JP4894214B2 - High efficiency laser oscillator - Google Patents

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本発明は外部共振器を必要としないレーザー発生装置に関する。詳しくは、本発明は、キラル液晶を用いることにより、容易にレーザー発振を可能とした微小レーザー発生装置に関する。さらに詳しくは、蛍光材料を添加したキラル液晶を円偏光で光励起することによる、励起光エネルギーの極めて低いレーザー発振装置に関する。   The present invention relates to a laser generator that does not require an external resonator. Specifically, the present invention relates to a microlaser generator that can easily perform laser oscillation by using a chiral liquid crystal. More specifically, the present invention relates to a laser oscillation device with extremely low excitation light energy by optically exciting a chiral liquid crystal to which a fluorescent material is added with circularly polarized light.

次世代フォトニックデバイスとして電流注入型有機半導体レーザーが注目されており、これを達成するためには位相や伝搬方向をフィードバックさせる光共振器構造が必要不可欠である。電流注入型有機レーザーデバイスの構築に先立ち、π電子共役系高分子や色素を添加した高分子などの発光材料を用いた光励起型レーザー発振に関する研究例が報告されている(非特許文献1、2)。   Current injection type organic semiconductor lasers are attracting attention as next-generation photonic devices. To achieve this, an optical resonator structure that feeds back the phase and propagation direction is indispensable. Prior to the construction of a current injection type organic laser device, research examples on photoexcited laser oscillation using a light emitting material such as a π-electron conjugated polymer or a polymer added with a dye have been reported (Non-Patent Documents 1 and 2). ).

すなわち、DFB(Distributed Feedback)(非特許文献3)、DBR(Distributed Bragg Reflector)(非特許文献4、5)、マイクロディスク(非特許文献6)やマイクロリング(非特許文献7)といったさまざまな分布帰還型共振器構造がこれまでに提案され、光励起によるレーザー発振が確認されている。   That is, various distributions such as DFB (Distributed Feedback) (Non-Patent Document 3), DBR (Distributed Bragg Reflector) (Non-Patent Documents 4 and 5), Microdisk (Non-Patent Document 6) and Micro Ring (Non-Patent Document 7). A feedback resonator structure has been proposed so far, and laser oscillation by optical excitation has been confirmed.

しかしながら、これらの光共振器構造体を作製するためにはフォトリソグラフィー法などの煩雑な工程が必要とされ、簡便に得ることはできない。   However, in order to produce these optical resonator structures, complicated steps such as a photolithography method are required and cannot be easily obtained.

これに対し、キラル液晶(コレステリック液晶)をラビング処理した基板の間に挟むと、自己組織的に分子らせん軸が基板に対して垂直に配向したプラーナー配向を形成し、液晶分子のらせん軸に沿って屈折率が周期的に変化しているため光の干渉が生じ、ブラックの反射条件を満たすある特定の光を反射し、一種の共振器を形成する。最近では、色素を添加したキラル液晶をパルス光で励起すると、液晶の反射バンド端でレーザー発振することが見出されている(非特許文献8、非特許文献9)。   On the other hand, when a chiral liquid crystal (cholesteric liquid crystal) is sandwiched between rubbed substrates, it forms a planar alignment in which the molecular helical axis is aligned perpendicularly to the substrate in a self-organized manner, along the helical axis of the liquid crystal molecules. Since the refractive index periodically changes, light interference occurs, and certain light satisfying the black reflection condition is reflected to form a kind of resonator. Recently, it has been found that when a chiral liquid crystal added with a dye is excited with pulsed light, laser oscillation occurs at the reflection band edge of the liquid crystal (Non-Patent Documents 8 and 9).

A. Dodabalapur, E. A. Chandross, M. Berggren, and R. E. Slusher, Science, 277, 1787 (1997).A. Dodabalapur, E .; A. Chandross, M.M. Berggren, and R.A. E. Sluster, Science, 277, 1787 (1997). M. D. McGehee and A. J. Heeger, Adv. Mater., 12, 1655 (2000).M.M. D. McGehee and A.M. J. et al. Heeger, Adv. Mater. , 12, 1655 (2000). H. Kogelnik and C. V. Shank, Appl. Phys. Lett., 18, 152 (1971).H. Kogelnik and C.I. V. Shank, Appl. Phys. Lett. , 18, 152 (1971). I. P. Kaminov, H. P. Weber, and E. A. Chandross, Appl. Phys. Lett., 18, 497 (1971).I. P. Kaminov, H.M. P. Weber, and E.M. A. Chandross, Appl. Phys. Lett. , 18, 497 (1971). N. Tessler, G. J. Denton, and R. H. Friend, Nature, 382, 695 (1996.N. Tessler, G.M. J. et al. Denton, and R.D. H. Friend, Nature, 382, 695 (1996. M. Kuwata−Gonokami, R. H. Jordan, A. Dodabalapur, H. E. Katz, M. Schilling, R. E. Slusher, and S. Ozawa, Opt. Lett., 20, 2093 (1995).M.M. Kuwata-Gonokami, R.A. H. Jordan, A.M. Dodabalapur, H.M. E. Katz, M.M. Schilling, R.M. E. Slasher, and S.M. Ozawa, Opt. Lett. , 20, 2093 (1995). S. V. Frolov, Z. V. Vardeny, and K. Yoshino, Appl. Phys. Lett., 72, 1802 (1998).S. V. Frolov, Z. V. Vardeny, and K.C. Yoshino, Appl. Phys. Lett. , 72, 1802 (1998). V. I. Kopp, B. Fan, H. K. M. Vithana, A. Z. Genack, Opt. Lett., 23, 1707 (1998).V. I. Kopp, B.H. Fan, H.C. K. M.M. Vithana, A.R. Z. Genack, Opt. Lett. , 23, 1707 (1998). 古海 誓一ほか3名、オプトニューズ vol.138、No.6(光の話題;キラル液晶分子によるレーザー発振の電場制御)、(2003)Shuichi Furukai and three others, Optnews vol. 138, no. 6 (The topic of light; electric field control of laser oscillation by chiral liquid crystal molecules), (2003)

しかし、これまでのキラル液晶を用いたレーザー発振に関する研究は、そのレーザー発振挙動と励起光の偏光特性との関係は十分に解明されていたとはいえず、その関係は必ずしも明らかではなかった。非特許文献8及び本発明者等研究グループの研究報告による非特許文献9も含め、これまでに提案された研究は、キラル液晶分子に対する励起光とレーザー発振挙動は、直線偏光による励起光に基づいて行われていた。   However, previous studies on laser oscillation using chiral liquid crystals have not fully elucidated the relationship between the laser oscillation behavior and the polarization characteristics of the excitation light, and the relationship has not always been clear. The research proposed so far, including Non-Patent Document 8 and Non-Patent Document 9 reported by the research group of the present inventors, is based on the fact that excitation light and laser oscillation behavior for chiral liquid crystal molecules are based on excitation light by linearly polarized light. It was done.

そこで、本発明者らにおいては、レーザー発振挙動と励起光の偏光特性との関係を基本的にさらに明らかにすべく鋭意研究した。その結果、発光性材料を添加したキラル液晶(コレステリック液晶)を円偏光で光励起すると、ある一定のしきい値以上で1nm以下の半値幅を持った発光、つまりは単一波長を有するレーザー発光に変化すること、その光励起エネルギーのしきい値は、励起光の円偏光性に強く依存すること、キラル液晶の分子掌性と逆方向の円偏光で励起すると極めて低い値であること、といった一連の重要な知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、発明の構成は、以下の通りである。   In view of this, the present inventors have intensively studied to further clarify the relationship between the laser oscillation behavior and the polarization characteristics of the excitation light. As a result, when a chiral liquid crystal (cholesteric liquid crystal) added with a light-emitting material is photoexcited with circularly polarized light, it emits light having a half-value width of 1 nm or less above a certain threshold, that is, laser light having a single wavelength. The threshold of the photoexcitation energy depends strongly on the circular polarization of the excitation light, and it is extremely low when excited by circular polarization in the opposite direction to the chirality of the chiral liquid crystal. Obtained important findings. The present invention has been made based on these findings, and the configuration of the invention is as follows.

(1) 励起光源と、前記励起光源からの光を円偏光に可能な偏光子と、前記円偏光が入射され、レーザー発振可能な光デバイスと、を有するレーザー発振装置であって、前記光デバイスが、光学活性部位を有していない液晶材料と、光学活性部位を有している化合物との混合物であるキラル液晶に発光性材料を添加してなり、前記発光性材料が発光性有機色素、高分子系発光材料、あるいは無機系発光半導体微粒子のいずれかであり、前記キラル液晶の反射スペクトルが前記発光性材料の発光スペクトルに重なっており、前記円偏光が、前記キラル液晶の分子掌性と逆方向であり、基板法線方向である0度以上、基板法線方向に対して45度以下の入射角で入射された円偏光により光励起されることによって、前記光デバイスが高効率にレーザー発振可能であることを特徴とする、レーザー発振装置
(2) 前記キラル液晶が、(化4)で表される光学活性部位を有していないネマチック液晶材料(ただし、式中n、mは、1ないし5)であり、また、前記キラル剤が(化5)で表される鏡像異性体化合物の(i)か(ii)の何れかの化合物であることを特徴としている、(1)に記載するレーザー発振装置




(3) 前記発光性有機色素が(化6)で表される化合物を含むことを特徴としている、(1)に記載するレーザー発振装置

(1) A laser oscillation apparatus comprising: an excitation light source; a polarizer capable of circularly polarizing light from the excitation light source; and an optical device capable of oscillating a laser upon incidence of the circularly polarized light. Is formed by adding a luminescent material to a chiral liquid crystal that is a mixture of a liquid crystal material having no optically active site and a compound having an optically active site, and the luminescent material is a luminescent organic dye, Either a polymer light emitting material or an inorganic light emitting semiconductor fine particle, the reflection spectrum of the chiral liquid crystal overlaps the emission spectrum of the light emitting material, and the circularly polarized light is a reverse, rate greater than zero degrees which is the substrate normal direction, by Rukoto is photoexcited by circularly polarized light is incident at an incident angle of 45 degrees or less with respect to the substrate normal direction, the optical device is efficiently Wherein the chromatography is can oscillate, the laser oscillation apparatus.
(2) The chiral liquid crystal is a nematic liquid crystal material having no optically active site represented by (Chemical Formula 4) (where n and m are 1 to 5), and the chiral agent is The laser oscillation device according to (1), characterized in that it is a compound (i) or (ii) of the enantiomer compound represented by (Chemical Formula 5).




(3) The laser oscillation device according to (1) , wherein the luminescent organic dye contains a compound represented by (Chem. 6).

ここに、本発明において使用し得るキラル液晶は、分子の螺旋構造を有するコレステリック(キラルネマチック)液晶、強誘電性、反強誘電性(キラルスメクチック)液晶、ブルーフェーズ液晶、ツイストグレインバウンダリー液晶である。例えば、ラビング処理した基板の間にコレステリック液晶を挟み込むと、自己組織的に分子螺旋軸が基板に対して垂直に配向し、平行な層が螺旋のピッチ間隔で平行に配向してプラーナ配向(グランジェン組織)を形成する。液晶分子の螺旋軸に沿って屈折率が周期的に変動しているため、螺旋ピッチが波長程度の場合、光の干渉が起こり、ブラッグの反射条件を満たすある特定の光を選択反射する。つまり、一種の共振器として働く螺旋構造をキラル液晶が形成し、単一波長のレーザー光を発振する。このようなキラル液晶はそれ自体公知であり、例示するとコレステロール誘導体、光学活性部位を有する化合物、およびそれら複数の混合物が挙げられる技術文献に記載されている(非特許文献10、非特許文献11、非特許文献12)。キラル液晶と発光材料の選択条件としては、キラル液晶の選択反射バンドが、発光材料の発光バンドと重なり合っていることが必要される。キラル液晶の反射バンドと発光材料の発光バンドとが重なって光励起することで発光の共振状態が誘起され、単一波長のレ
ーザーを発振し得る作用効果を奏し得るものである。
Here, chiral liquid crystals that can be used in the present invention are cholesteric (chiral nematic) liquid crystals having a helical structure of molecules, ferroelectric, antiferroelectric (chiral smectic) liquid crystals, blue phase liquid crystals, and twist grain boundary liquid crystals. is there. For example, when a cholesteric liquid crystal is sandwiched between rubbed substrates, the molecular helical axes are aligned perpendicularly to the substrate in a self-organized manner, and parallel layers are aligned in parallel at a helical pitch interval to obtain planar alignment (granularity). Gen organization). Since the refractive index periodically fluctuates along the helical axis of the liquid crystal molecules, when the helical pitch is about the wavelength, light interference occurs and specific light that satisfies the Bragg reflection condition is selectively reflected. In other words, a chiral liquid crystal forms a spiral structure that acts as a kind of resonator, and oscillates a single wavelength laser beam. Such chiral liquid crystals are known per se, and are described in technical literature including, for example, cholesterol derivatives, compounds having optically active sites, and mixtures thereof (Non-Patent Document 10, Non-Patent Document 11, Non-patent document 12). As a selection condition for the chiral liquid crystal and the light emitting material, it is necessary that the selective reflection band of the chiral liquid crystal overlaps the light emitting band of the light emitting material. When the reflection band of the chiral liquid crystal and the emission band of the light emitting material are overlapped and excited, a resonance state of light emission is induced, and an effect that can oscillate a single wavelength laser can be obtained.

C. J. Booth, “Handbook of Liquid Crystals, Vol. 2A”, D. Demus, J. Goodby, G. W. Gray, H.−W. Spiess, V. Vill, eds., Wiley−VCH, Wienheim, (1998), pp. 303 − 334.C. J. et al. Booth, “Handbook of Liquid Crystals, Vol. 2A”, D.C. Demus, J.M. Goodby, G. W. Gray, H.M. -W. Spiss, V. Vill, eds. , Wiley-VCH, Wienheim, (1998), pp. 303-334. 液晶便覧,液晶便覧編集委員会編,丸善株式会社,東京,(2000),pp.280−312.Liquid Crystal Handbook, Liquid Crystal Handbook Editorial Committee, Maruzen Co., Ltd., Tokyo, (2000), pp. 280-312. 液晶の基礎と応用,松本正一,角田市良共著,工業調査会,東京,(1996),pp.149−312.Fundamentals and Applications of Liquid Crystals, Shoichi Matsumoto, Ryoko Kakuda, Industrial Research Society, Tokyo, (1996), pp. 149-312.

また、本発明で使用するキラル剤は、コレステリック液晶を誘起する化合物であり、例えばアキラル(光学活性部位を有していない)ネマチック液晶にキラル剤を添加することで、コレステリック液晶を調整することができる。キラル剤は、特開2002−180051号公報、特開2002−179682号公報、特開2002−179670号公報などに開示されているものを用いてもよい。キラル剤としては、光反応性キラル剤も挙げられる。光反応性キラル剤は、キラル部位と光照射によって構造変化する光反応部位を有し、例えば、照射光量(照射時間)に応じてキラル液晶の螺旋構造の捩れ力(HTP:Helical Twisting Power)を大きく変化させる化合物である。光照射による螺旋構造誘起力を大きくするためには、光照射による構造変化の度合いの大きい材料が好ましい。また、光反応性キラル剤の分子中に、重合性の結合残基を1つ以上導入した構造とすると、キラル液晶相の耐熱性が向上する。   The chiral agent used in the present invention is a compound that induces a cholesteric liquid crystal. For example, a cholesteric liquid crystal can be adjusted by adding a chiral agent to an achiral (no optically active site) nematic liquid crystal. it can. As the chiral agent, those disclosed in JP-A No. 2002-180051, JP-A No. 2002-179682, JP-A No. 2002-179670 may be used. Examples of the chiral agent also include a photoreactive chiral agent. A photoreactive chiral agent has a chiral site and a photoreactive site that changes its structure by light irradiation. For example, the helical twisting power (HTP: Helical Twisting Power) of the chiral liquid crystal depends on the amount of irradiation light (irradiation time). It is a compound that changes greatly. In order to increase the helical structure inducing force by light irradiation, a material having a large degree of structural change by light irradiation is preferable. In addition, when the structure of the photoreactive chiral agent has one or more polymerizable bonding residues, the heat resistance of the chiral liquid crystal phase is improved.

本発明において使用しうる発光材料としては、発光性有機色素、高分子系発光材料、あるいは無機系発光性半導体材料等が挙げられ、何れも使用することができ、特に制限はない。特に、好ましい材料としては、紫外・可視・近赤外の波長帯域に発光バンドを示し、キラル液晶の反射バンドと重なり合っていることが好ましいことは上記したとおりである。   Examples of the light emitting material that can be used in the present invention include a light emitting organic dye, a polymer light emitting material, an inorganic light emitting semiconductor material, and the like, and any of them can be used without any particular limitation. In particular, as described above, it is preferable that a preferable material has an emission band in the ultraviolet, visible, and near-infrared wavelength band and overlaps with a reflection band of chiral liquid crystal.

その中、発光性有機色素としては、色素レーザーに用いられる公知の蛍光色素を用いることができる。このような色素としては、例えば、DCM(4−ジシアノメチレン−2−メチル−6−(p−ジメチルアミノスチリル)−4H−ピラン)、パイロメタン、クマリン、ローダミン、オキサジン、ピリジン、フロオレセイン、キトン赤、およびこれら誘導体などが挙げられる。尚、これらの色素は広く市販されている材料を用いることができる。   Among them, as the luminescent organic dye, known fluorescent dyes used for dye lasers can be used. Examples of such a dye include DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6- (p-dimethylaminostyryl) -4H-pyran), pyromethane, coumarin, rhodamine, oxazine, pyridine, fluorescein, kitten red, And derivatives thereof. For these dyes, commercially available materials can be used.

さらに発光材料としては、高分子系のものを使用することもできる。高分子系発光材料としては、蛍光色素を添加した高分子やπ電子共役系高分子などが挙げられ、各種文献等において多数知られておりその何れも使用することが出来る。例えば、蛍光色素添加高分子として前記蛍光色素を添加したポリスチレン、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリシリコン、セルロース、DNAおよびこれら誘導体であり、π電子共役系高分子としてポリピロール、ポリチオフェン、ポリ−p−フェニレン、ポリ−p−フェニレンビニレン、ポリジアルキルフルオレン、およびこれら誘導体である。   Furthermore, as the light emitting material, a polymer material can be used. Examples of the polymer light emitting material include a polymer to which a fluorescent dye is added and a π electron conjugated polymer, and many of them are known in various literatures, and any of them can be used. For example, polystyrene, polymethacrylate, polyacrylate, polyimide, polyamide, polysilicon, cellulose, DNA and derivatives thereof to which the fluorescent dye is added as a fluorescent dye-added polymer, and polypyrrole, polythiophene, -P-phenylene, poly-p-phenylene vinylene, polydialkylfluorene, and derivatives thereof.

また、無機系発光材料についても、各種文献等において周知であり、本発明で使用することが出来る。無機系発光材料は、一般的に耐久性があり、長時間の使用によっても変質せず本発明において使用する発光材料としては特に好ましい。例えば、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、硫化鉛、セレン化鉛、窒化ガ
リウム、シリコン、金、銀などが挙げられ、数ナノメートルから数十マイクロメートル程度の球状やロッド状の物質である。
Also, inorganic luminescent materials are well known in various literatures and can be used in the present invention. Inorganic light-emitting materials are generally durable and are particularly preferable as the light-emitting materials used in the present invention without being altered by long-term use. Examples include zinc oxide, zinc selenide, zinc sulfide, cadmium selenide, cadmium sulfide, lead sulfide, lead selenide, gallium nitride, silicon, gold, silver, etc. Or rod-like substance.

これらの発光性材料は、適宜の量を配合して使用されるが、有機色素の場合は、通常液晶材料中に0.3〜1.0重量%程度混合され得る。   These light-emitting materials are used in an appropriate amount, but in the case of organic dyes, they can usually be mixed in the liquid crystal material by about 0.3 to 1.0% by weight.

本発明のレーザー発振光デバイスは、上記のキラル液晶材料、キラル剤、発光性有機色素のほかに、必要に応じて、重合性モノマー、重合開始剤やバインダ樹脂、溶媒、界面活性剤、重合禁止剤、増粘剤、色素、顔料、紫外線吸収剤、ゲル化剤などの他の成分を含ませることができる。本発明の液晶組成物は、特に、界面活性剤を併用することが好ましい。例えば、液状の塗布型液晶組成物を塗布して液晶を層状に形成する場合など、界面活性の作用によって液晶層表面の空気界面における配向状態を立体的に制御でき、純度の高い選択反射波長を得ることができる。   In addition to the above-mentioned chiral liquid crystal material, chiral agent, and luminescent organic dye, the laser oscillation device of the present invention includes a polymerizable monomer, a polymerization initiator, a binder resin, a solvent, a surfactant, and a polymerization prohibition as necessary. Other components such as an agent, a thickener, a dye, a pigment, an ultraviolet absorber, and a gelling agent can be included. In the liquid crystal composition of the present invention, it is particularly preferable to use a surfactant in combination. For example, when applying a liquid coating type liquid crystal composition to form a liquid crystal in a layered state, the alignment state at the air interface on the surface of the liquid crystal layer can be controlled sterically by the action of the surface activity, and a highly selective reflection wavelength can be obtained. Obtainable.

これまで、キラル液晶を用いたレーザー発振は、直線偏光で励起した報告例がほとんどで、本発明のような円偏光励起で実験を行った研究は少ない。本発明によれば、励起光の円偏光状態を制御することより、従来のレーザー発振に要する光励起エネルギーの閾値に比し極めて低いことが明らかにされたものであり、その意義は極めて大きい。   Until now, most laser oscillations using chiral liquid crystals have been reported to be excited by linearly polarized light, and few studies have been conducted using circularly polarized light excitation as in the present invention. According to the present invention, it has been clarified that controlling the circular polarization state of the excitation light is extremely lower than the threshold value of the optical excitation energy required for conventional laser oscillation, and its significance is extremely large.

すなわち、本発明によれば、有機キラル液晶に対して、連続光励起により、レーザー発振を誘起することを可能とするもので、励起光の円偏光状態を適切に選択することにより、発光性キラル液晶から効率的にレーザー発振を誘起することを可能とする。   That is, according to the present invention, it is possible to induce laser oscillation by continuous light excitation with respect to an organic chiral liquid crystal. By appropriately selecting the circular polarization state of the excitation light, the luminescent chiral liquid crystal This makes it possible to induce laser oscillation efficiently.

さらに、本発明によれば、本発明レーザー発振デバイスは、熱などの外的環境の影響を受けにくいので、劣悪な環境下でもレーザー発振作動が可能となる。なによりも特別な外部共振器を必要としないため、微小化が容易であり、他の光学素子と集積化や複合化を可能とする。当然ながら、レーザー発振のために外部共振器ミラーの微調整等保守点検から解放されことに加え、制作プロセスも単純で、省電力、省スペース設計を可能とする等、数々の作用効果が期待され、利点を有してなるものである。   Furthermore, according to the present invention, the laser oscillation device of the present invention is not easily affected by an external environment such as heat, so that the laser oscillation operation can be performed even in a poor environment. Since no special external resonator is required, miniaturization is easy and integration with other optical elements and combination are possible. Of course, in addition to being freed from maintenance and inspection such as fine adjustment of external resonator mirrors for laser oscillation, the production process is simple, and a number of functions and effects are expected, such as enabling power saving and space saving design. , Which has advantages.

以下、本発明を実施例、図面に基づいて詳細に説明する。ただし、これらの実施例は、本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明を限定する趣旨ではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, these examples are for specifically explaining the present invention and are not intended to limit the present invention.

図1は、本発明の実施例で用いた、レーザー発振光デバイスを設計するに用いたキラル液晶を始めとする各材料の化学構造式を示し、そのうち(a)は、キラル液晶(大日本インキ社製商品名DON−103)の構造式を示し、文中(化1)、(化4)で表されている。(b)は、キラル剤(大日本インキ社製商品名R−811、またはS−811)の構造式を示し、文中(化2)、(化5)で表されている。また、(c)は、有機蛍光材料(ナイルレッド:東京化成工業株式会社))の化学構造式を示し、文中(化3)、(化6)で表されている。   FIG. 1 shows the chemical structural formula of each material including chiral liquid crystal used in designing a laser oscillation optical device used in the examples of the present invention, of which (a) is chiral liquid crystal (Dainippon Ink) The structural formula of the company name DON-103) is shown in the text (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 4). (B) shows a structural formula of a chiral agent (trade name R-811 or S-811 manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd.) and is represented by (Chemical Formula 2) and (Chemical Formula 5) in the text. Moreover, (c) shows the chemical structural formula of an organic fluorescent material (Nile Red: Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), and is represented by (Chemical Formula 3) and (Chemical Formula 6) in the text.

図2は、本発明の実施例において使用した、各種光学機器からなる光学測定実験装置を示しており、本発明の実施例で作製したレーザー発振光デバイス(以下、光デバイスという)は、図2中、9で示されている。また、図3は、本発明の実施例で設計した光デバイス9の円偏光透過スペクトル(a)と円二色性スペクトル(b)とを示している。さらに、図4は、上記光デバイス9の反射スペクトル(a)と円偏光レーザー発光スペクトル(b)を示している。図4(b)中の挿入図は、602から608nmまでの波長範囲を拡大したレーザー発光スペクトルを示している。さらにまた、図5は、(a)励起光の楕円角(FEx)が−45°(●:左円偏光に相当)、0°(▲:直線偏光に相当)、+45°(黒四角■(以下、黒四角という):右円偏光に相当)とした時のNd:YAGレーザー光のエネルギーに対する光デバイスの発光の各強度変化と、(b)レーザー発振に必要とする光励起エネルギーの励起光の楕円角(FEx)の依存性、それぞれ示している。 FIG. 2 shows an optical measurement experimental apparatus composed of various optical instruments used in the examples of the present invention. The laser oscillation optical device (hereinafter referred to as an optical device) manufactured in the examples of the present invention is shown in FIG. Among these, 9 is shown. FIG. 3 shows a circularly polarized light transmission spectrum (a) and a circular dichroism spectrum (b) of the optical device 9 designed in the embodiment of the present invention. Further, FIG. 4 shows a reflection spectrum (a) and a circularly polarized laser emission spectrum (b) of the optical device 9. The inset in FIG. 4B shows a laser emission spectrum in which the wavelength range from 602 to 608 nm is expanded. Furthermore, FIG. 5 shows (a) the elliptical angle (F Ex ) of the excitation light is −45 ° (●: equivalent to left circularly polarized light), 0 ° (▲: equivalent to linearly polarized light), + 45 ° (black square ■ (Hereinafter referred to as black square): equivalent to right circularly polarized light), each intensity change of light emission of the optical device with respect to the energy of the Nd: YAG laser light, and (b) excitation light of photoexcitation energy required for laser oscillation The dependence of the elliptical angle (F Ex ) is shown respectively.

〔液晶セル=光デバイスの作製〕
液晶材料として、本実施例では図1(a)で示した構造式を有する化合物(大日本インキ社製DON−103:商品名)を用いた。また、キラル剤として、図1(b)で示した構造式を有する化合物(大日本インキ社製のR−811:商品名)を用いた。本実施例では、DON−103に23重量パーセントのR−811を添加することで、可視域に選択反射を示し、かつ右分子らせんを有するキラル液晶相を調整した。DON−103に対するR−811のらせんねじれ力(Helical twisting power;β)は11.0(μm wt%)-1であった。蛍光材料としては公知の蛍光材料を使用することができるが、本実施例では図1(c)に示す構造式を有するナイルレッド(Nile
Red)を用い、先に調整したキラル液晶に対して0.4重量パーセントの割合で混合し、蛍光色素含有キラル液晶とした。ただし、上記液晶、キラル剤、蛍光材料は一例であり、本発明はこれらの材料に限定されることはない。
液晶セルは、2枚のガラス基板を用いて作製した。ガラス基板上に1重量パーセントのポリビニルアルコール(PVA)水溶液をスピン塗布し、一軸方向にラビング処理を促した。2枚のラビング処理を施したガラス基板を7.5μmのポリイミドスペーサーで挟み込み、空セルを作製し、先に調整したキラル液晶混合物を封入した。このようにして得られた蛍光色素添加キラル液晶セルを光デバイスとした。
[Liquid Crystal Cell = Production of Optical Device]
As the liquid crystal material, a compound having the structural formula shown in FIG. 1A (DON-103 manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd., trade name) was used in this example. Further, as the chiral agent, a compound having a structural formula shown in FIG. 1B (R-811 manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd.) was used. In this example, 23 wt.% R-811 was added to DON-103 to prepare a chiral liquid crystal phase exhibiting selective reflection in the visible region and having a right molecular helix. The helical twisting power (β) of R-811 against DON-103 was 11.0 (μm wt%) −1 . A known fluorescent material can be used as the fluorescent material. In this embodiment, Nile red (Nile red) having the structural formula shown in FIG.
Red) was mixed at a ratio of 0.4 weight percent with respect to the previously prepared chiral liquid crystal to obtain a fluorescent dye-containing chiral liquid crystal. However, the liquid crystal, chiral agent, and fluorescent material are examples, and the present invention is not limited to these materials.
The liquid crystal cell was produced using two glass substrates. A 1 weight percent aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) was spin-coated on a glass substrate to promote a rubbing treatment in a uniaxial direction. Two glass substrates subjected to rubbing treatment were sandwiched between 7.5 μm polyimide spacers to prepare empty cells, and the previously prepared chiral liquid crystal mixture was enclosed. The fluorescent dye-added chiral liquid crystal cell thus obtained was used as an optical device.

〔光デバイスから得られる発光の測定手法〕
上記のようにして作製された光デバイスから得られる発光の測定を、図2に示す光学測定装置1によって精査した。すなわち、図2に示すように、光励起用レーザーとして、上記Nd:YAGレーザー2の第二高調波を使用し、この光励起用レーザーから、出力2000nJ以下にて、パルス幅3nsec、パルス周波数5Hz、波長532nmのレーザー光を出射した。次いで、ダイクロイックミラー3、光強度調整用素子(ソールラボ社製、NDフィルター4、λ/2波長板5、グランレーザー直線偏光子6)にて、光励起用レーザーから出射したレーザー光の強度を調整し、λ/4波長板7と凸レンズ8を介して、上記作製した光デバイス9の中に導入した。λ/4波長板の進相軸(もくしは遅相軸)と直線偏光子の偏光軸のなす角度を調整することで、励起光の円偏光状態を制御した。光励起用レーザーからのレーザー光は凸レンズ8(f=80mm)で光デバイス9に約200μmで集光し、光デバイスの基板法線に対して45度にて入射させた。そして、光デバイス9の法線方向の発光を二枚の凸レンズを介して分光器10(Ocean Optics社製、USB2000またはHR4000)に集光し、発光スペクトルを測定した。この測定実験に際して設定した光学測定装置を配列した構造に基づいて図2に示す。この光学測定装置によって測定した結果は、図3(a)、(b)、図4(a)、(b)にそれぞれ示す。その結果、実施例で設定した光デバイス9は、図3(a)に示す円偏光透過スペクトル、図3(b)に示す円二色性スペクトルを示すことが明らかにされた。また、光デバイス9は、図4(a)に示す反射スペクトル、図4(b)に示す円偏光レーザー発光スペクトルを示すことが明らかにされた。図4(b)中の挿入図は、602から608nmまでの波長範囲を拡大したレーザー発光スペクトルである。これによれば、実施例で設定した光デバイスは605nmに単一波長特性有するレーザー光を発振していることが明らかとなった。
[Measurement method of luminescence obtained from optical devices]
The measurement of luminescence obtained from the optical device produced as described above was examined by the optical measurement apparatus 1 shown in FIG. That is, as shown in FIG. 2, the second harmonic of the Nd: YAG laser 2 is used as the light excitation laser. From this light excitation laser, the output is 2000 nJ or less, the pulse width is 3 nsec, the pulse frequency is 5 Hz, and the wavelength. A laser beam of 532 nm was emitted. Next, the intensity of the laser light emitted from the laser for photoexcitation is adjusted by the dichroic mirror 3 and the light intensity adjusting element (manufactured by Sorlab, ND filter 4, λ / 2 wavelength plate 5, Grand laser linear polarizer 6). The optical device 9 was introduced through the λ / 4 wavelength plate 7 and the convex lens 8. The circular polarization state of the excitation light was controlled by adjusting the angle between the fast axis (or slow axis) of the λ / 4 wavelength plate and the polarization axis of the linear polarizer. The laser beam from the laser for photoexcitation was condensed at about 200 μm on the optical device 9 by the convex lens 8 (f = 80 mm) and made incident at 45 degrees with respect to the substrate normal of the optical device. And the light emission of the normal direction of the optical device 9 was condensed on the spectroscope 10 (Ocean Optics company make, USB2000 or HR4000) through the two convex lenses, and the emission spectrum was measured. FIG. 2 shows the structure based on the arrangement of the optical measuring devices set in this measurement experiment. The results measured by this optical measuring device are shown in FIGS. 3A, 3B, 4A, and 4B, respectively. As a result, it has been clarified that the optical device 9 set in the example shows a circularly polarized light transmission spectrum shown in FIG. 3A and a circular dichroism spectrum shown in FIG. Moreover, it was clarified that the optical device 9 shows the reflection spectrum shown in FIG. 4A and the circularly polarized laser emission spectrum shown in FIG. The inset in FIG. 4B is a laser emission spectrum in which the wavelength range from 602 to 608 nm is expanded. According to this, it became clear that the optical device set in the example oscillates laser light having a single wavelength characteristic at 605 nm.

〔光デバイスのレーザー発振に要する光励起エネルギーの円偏光依存性〕
次いで、この光デバイス9の円偏光依存性を精査した。すなわち、励起光の楕円角(Φ
EX)が−45°、0°、+45°の時のNd:YAGレーザー光のエネルギーに対する光デバイスの発光の強度変化を詳細に検討した。その結果は図5(a)に示す通りの結果が得られた。いずれの場合も光励起エネルギーを増加させると、発光強度は数千倍に増加するとともに、そのスペクトル線幅は70nmから0.8nmに急減したが、ここで注目すべき点として、レーザー発振に要する光励起エネルギー(しきい値)は励起光の円偏光状態に強く依存していることが分かった。そのしきい値は、楕円角(ΦEX)が−45°(●:左円偏光に相当)の時に35nJ/pulse、0°(▲:直線偏光に相当)の時に125nJ/pulse、+45°(黒四角:右円偏光に相当)の時に700nJ/pulseであった。図5(b)は、レーザー発振に必要とする光励起エネルギーの励起光の楕円角(ΦEX)の依存性である。FExを+45°から−45°に変化すると、レーザー発振に要する光励起エネルギーを制御できることがわかった。楕円角(ΦEX)が−45°の時、つまり左円偏光で光励起した際のしきい値(35nJ/pulse)は、ピークパワーに変換すると50kW/cm2に相当し、これまでのキラル液晶を使ったレーザー発振に関する報告と比較すると、約一桁低い値であった。以上、示した結果は、右螺旋のキラル液晶を用いた場合であり、図1に示すR−811の鏡像異性体であるS−811の添加によって調整された左螺旋キラル液晶を用いれば右円偏光励起で効率的なレーザー発振を示す。したがって、キラル液晶の分子螺旋方向と励起光の円偏光方向を考慮し、適切な円偏光で光励起をすれば、高効率で分布帰還(DFB)効果が発現し、キラル液晶から反射バンド端でレーザー発振することが可能であることが明らかにされた。
[Dependence of optical excitation energy required for laser oscillation of optical device on circular polarization]
Next, the circular polarization dependence of the optical device 9 was examined closely. That is, the elliptical angle of the excitation light (Φ
The change in light emission intensity of the optical device with respect to the energy of the Nd: YAG laser beam when EX ) is −45 °, 0 °, and + 45 ° was examined in detail. As a result, a result as shown in FIG. 5A was obtained. In either case, when the optical excitation energy is increased, the emission intensity increases several thousand times and the spectral line width sharply decreases from 70 nm to 0.8 nm. However, it should be noted here that optical excitation required for laser oscillation is important. It was found that the energy (threshold value) strongly depends on the circular polarization state of the excitation light. The threshold value is 35 nJ / pulse when the elliptical angle (Φ EX ) is −45 ° (●: equivalent to left circularly polarized light), 125 nJ / pulse when + 0 ° (▲: equivalent to linearly polarized light), + 45 ° (+ 45 °) Black square: equivalent to right-handed circularly polarized light) and 700 nJ / pulse. FIG. 5B shows the dependence of the excitation energy required for laser oscillation on the elliptical angle (Φ EX ) of the excitation light. It was found that the photoexcitation energy required for laser oscillation can be controlled by changing F Ex from + 45 ° to −45 °. When the elliptical angle (Φ EX ) is −45 °, that is, when the light is excited by left circularly polarized light, the threshold value (35 nJ / pulse) corresponds to 50 kW / cm 2 when converted to peak power. Compared to reports on laser oscillation using, it was about an order of magnitude lower. The results shown above are obtained when a right spiral chiral liquid crystal is used. If a left spiral chiral liquid crystal prepared by addition of S-811 which is an enantiomer of R-811 shown in FIG. Efficient laser oscillation with polarized light excitation. Therefore, considering the molecular helical direction of the chiral liquid crystal and the circular polarization direction of the excitation light, if the optical excitation is performed with an appropriate circular polarization, a distributed feedback (DFB) effect can be realized with high efficiency, and a laser is emitted from the chiral liquid crystal at the reflection band edge. It was revealed that it was possible to oscillate.

本発明は、キラル液晶に発光性材料を添加し、分子掌性と逆方向の円偏光で光励起することによって、高効率にレーザー発振する光デバイスであり、その光励起エネルギーのしきい値は励起光の円偏光性に依存し、液晶の分子螺旋と逆方向の円偏光励起のとき、励起エネルギーが最小を示すことが明らかにされた。本発明によって高効率なレーザー発振を実現することができ、光集積回路における新規な単一微小光源、光増幅器、低閾値レーザー発振装置、さらには高輝度ディスプレイなどへ応用することができ、今後、各種分野において大いに利用されることが期待される。   The present invention is an optical device that oscillates laser with high efficiency by adding a luminescent material to chiral liquid crystal and photoexciting with circularly polarized light in the direction opposite to the molecular hand, and the threshold of photoexcitation energy is the excitation light. Depending on the circular polarization of the liquid crystal, it was found that the excitation energy shows a minimum when circularly polarized light was excited in the direction opposite to the molecular helix of the liquid crystal. The present invention can realize high-efficiency laser oscillation, and can be applied to a novel single minute light source, an optical amplifier, a low-threshold laser oscillation device, and a high-luminance display in an optical integrated circuit. It is expected to be used greatly in various fields.

本発明の実施例で用いたキラル液晶材料(a)、キラル剤(b)及び有機発光材料の各構造式を示す図。The figure which shows each structural formula of the chiral liquid crystal material (a), the chiral agent (b), and organic luminescent material which were used in the Example of this invention. 実施例で用いた光学測定実験装置を示す図。The figure which shows the optical measurement experiment apparatus used in the Example. 光デバイス1の円偏光透過スペクトル(a)と円二色性スペクトル(b)。Circular polarization transmission spectrum (a) and circular dichroism spectrum (b) of the optical device 1. 光デバイス1の反射スペクトル(a)と円偏光レーザー発光スペクトル(b)を示す図。(b)中の挿入図は、602から608nmまでの波長範囲を拡大したレーザー発光スペクトルを示す図。The figure which shows the reflection spectrum (a) and circularly polarized laser emission spectrum (b) of the optical device 1. FIG. The inset in (b) shows a laser emission spectrum in which the wavelength range from 602 to 608 nm is expanded. (a)励起光の楕円角(FEx)が−45°(●:左円偏光に相当)、0°(▲:直線偏光に相当)、+45°(黒四角:右円偏光に相当)の時のNd:YAGレーザー光のエネルギーに対する光デバイスの発光の強度変化と、(b)レーザー発振に必要とする光励起エネルギーの励起光の楕円角(FEx)の依存性、それぞれ示した図。(A) The elliptical angle (F Ex ) of the excitation light is −45 ° (●: equivalent to left circularly polarized light), 0 ° (▲: equivalent to linearly polarized light), + 45 ° (black square: equivalent to right circularly polarized light) The figure which showed the intensity change of the light emission of the optical device with respect to the energy of Nd: YAG laser light at the time, and (b) dependence of the elliptical angle ( FEx ) of the excitation light of the optical excitation energy required for laser oscillation, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1 液晶セルのレーザー発振を評価する際用いた光学測定装置
2 励起光源
3 ダイクロニックミラー
4 NDフィルター
5 λ/2波長板
6 直線偏光子
7 λ/4波長板
8 凸レンズ
9 光デバイス
10ファイバー分光器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical measuring device used when evaluating laser oscillation of liquid crystal cell 2 Excitation light source 3 Dichroic mirror 4 ND filter 5 λ / 2 wavelength plate 6 Linear polarizer 7 λ / 4 wavelength plate 8 Convex lens 9 Optical device 10 Fiber spectrometer

Claims (3)

励起光源と、前記励起光源からの光を円偏光に可能な偏光子と、前記円偏光が入射され、レーザー発振可能な光デバイスと、を有するレーザー発振装置であって、
前記光デバイスが、光学活性部位を有していない液晶材料と、光学活性部位を有している化合物との混合物であるキラル液晶に発光性材料を添加してなり、
前記発光性材料が発光性有機色素、高分子系発光材料、あるいは無機系発光半導体微粒子のいずれかであり、
前記キラル液晶の反射スペクトルが前記発光性材料の発光スペクトルに重なっており、
前記円偏光が、前記キラル液晶の分子掌性と逆方向であり、
基板法線方向である0度以上、基板法線方向に対して45度以下の入射角で入射された円偏光により光励起されることによって、前記光デバイスが高効率にレーザー発振可能であることを特徴とする、レーザー発振装置
A laser oscillation device comprising: an excitation light source; a polarizer capable of circularly polarizing light from the excitation light source; and an optical device capable of laser oscillation upon incidence of the circularly polarized light,
The optical device comprises a luminescent material added to a chiral liquid crystal that is a mixture of a liquid crystal material having no optically active site and a compound having an optically active site ,
The light emitting material is any one of a light emitting organic dye, a polymer light emitting material, or inorganic light emitting semiconductor fine particles,
The reflection spectrum of the chiral liquid crystal overlaps the emission spectrum of the luminescent material;
The circularly polarized light is in a direction opposite to the chirality of the chiral liquid crystal ;
A substrate normal direction 0 degrees or more, by Rukoto is photoexcited by circularly polarized light is incident at an incident angle of 45 degrees or less with respect to the substrate normal direction, said optical device is capable of laser oscillation with high efficiency A feature of a laser oscillation device .
前記キラル液晶が、(化1)で表される光学活性部位を有していないネマチック液晶材料(ただし、式中n、mは、1ないし5))であり、また、前記キラル剤が(化2)で表される鏡像異性体化合物の(i)か(ii)の何れかの化合物であることを特徴としている、請求項1に記載するレーザー発振装置





The chiral liquid crystal is a nematic liquid crystal material having no optically active site represented by (Chemical Formula 1) (where n and m are 1 to 5)), and the chiral agent is (Chemical Formula). 2. The laser oscillation device according to claim 1, wherein the laser oscillation device is any one of (i) and (ii) of the enantiomer compound represented by 2).





前記発光性有機色素が(化3)で表される化合物を含むことを特徴としている、請求項に記載するレーザー発振装置


2. The laser oscillation device according to claim 1 , wherein the luminescent organic dye contains a compound represented by (Chemical Formula 3).


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