JP4290587B2

JP4290587B2 - レーザ発振素子

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Publication number: JP4290587B2
Application number: JP2004055027A
Authority: JP
Inventors: 秀男竹添; 順次渡辺; 高章永田; 武裕豊岡; 涼西村
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2005244106A

Description

本発明は、コレステリック液晶を用いたレーザ発振素子に関する。

コレステリック液晶は特定の波長の光を選択的に反射する性質を有しており、特に、コレステリック液晶のらせんの巻きと同じ回転方向の円偏光を選択的に反射し、反対巻きの円偏光を透過させる。また，コレステリック液晶の螺旋軸方位は，配向基板に対し垂直に，すなわち配向基板の法線方向に平行となる。

このようなコレステリック液晶については、従来より、選択反射波長帯域のエッジ部分においてレーザ発振が起こることが報告されている（例えば非特許文献１参照）。

最近では、レーザ発振の低しきい値化のためには選択反射波長帯域の内側の波長でレーザ発振を起こさせるべきとの提案がなされたことから、このようなレーザ発振を起こさせるレーザ発振素子に関して種々の研究が行われるようになっている。このようなレーザ発振素子として、例えば色素を含む２つのコレステリック液晶フィルムを、方位角をずらした状態で平行に重ね合わせるようにしたものが知られている（例えば非特許文献２参照）。
コップ（Kopp）、外４名、「コレステリック液晶におけるフォトニックストップバンド端における低しきい値レージング（Low-threshold lasing at the edge of a photonic stop band in cholesteric liquid crystals）」、オプティクスレター（Optics Letter）、米国、１９９８年、第２３巻、ｐ．１７０７−１７０９尾崎、外３名、「コレステリック液晶のストップバンド内における欠陥モードとレーザ発振」、電気材料技術雑誌、２００２年、第１１巻、第２号、ｐ．１６５−１６７

ところで、フォトニック結晶については、その表面に斜めに光が入射するとき、波長の異なる光を大きく分離するいわゆるスーパー・プリズム効果という現象が知られている。言い換えると、このスーパープリズム効果というのは、入射する光の方向に対して出射光を大きくずらすことができるというものである。ここで、フォトニック結晶とは、異なる屈折率をもつ物質を周期的に配列した構造体である。そして、フォトニック結晶についてこのようなスーパープリズム効果を得ることができれば、光通信用の回路を従来の１００分の１の大きさで実現できるものと考えられている。

従って、上記のようなレーザ発振素子においても、スーパープリズム効果又はそれと同様な効果が得られれば、レーザ発振素子を使用した装置の小型化を図ることが可能である。

しかしながら、これまで知られているレーザ発振素子において、スーパープリズム効果又はそれと同様な効果が得られたという報告はなされていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ発振によって発生する光の出射方向を、コレステリック液晶の螺旋軸方位に対して大きくずらすことのできるレーザ発振素子を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、以下の発明により上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち本発明のレーザ発振素子は、コレステリック液晶を含む第１コレステリック液晶層と、前記第１コレステリック液晶層に対向配置され、コレステリック液晶を含む第２コレステリック液晶層と、前記第１コレステリック液晶層と前記第２コレステリック液晶層との間に設けられ、光励起により蛍光を発する色素を含む欠陥層とを備えており、前記コレステリック液晶における選択反射波長帯域と前記色素から発せられる蛍光の発光帯とが少なくとも一部の波長領域において重なり合っており、前記第１コレステリック液晶層の前記第２コレステリック液晶層側の面及び前記第２コレステリック液晶層の前記第１コレステリック液晶層側の面がそれぞれ平面状であり、前記第１コレステリック液晶層の前記第２コレステリック液晶層側の面と前記第２コレステリック液晶層の前記第１コレステリック液晶層側の面とが相互に非平行となっていることを特徴とする。

このレーザ発振素子においてレーザ発振を起こさせる場合、色素の励起光として、第１および第２コレステリック液晶層における選択反射波長帯域より短波長の光が用いられる。本発明のレーザ発振素子によれば、色素の励起光が例えば第１コレステリック液晶層側より入射される。すると、励起光は、第１コレステリック液晶層を透過して欠陥層に入射され、色素を励起して蛍光発光を起こさせ、レーザ発振を起こすことが可能となる。このとき、レーザ発振によって発生した光は、第２コレステリック液晶層の螺旋軸方位から大きくずれた方向に出射される。

なお、このようにレーザ発振によって発生した光がコレステリック液晶の螺旋軸方位から大きくずれた方向に出射されるのは、次の理由によるのではないかと考えられる。即ち、レーザ発振によって発生した光が第１及び第２コレステリック液晶層の間で多重反射され、第１又は第２コレステリック液晶層において反射されるたびに大きな入射角で入射されるようになる。このとき、入射した光の方向においては、コレステリック液晶のらせんピッチが見かけ上短くなる。その結果、入射した光がコレステリック液晶のらせん周期構造によって選択反射されなくなり、第１又は第２コレステリック液晶層を大きな出射角で出射されるのではないかと考えられる。

本発明のレーザ発振素子によれば、レーザ発振によって発生した光の出射方向を、コレステリック液晶の螺旋軸方位に対して大きくすらすことができる。つまり、出射光の向きを自由に制御することができる。このため、例えば出射光の光軸制御に必要とされるミラーを不要とすることが可能となり、本発明のレーザ発振素子を用いる装置の小型化を図ることができる。また、出射光の向きを自由に制御することができるため、限られたスペースにおいてもレーザ発振素子の配置の自由度を大きくすることが可能とる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（レーザ発振素子）
図１は、本発明のレーザ発振素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。図１に示すように、レーザ発振素子１は、コレステリック液晶層（第１コレステリック液晶層）２と、コレステリック液晶層（第２コレステリック液晶層）３とを備えており、これらは互いに対向して配置されている。コレステリック液晶層２，３の間には欠陥層４が設けられている。

ここで、コレステリック液晶層２とコレステリック液晶層３とは、互いに非平行となっている。言い換えると、コレステリック液晶層２，３は楔形に配置されている。あるいは、コレステリック液晶層２とコレステリック液晶層３は、それらの厚さ方向が互いに非平行となっている。また、コレステリック液晶２のらせん軸とコレステリック液晶３のらせん軸とが非平行であるということもできる。

なお、コレステリック液晶層２上には欠陥層４の反対側に、透明な配向基板７が設けられ、コレステリック液晶層３上には欠陥層４の反対側に、透明な配向基板８が設けられている。

欠陥層４は、色素５および色素５を溶解又は分散させる媒体６を含むものが用いられる。欠陥層４において色素５はランダムに配向されている。ここで、色素５とは、光励起により蛍光を発することが可能なものを言い、媒体６は、色素５を分散又は溶解させることができるものをいう。色素５及び媒体６の具体例については後述する。

コレステリック液晶層２は、コレステリック液晶を含んでおり、コレステリック液晶はらせん構造に起因して特定波長帯域の光を選択的に反射することが可能となっている。このコレステリック液晶としては、色素５から発せられる蛍光の発光帯と少なくとも一部の波長領域において重なり合う選択波長帯域を有するものが用いられる。ここで、コレステリック液晶としては、十分な光強度のレーザ発振を起こす観点からは、蛍光発光帯の発光ピークにおける波長を選択反射波長帯域内に含むものが好ましい。本実施形態では、コレステリック液晶のらせんの巻き方向は左となっている。すなわち、コレステリック液晶のらせんは左巻きである。なお、コレステリック液晶の具体例については後述する。

コレステリック液晶層３は、コレステリック液晶層２のコレステリック液晶と同一のコレステリック液晶を含んでいる。従って、本実施形態では、コレステリック液晶層３のコレステリック液晶のらせんの巻き方向も左となっており、コレステリック液晶層２とコレステリック液晶層３のコレステリック液晶のらせんの巻き方向は同一となっている。よって、コレステリック液晶層２およびコレステリック液晶層３に光が入射されると、入射光の一部がらせんによる周期構造に起因して選択的に反射されるようになっている。

（色素）
色素５は、光励起により蛍光を発することが可能であれば特に制限されないが、特に色素５が遷移モーメントの異方性を有するもので，欠陥層中の遷移モーメントの方向を一方向に揃えることができるものであれば，さらにレーザ発振効率を高めることができる。色素５は、有機系色素または無機系色素のいずれであっても構わない。有機系色素としては、例えばローダミン６G、スチリル（Styryl）、キサンテン（Xanthene）、オキサジン（Oxazine）,クマリン（Coumarine）,スチルベン（Stilben）誘導体、オキサゾール（Oxazole）誘導体、オキサジアゾール（Oxadiazole）誘導体、ｐ−オリゴフェニレン（Origophenylene）誘導体のほか、ジャーナル・オブ・ケミカル・ソサイアティ（Journal of Chemical Society）、２００２年、第１２４号、ｐ．９６７０に記載の化学構造式（Ｒ＝ＥｔＨ、Ｒ´＝ｔ−Ｂｕの場合）で表されるものなどが挙げられる。無機系色素としては、例えば硫化亜鉛、珪酸亜鉛、硫化亜鉛カドミウム、硫化カルシウム、硫化ストロンチウム、タングステン酸カルシウム、カナリーガラス、シアン化白金、アルカリ土類金属の硫化物、希土類化合物などが挙げられる。上記色素のうち、溶解性の観点から、有機系色素が特に好ましく、多種の溶媒に溶解しやすい，すなわち溶媒の選択肢が広いという理由から、ローダミン６Ｇが好ましい。

（媒体）
媒体６は、色素５を分散又は溶解できるものであれば特に制限されず、かかる媒体６としては、例えばグリセリン、ゼラチン，ポリビニルアルコール，ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、トリアセチルセルロース、ポリカーボネート，ポリスチレンレン，メタクリレート樹脂，エポキシ樹脂、フェノール樹脂，さらにはネマティック相を呈する主鎖型低分子液晶，側鎖型低分子液晶，主鎖型高分子液晶，側鎖型高分子液晶等が挙げられる。

（コレステリック液晶）
コレステリック液晶層２，３を構成するコレステリック液晶は、色素５から発せられる蛍光の発光帯と少なくとも一部の波長領域において重なり合う選択反射波長帯域を有するものであり、且つコレステリック配向を固定化できる液晶物質から少なくとも構成される。

上記液晶物質としては、高分子液晶物質と低分子液晶物質があり、高分子液晶物質としては、各種の主鎖型高分子液晶物質、側鎖型高分子液晶物質、またはこれらの混合物を用いることができる。

主鎖型高分子液晶物質としては、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリカーボネート系、ポリイミド系、ポリウレタン系、ポリベンズイミダゾール系、ポリベンズオキサゾール系、ポリベンズチアゾール系、ポリアゾメチン系、ポリエステルアミド系、ポリエステルカーボネート系、ポリエステルイミド系等の高分子液晶物質、またはこれらの混合物等が挙げられる。

また、側鎖型高分子液晶物質としては、ポリアクリレート系、ポリメタクリレート系、ポリビニル系、ポリシロキサン系、ポリエーテル系、ポリマロネート系、ポリエステル系等の直鎖状または環状構造の骨格鎖を有する物質に側鎖としてメソゲン基が結合した高分子液晶物質、またはこれらの混合物が挙げられる。

これらのなかでも合成や配向の容易さなどから、主鎖型高分子液晶物質が好ましく、その中でもポリエステル系が特に好ましい。

ポリマーの構成単位としては、例えば芳香族あるいは脂肪族ジオール単位、芳香族あるいは脂肪族ジカルボン酸単位、芳香族あるいは脂肪族ヒドロキシカルボン酸単位を好適な例として挙げられる。

また低分子液晶物質としては、飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、不飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、ビフェニルカルボン酸誘導体類、芳香族オキシカルボン酸誘導体類、シッフ塩基誘導体類、ビスアゾメチン化合物誘導体類、アゾ化合物誘導体類、アゾキシ化合物誘導体類、シクロヘキサンエステル化合物誘導体類、ステロール化合物誘導体類などの末端に反応性官能基を導入した液晶性を示す化合物や、前記化合物誘導体類のなかで液晶性を示す化合物に架橋性化合物を添加した組成物などが挙げられる。

コレステリック液晶層２、３を形成する方法としては、公知の方法を用いることができる。コレステリック液晶層２、３は、透明基板上に配向膜を形成し、配向膜にラビング処理を施した後、前記コレステリック液晶を必須成分とする液晶材料を塗布し、熱処理することによって得ることができる。

（配向基板）
配向基板７，８は、色素５の励起光及び蛍光に対して透明であり且つコレステリック液晶層２，３を支持することが可能なものであれば特に制限されず、配向基板７，８としては、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、トリアセチルセルロース、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のフィルム、又はこれらのフィルムの一軸延伸フィルム等が例示できる。これらのフィルムはその製造方法によっては改めて配向能を発現させるための処理を行わなくともコレステリック液晶層２、３に使用されるコレステリック液晶に対して十分な配向能を示すものもあるが、配向能が不十分、または配向能を示さない等の場合には、必要によりこれらのフィルムを適度な加熱下に延伸したり、フィルム面をレーヨン布等で一方向に擦るいわゆるラビング処理を行ったり、フィルム上にポリイミド、ポリビニルアルコール、シランカップリング剤等の公知の配向剤からなる配向膜を設けてラビング処理を行ったり、酸化珪素等の斜方蒸着処理を行ったり、あるいはこれらの処理を適宜組み合わせるなどして配向能を発現させたフィルムを用いても良い。また表面に規則的な微細溝を設けた各種ガラス板等も配向基板７，８として使用することができる。

配向基板７，８としては、好ましくは、透明基板９，１０上に、ラビング処理したポリイミドフィルム１１，１２を形成したものが用いられる。

（レーザ発振素子の製造方法）
上記レーザ発振素子１は、以下のようにして製造することができる。

まず透明な配向基板７，８を用意する。配向基板７，８としては、例えばラビング処理した配向膜が形成されたガラス基板が用いられる。

次に、コレステリック液晶層２，３を構成するコレステリック液晶を溶媒と混合して所定濃度の液晶溶液を調製し、この液晶溶液を配向基板７，８の配向膜上に塗布する。これにより、コレステリック液晶が配向する。このとき、必要なら熱処理などによりコレステリック液晶の配向を形成する。熱処理は液晶相発現温度範囲に加熱することにより、該液晶物質が本来有する自己配向能により液晶を配向させるものである。熱処理の条件としては、用いる液晶物質の液晶相挙動温度（転移温度）により最適条件や限界値が異なるため一概には言えないが、通常１０〜３００℃、好ましくは３０〜２５０℃の範囲である。あまり低温では、液晶の配向が十分に進行しないおそれがあり、また高温では、液晶物質が分解したり配向基板に悪影響を与えるおそれがある。また、熱処理時間については、通常３秒〜６０分、好ましくは１０秒〜３０分の範囲である。３秒よりも短い熱処理時間では、液晶の配向が十分に完成しないおそれがあり、また６０分を超える熱処理時間では、生産性が極端に悪くなるため、どちらの場合も好ましくない。

上記液晶溶液を構成する溶媒は、用いるコレステリック液晶の種類により異なるが、通常トルエン、キシレン、ブチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン等の炭化水素系、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル系、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、乳酸エチル、γ−ブチロラクトン等のエステル系、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド系、ジクロロメタン、四塩化炭素、テトラクロロエタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素系、ブチルアルコール、トリエチレングリコール、ジアセトンアルコール、ヘキシレングリコール等のアルコール系等が挙げられる。これらの溶媒は必要により適宜混合して使用してもよい。また、溶液の濃度は用いられるコレステリック液晶の分子量や溶解性、さらに最終的に目的とするコレステリック液晶層２，３の厚み等により異なるため一概には決定できないが、通常は１〜６０重量％、好ましくは３〜４０重量％である。

また上記液晶溶液には、塗布を容易にするために界面活性剤を加えても良く、この界面活性剤としては、例えばイミダゾリン、第四級アンモニウム塩、アルキルアミンオキサイド、ポリアミン誘導体等の陽イオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物、第一級あるいは第二級アルコールエトキシレート、アルキルフェノールエトキシレート、ポリエチレングリコール及びそのエステル、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸アミン類、アルキル置換芳香族スルホン酸塩、アルキルリン酸塩、脂肪族あるいは芳香族スルホン酸ホルマリン縮合物等の陰イオン系界面活性剤、ラウリルアミドプロピルベタイン、ラウリルアミノ酢酸ベタイン等の両性系界面活性剤、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル類、ポリオキシエチレンアルキルアミン等の非イオン系界面活性剤、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、パーフルオロアルキルカルボン酸塩、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキルトリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル基・親水性基含有オリゴマー、パーフルオロアルキル・親油基含有オリゴマーパーフルオロアルキル基含有ウレタン等のフッ素系界面活性剤などが挙げられる。

界面活性剤の添加量は、界面活性剤の種類や溶剤、あるいは塗布する配向基板７，８の配向膜にもよるが、通常、コレステリック液晶の重量に対する比率にして１０ｐｐｍ〜１０％、好ましくは５０ｐｐｍ〜５％、さらに好ましくは０．０１％〜１％の範囲である。

また上記液晶溶液には、コレステリック液晶層２，３の耐熱性等を向上させるために、コレステリック液晶相の発現を妨げない程度のビスアジド化合物やグリシジルメタクリレート等の架橋剤等を添加し、後の工程で架橋することもできる。またアクリロイル基、ビニル基あるいはエポキシ基等の官能基を導入したビフェニル誘導体、フェニルベンゾエート誘導体、スチルベン誘導体などを基本骨格とした重合性官能基を予め液晶物質に導入しておきコレステリック相を発現させ架橋させてもよい。

塗布方法については、塗膜の均一性が確保される方法であれば、特に限定されることはなく公知の方法を採用することができる。例えば、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、カーテンコート法、スピンコート法などを挙げることができる。塗布の後に、ヒーターや温風吹きつけなどの方法による溶媒除去（乾燥）工程を入れても良い。塗布された膜の乾燥状態における膜厚は、通常０．３〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍ、さらに好ましくは０．７〜３μｍである。この範囲外では、得られるコレステリック液晶層２，３の光学性能が不足したり、コレステリック液晶の配向が不十分になるなどして好ましくない。

コレステリック液晶の配向を形成させた後は、配向の固定化を行う。この場合、コレステリック液晶の配向が熱処理などにより完成したのち、そのままの状態で配向基板７，８上のコレステリック液晶を、使用した液晶に適した手段を用いて固定化する。このような手段としては、例えば急冷によるガラス固定化、熱、紫外線、電子線などのエネルギー照射による架橋化などが挙げられる。

次に、コレステリック液晶層２，３が互いに内側を向くように、配向基板７，８同士を厚さの異なる２つのスペーサ（図示せず）を介して接続する。このとき、コレステリック液晶層２の内側表面におけるコレステリック液晶のダイレクタと、コレステリック液晶層３の内側表面におけるコレステリック液晶のダイレクタとが平行になるように配向基板７，８同士を接続する。

そして、媒体６と色素５とを含む溶液を調製し、この溶液を毛細管現象を利用して上記配向基板７，８間のスペースに封入した後、この溶液を加熱して溶媒を除去する。これによりコレステリック液晶層２，３間に欠陥層４が得られる。以上のようにしてレーザ発振素子１が得られる。

なお、欠陥層４が高分子フィルムからなる場合には、コレステリック液晶層２、欠陥層４およびコレステリック液晶層を、接着剤などを用いて相互に積層すればよい。

（レーザ発振素子の作用）
次に、上記レーザ発振素子１の作用について説明する。

レーザ発振素子１においてレーザ発振を起こさせるためには、色素５の励起光として、コレステリック液晶層２，３における選択反射波長帯域より短波長の光が用いられる。

レーザ発振素子１においてレーザ発振を起こさせる場合、まず上記励起光を例えばガラス基板２に入射する。すると、励起光は、コレステリック液晶層２を透過して欠陥層４に入射され、色素５を励起して蛍光発光を起こさせ、レーザ発振を起こすことが可能となる。このとき、レーザ発振によって発生した光は、コレステリック層２におけるコレステリック液晶の螺旋軸方位（図１の矢印Ａ方向）から大きくずれた方向（図１の矢印Ｂ方向）に出射される。言い換えると、レーザ発振によって発生した光は、コレステリック液晶層２からくさび角θより十分に大きい角度φで出射される。つまり、出射光の向きを自由に制御することができる。このため、例えば出射光の光軸制御に必要とされるミラーを不要とすることが可能となり、レーザ発振素子１を用いる装置の小型化を図ることができる。また、出射光の向きを自由に制御することができるため、限られたスペースにおいてもレーザ発振素子１の配置の自由度を大きくすることが可能となり、空間の利用効率を高めることも可能となる。

なお、このようにレーザ発振によって発生した光がコレステリック液晶の螺旋軸方位から大きくずれた方向に出射されるのは、次の理由によるのではないかと考えられる。即ち、欠陥層４においてレーザ発振によって発生した光が、図２に示すように、コレステリック液晶層２，３の間で多重反射され、コレステリック液晶層２又は３において反射されるたびに次第に大きな入射角で入射されるようになる。そして、大きな入射角αでコレステリック液晶層２又は３に光が入射した場合、入射した光の方向においては、コレステリック液晶のらせんピッチが見かけ上短くなる。その結果、入射した光の波長が選択反射波長領域から外れ、入射した光がコレステリック液晶層２又は３によって選択反射されなくなり、コレステリック液晶層２又は３を大きな出射角で出射されるのではないかと考えられる。

なお、上記実施形態では、コレステリック液晶層２，３のコレステリック液晶のらせんの巻き方向が左とされているが、コレステリック液晶層２，３のコレステリック液晶のらせんの巻き方向が同一であれば、右であってもよい。

また上記実施形態では、欠陥層４において色素５がランダムに配向されているが、色素５は、一定方向に配向されていてもよい。

次に、実施例を用いて、本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず芳香族ポリエステルからなる高分子アキラルネマチック液晶と、芳香族ポリエステルからなる高分子キラルネマチック液晶との液晶混合物（新日本石油（株）製ＬＣフィルム）を用い、これをクロロホルム中に溶解して高分子コレステリック液晶溶液を得た。ここで、液晶混合物中の高分子キラルネマチック液晶の混合比は２５ｗｔ％とし、高分子コレステリック液晶溶液中の混合物の濃度は１５ｗｔ％とした。

この高分子コレステリック液晶溶液を、一方向にラビング処理したポリイミド配向膜（ＪＳＲ（株）製１２５４）を持つガラス基板上にスピンコートした後、コレステリック液晶溶液に対し１８０℃に加熱して２分間硬化処理した。こうして、ガラス基板上に、良好に配向した厚さ約１．８μｍの高分子コレステリック液晶（ＰＣＬＣ）フィルムを得た。このとき、ＰＣＬＣフィルムのらせん軸はガラス基板表面に垂直であった。

一方、上記と同様にして、ガラス基板上に、良好に配向した厚さ約１．８μｍの高分子コレステリック液晶（ＰＣＬＣ）フィルムを得た。

次に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる厚さ２５μｍと２００μｍの２つのスペーサを用意した。そして、上記２つのＰＣＬＣフィルムを、ＰＣＬＣフィルムが内側に配置されるように、上記２つのスペーサを介して接続し、２つのＰＣＬＣフィルムを楔形に構成した。２つのＰＣＬＣフィルムのなす角は１．２°であった。

一方、グリセリンからなる媒体中に、ローダミン６Ｇからなる色素を溶解させた溶液を調製した。このとき、溶液中のローダミン６Ｇの含有率が０．１ｗｔ％となるように溶液を調製した。

その後、上記溶液を、毛細管現象を利用してＰＣＬＣフィルム間のスペースに導入し、７０℃でクロロフォルムを蒸発させ、欠陥層を形成した。こうしてレーザ発振素子を得た。

（実施例２）
２つのコレステリックフィルム間のなす角を２．２°となるようにした以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を得た。

（実施例３）
２つのコレステリックフィルム間のなす角を２．５°となるようにした以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を得た。

（比較例１）
２つのコレステリックフィルム間のなす角を０°となるようにした以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を得た。

（実施例４）
コレステリック液晶の選択反射帯域の短波長端が蛍光波長のピークと合致するよう液晶混合物中の高分子キラルネマチック液晶の混合比２５ｗｔ％を２７ｗｔ％に変更した以外は実施例１と同様にしてレーザ発振素子を得た。

（レーザ光の出射角測定）
実施例１〜３及び比較例１で得られたレーザ発振素子に対し、出射光の出射角φを測定した。結果を図４に示す。なお、図４において、横軸が入射角θを、縦軸が出射角φを表す。また、図４においては、横軸は「くさび角」と表記し、縦軸は「発光角」と表記してある。

ここで、励起光としては、オプティカルパラメトリック発振器（Optical Parametric Oscillator: ＯＰＯ）から出射される４３５ｎｍパルスレーザビームを使用し、ＯＰＯの励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから出射される第三高調波を使用した。また出射角（以下、場合により「発光角」という）φは、レーザー発振素子の出射光側に立てたスクリーン上に投影されたレーザ光のスポット中心位置を計測し，発光角φを計算によりもとめた。

また実施例４のレーザ発振素子について、上記と同様にして出射光の出射角φを測定した。その結果、発光角φは５０°であった。この結果より、２つのコレステリックフィルムを非平行とした場合には、出射角（発光角）φは入射角θより十分に大きくなることが確認された。

なお、実施例４のレーザ発振素子で用いたコレステリックフィルムについては、選択反射波長領域の入射角依存性を調べるために透過率測定を行った。結果を図３に示す。図３に示すように、入射角が大きくなるにつれて選択反射波長領域が短波長側にシフトしていることが分かる。

このことから、発光角φがくさび角θより十分に大きくなるのは、既に述べたように、欠陥層４においてレーザ発振によって発生した光がコレステリックフィルム間で多重反射されることにより、入射した光の方向において、入射した光の波長が、コレステリック液晶のらせんピッチよりも短くなり、その結果、入射した光がコレステリック液晶のらせん周期構造によって選択反射されなくなるためではないかと考えられる。

（レーザ発振の確認）
図４に示すように、２つのコレステリックフィルムを非平行とした場合には、出射角φは、入射角θの約９．７倍と十分に大きくすることができた。

また実施例１で得られたレーザ発振素子について、これに用いたコレステリックフィルムの反射スペクトル及びレーザ発光の測定を行った。結果を図５に示す。その結果、実施例１のレーザ発振素子について、コレステリックフィルムの選択反射波長領域のエッジ付近でレーザ発振が確認された。また図示しないが、実施例２，３、４についても同様にレーザ発振が確認された。なお、反射スペクトルは、マイクロスコープスペクトロメータ（ＯＲＣ製ＴＦＭ−１２０ＡＦＴ−ＰＣ）により測定した。

また励起光は、レーザ発振素子のガラス基板表面に対して斜めに入射した。レーザ発振素子からの発光は、マルチチャンネルスペクトロメータ（オーシャンオプティックス社製ＵＳＢ２０００）で検出した。

以上の結果より、本発明のレーザ発振素子によれば、レーザ発振によって発生した光が、コレステリック液晶の螺旋軸方位から大きくずれた方向に出射されることが確認された。

本発明に係るレーザ発振素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。欠陥層で発生した光がコレステリック液晶層間を多重反射する様子を示す概略図である。実施例４のレーザ発振素子に用いるコレステリックフィルムの反射スペクトルの入射角依存性を示すグラフである。実施例１〜３及び比較例１のレーザ発振素子に係るくさび角と出射角との関係を示すグラフである。実施例１のレーザ発振素子に用いるコレステリックフィルムの反射スペクトル及び実施例１に係るレーザ発振素子の発光スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１…レーザ発振素子、２…コレステリック液晶層（第１コレステリック液晶層）、３…コレステリック液晶層（第２コレステリック液晶層）、４…欠陥層、５…色素、θ…入射角、φ…出射角。

Claims

コレステリック液晶を含む第１コレステリック液晶層と、
前記第１コレステリック液晶層に対向配置され、コレステリック液晶を含む第２コレステリック液晶層と、
前記第１コレステリック液晶層と前記第２コレステリック液晶層との間に設けられ、光励起により蛍光を発する色素を含む欠陥層とを備えており、
前記コレステリック液晶における選択反射波長帯域と前記色素から発せられる蛍光の発光帯とが少なくとも一部の波長領域において重なり合っており、
前記第１コレステリック液晶層の前記第２コレステリック液晶層側の面及び前記第２コレステリック液晶層の前記第１コレステリック液晶層側の面がそれぞれ平面状であり、
前記第１コレステリック液晶層の前記第２コレステリック液晶層側の面と前記第２コレステリック液晶層の前記第１コレステリック液晶層側の面とが相互に非平行となっている、
ことを特徴とするレーザ発振素子。