens is formed smoothly by the heat insulating layer film provided so as to sandwich the light absorption layer film.
[0156]
On the other hand, in the case of the second embodiment, the dye concentration in the light absorption layer film and the thickness of the light absorption layer film are the same as those of the third embodiment, but the light response is small (same as the first embodiment). This is presumed that since the heat insulating layer film does not exist, the energy of the control light absorbed in the light absorption layer film is rapidly taken away by the heat transfer layer film and the formation of the thermal lens is hindered.
[0157]
[Comparative Example 3]
Without changing the pigment concentration of the light absorption layer film in the thin film optical element of Embodiment 1, only the film thickness of the light absorption layer film was changed to 0.2 μm, which is 0.01 times, and a light response was made. As a result of the experiment, no optical response was detected. This is because the amount of dye in the light-absorbing layer film is small and the amount of heat generated by absorbing control light is small. In addition, heat generated by absorption of control light is rapidly deprived of the heat-transfer layer film to form a thermal lens. Is presumed to be inhibited.
[0158]
[Embodiment 4]
In accordance with the method described in the literature [M.Oikawa, K.Iga: Appl. Opt., 21 (6), 1052-1056 (1982)], a refractive index distribution type convex lens is made of an inorganic glass system using the diffusion phenomenon of inorganic ions. Made of material. That is, a gold vapor deposition film was provided as a mask and reflection film on a glass substrate, and a circular window having a diameter of 400 μm was provided thereon by a photolithography technique. Next, in forming a refractive index profile by ion exchange by immersing in a molten salt, an electric field is applied for several hours to promote ion exchange, whereby a diameter of 0.9 mm, a focal length of 2 mm, and a numerical aperture NA = 0. .23 gradient index convex lens was formed.
[0159]
On the reflective film side of this glass substrate, a 2 mm thick light transmission layer / heat insulation layer film made of polymethyl methacrylate was provided by a casting method.
[0160]
On this light transmission layer / heat insulation layer film, using the method of manufacturing a composite optical thin film described in Japanese Patent No. 2599569, (i) DODCI as a dye and 2-hydroxypropyl methacrylate as a matrix resin Used, Dye concentration in dye / polymer film 1.25 × 10-1A light absorption layer film adjusted to be mol / l, and (ii) a heat insulation layer film (film thickness 10 μm) using poly (2-hydroxypropyl methacrylate) alone is laminated and deposited as a heat transfer layer film. A cover glass (18 mm × 18 mm × thickness 0.150 mm) is stacked and heated and pressurized (vacuum hot pressing) under vacuum to obtain “convex lens / light transmission” as one embodiment of the thin film optical device of the present invention. A thin film optical element of the type “layer film / heat insulation layer film / light absorption layer film / heat insulation layer film / heat transfer layer film” was prepared. The film forming conditions were adjusted such that the thickness of the heat insulating layer film made of 2-hydroxypropyl polymethacrylate and the thickness of the light absorption layer film were both 10 μm after the vacuum hot press treatment.
[0161]
The thin film optical element of the fourth embodiment produced as described above has the same light control as that of the first embodiment except that the condenser lens 7 is removed and the numerical aperture of the light receiving lens is changed to 0.1. Instead of the condensing lens 7 in the first embodiment, it passes through a gradient index convex lens formed in the glass substrate toward the hole provided in the reflection film of the thin film optical element of the fourth embodiment. Thus, the signal light and the control light were made to enter the surface of the thin film optical element perpendicularly. Here, as the signal light, semiconductor laser emission light having an oscillation wavelength of 694 nm and a continuous oscillation output of 3 mW is beam-shaped and used as a parallel Gaussian beam having a diameter of about 0.9 mm, while the control light is helium having an oscillation wavelength of 633 nm. -Neon laser beam was shaped into a parallel Gaussian beam with a diameter of about 0.9 mm. When calculated using the above-described equations (2) and (4), a / ω is 1 and k is about 0.92 for both the signal light and the control light, and the beam waist radius ω of the signal light0Is about 1.4 μm, the confocal distance Zc is about 8.7 μm, the beam waist radius ω of the control light0Is about 1.3 μm, and the confocal distance Zc is calculated to be about 8.0 μm. That is, as described above, the thickness of the light absorption layer film is 10 μm and does not exceed twice the confocal distance of the control light (about 16 μm).
[0162]
The optical axis alignment of the signal light and the control light could be performed very simply as follows. First, only the signal light was incident, and the optical axis of the signal light (specifically, the light source mounting position) was adjusted so that the size of the signal light passing through the hole provided in the reflective film was maximized. Next, only the control light was incident, and the optical axis of the control light (specifically, the light source mounting position) was adjusted so that the size of the control light passing through the hole provided in the reflective film was maximized. At this time, the wavelength selective transmission filter 20 was temporarily removed, and the light intensity of the control light was measured by the photodetector 22.
[0163]
Hereinafter, the optical response of the thin film optical element of the present embodiment was measured in the same manner as in the first embodiment, and the optical response with the same speed and size as in the first embodiment was observed.
[0164]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the thin film optical element, the light control method, and the light control device of the present invention, for example, the signal light in the near infrared region using the low-power laser light in the visible region as the control light. Can be realized with a response speed sufficient for practical use without using any electronic circuit or the like by an extremely simple optical device. Further, the optical axes of the control light and the signal light can be easily adjusted, and an extremely compact light control device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an apparatus configuration used in carrying out the present invention.
FIG. 2 is a transmittance spectrum of a thin film optical element.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in the vicinity of the focal point of a Gaussian beam converged by a condenser lens or the like.
FIG. 4 is a diagram schematically showing the relationship between signal light and control light in a thin film optical device.
FIG. 5 is a diagram exemplifying changes in light intensity with time of control light and signal light when a minimum converged beam diameter position is set near a condenser lens of a thin film optical element.
FIG. 6 is a diagram exemplifying changes in light intensity with time of control light and signal light when the minimum converged beam diameter position is set near the light receiving lens of the thin film optical element.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a slit and a light beam used for light intensity distribution measurement.
FIG. 8 is a diagram showing a light intensity distribution of a beam cross section of signal light.
FIG. 9 is a diagram showing a light intensity distribution of a beam cross section of signal light.
FIG. 10 is a diagram showing a light intensity distribution of a beam cross section of signal light.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a thin film optical element of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source of control light, 2 Light source of signal light, 3 ND filter, 4 Shutter, 5 Semi-transparent mirror, 6 Light mixer, 7 Condensing lens, 8 Film type optical element, 9 Light receiving lens, 11 Photo detector, 19 Aperture, 20 wavelength selective transmission filter (for blocking control light), 22 photodetector (for detecting light intensity of signal light), 80 light absorbing layer film, 81 heat insulating layer film, 82 heat transfer layer film, 83 holes, 84 light Reflection film, area where 85 thermal lens can be formed, 86 light transmission layer film, 87 convex lens, 100 oscilloscope, 111 signal from light detector 11 (light intensity time variation curve of control light), 222 and 223 light detector 22 Signal (light intensity time variation curve of signal light), A output level of the light detector 22 when the light source of signal light is turned on with the control light blocked, and B focus Fc is the concentration of the film-type optical element 8 Hikari The output level of the photodetector 22 when the control light is irradiated with the light source of the signal light turned on, the output level of the photodetector 22 with the C signal light turned off, D The output level of the photodetector 22 when the focal point Fc is set on the light receiving lens side of the film-type optical element 8 and when the control light is irradiated with the light source of the signal light turned on, d78  The distance between the condenser lens 7 and the optical element 8, d89 Distance between optical element 8 and light receiving lens 9, Fc focal point, S1 control light, S2 signal light, time when t1 signal light source is turned on, time when shutter which shut off t2 control light is opened, t3 control light as shutter The time when the shutter was shut off again at t4, the time when the shutter that shut off the t4 control light was opened, the time when the t5 control light was shut off again by the shutter, the time when the light source of the t6 signal light was turned off, and the light beam converged by the θ condenser lens The angle between the outer periphery and the optical axis, ω0Beam waist (beam radius at the focal point) of the Gaussian beam converged by the condenser lens, Zc confocal distance.

Claims (13)

少なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子中の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う薄膜光素子において、前記光吸収層膜の厚さが、収束された前記制御光の共焦点距離の２倍を越えないことを特徴とする薄膜光素子。The light absorbing layer film in the thin film optical element including at least the light absorbing layer film is irradiated with the control light and the signal light having different wavelengths converged, and the wavelength of the control light is a wavelength absorbed by the light absorbing layer film It is selected from a band, and at least the control light is focused in the light absorption layer film, and the light absorption layer film is caused by a temperature rise occurring in a region where the control light is absorbed and its peripheral region. By using a thermal lens based on a reversibly generated refractive index distribution, the thickness of the light absorbing layer film is converged in a thin film optical device that performs intensity modulation and / or light beam density modulation of the signal light. A thin film optical device characterized by not exceeding twice the confocal distance of the control light. 請求項１に記載の薄膜光素子において、
前記光吸収層膜の片側または両側に、前記制御光および前記信号光の波長帯域において光透過性の保温層膜が設けられたことを特徴とする薄膜光素子。The thin film optical device according to claim 1,
A thin-film optical element, wherein a light-transmitting heat insulating layer film is provided on one side or both sides of the light absorption layer film in a wavelength band of the control light and the signal light. 請求項１または請求項２に記載の薄膜光素子において、
前記保温層膜が存在しない場合には、前記光吸収層膜の片側または両側に前記伝熱層膜が設けられ、
一方、前記保温層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記保温層膜を介して、伝熱層膜が設けられたことを特徴とする薄膜光素子。The thin film optical element according to claim 1 or 2,
When the heat insulation layer film is not present, the heat transfer layer film is provided on one side or both sides of the light absorption layer film,
On the other hand, a thin film optical device, wherein, when the heat insulating layer film exists, a heat transfer layer film is provided on one side or both sides of the light absorbing layer film via the heat insulating layer film. 請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜光素子において、
前記光吸収層膜および／または前記保温層膜および／または前記伝熱層膜が自己形態保持性の材質からなることを特徴とする薄膜光素子。The thin film optical element according to any one of claims 1 to 3,
A thin-film optical element, wherein the light absorption layer film and / or the heat retaining layer film and / or the heat transfer layer film are made of a self-form-retaining material. 請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜光素子において、
収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜が前記光吸収層膜の制御光入射側に、また前記保温層膜および／または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設けられたことを特徴とする薄膜光素子。The thin film optical element according to any one of claims 1 to 4,
A light reflecting film provided with a hole having a size through which the control light and the signal light that are converged and irradiated can pass is provided on the control light incident side of the light absorption layer film, and the heat insulating layer film and / or the heat transfer layer. A thin-film optical element provided with a heat insulating layer film and / or a heat transfer layer film when a film is present. 請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜光素子において、
前記光吸収層膜が、前記制御光の波長帯域の光を吸収する色素ないし色素分子凝集体を含有していることを特徴とする薄膜光素子。The thin film optical element according to any one of claims 1 to 5,
The thin-film optical element, wherein the light absorption layer film contains a dye or a dye molecule aggregate that absorbs light in the wavelength band of the control light. 請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子において、
前記光吸収膜、保温層膜、光反射膜のいずれかを介して、光透過膜層が設けられ、
更に前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられていることを特徴とする薄膜光素子。The thin film optical element according to any one of claims 1 to 6,
A light transmissive film layer is provided through any of the light absorbing film, the heat retaining film, and the light reflecting film,
Furthermore, a convex lens as a converging means for the control light is provided by being laminated on the incident side of the control light through a light transmission layer film. 請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする光制御方法。7. The light absorbing layer film of the thin film optical element according to claim 1 is irradiated with control light and signal light having different wavelengths converged, and the wavelength of the control light is adjusted by the light absorbing layer film. It is selected from the wavelength band to be absorbed, at least the control light is focused in the light absorption layer film, and the temperature rise that occurs in the area where the light absorption layer film absorbs the control light and its peripheral area A light control method characterized in that intensity modulation and / or light beam density modulation of the signal light is performed by using a thermal lens based on a reversibly generated refractive index distribution. 請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特徴とする光制御方法。The convex lens provided in the thin film optical element according to claim 7 is irradiated with each of the control light and the signal light as parallel beams, and at least the control light is focused in the light absorption layer film, By using a thermal lens based on a refractive index distribution reversibly caused by a temperature rise occurring in the region where the light absorption layer film absorbs the control light and its surrounding region, intensity modulation of the signal light and A light control method characterized by performing light flux density modulation. 請求項８または請求項９に記載の光制御方法において、
前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲で取り出すことによって、
強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すことを特徴とする光制御方法。The light control method according to claim 8 or 9,
By extracting the signal light beam bundle that diverges after passing through the thin film optical element, in an angle range smaller than the divergence angle of the signal light beam bundle,
A light control method characterized by separating and extracting signal light beam bundles in a region that has been strongly subjected to intensity modulation and / or light beam density modulation. 請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段を有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なるように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする光制御装置。7. The light absorbing layer film of the thin film optical element according to claim 1 is irradiated with control light and signal light having different wavelengths, respectively, and the wavelength of the control light is a wavelength that is absorbed by the light absorbing layer film. By using a thermal lens based on a refractive index distribution that reversibly occurs due to a temperature rise that occurs in the region where the light absorption layer film absorbs the control light and its peripheral region, In a light control device that performs intensity modulation and / or light flux density modulation of the signal light,
Converging means for converging the control light and the signal light, respectively, the control light and the control light and the signal light so that regions having the highest photon density near the respective focal points of the control light and the signal light overlap each other. Each optical path of signal light is arranged,
Further, the light absorption layer film of the thin film optical element is disposed at a position where regions having the highest photon density near the focal points of the converged control light and signal light overlap each other. Light control device. 請求項７に記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることにより、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う光制御装置において、
前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段として前記凸レンズを有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置され、
また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置されていることを特徴とする光制御装置。The control light and the signal light are respectively irradiated as parallel beams onto the convex lens provided in the thin film optical element according to claim 7, and the light absorbing layer film absorbs the control light and a peripheral region thereof In a light control device that performs intensity modulation and / or light beam density modulation of the signal light by using a thermal lens based on a refractive index distribution that occurs reversibly due to a temperature rise that occurs,
The control lens has the convex lens as a converging unit for converging the control light and the signal light, respectively, and the control is performed so that regions with the highest photon density near the respective focal points of the converged control light and the signal light overlap each other. The optical paths of the light and the signal light are respectively arranged,
Further, the light absorption layer film of the thin film optical element is disposed at a position where regions having the highest photon density near the focal points of the converged control light and signal light overlap each other. Light control device. 請求項１１または請求項１２に記載の光制御装置において、
強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別して取り出すための手段として、前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲で取り出す手段を設けたことを特徴とする光制御装置。The light control device according to claim 11 or 12,
As a means for separating and extracting the signal light beam bundle in a region that has been strongly subjected to intensity modulation and / or light beam density modulation, the signal light beam bundle that diverges after passing through the thin film optical element is used as the signal light beam. A light control device comprising means for taking out in an angle range smaller than the divergence angle of the bundle.
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