JP5458471B2 - Two-photon absorbing material, optical function imparting method, optical function detecting method, optical recording / reproducing method, optical recording material, and three-dimensional optical recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、二光子吸収材料、並びに該二光子吸収材料を用いた光機能付与方法、光機能検出方法、光記録再生方法、光記録材料、及び三次元光記録媒体に関する。 The present invention relates to a two-photon absorbing material, and an optical function imparting method, an optical function detecting method, an optical recording / reproducing method, an optical recording material, and a three-dimensional optical recording medium using the two-photon absorbing material.
従来より、二光子吸収材料として、多数の無機材料が見出されている。このような無機材料は、所望の二光子吸収特性や、素子製造のために必要な諸物性を最適化するための分子設計が困難であることから実用化が非常に困難であった。これに対し、有機化合物は分子設計により所望の二光子吸収の最適化が可能であるのみならず、その他の諸物性のコントロールも可能であるため、実用の可能性が高く、有望な二光子吸収材料として注目を集めている。
このような有機系二光子吸収材料としては、例えばローダミン、クマリン等の色素化合物;ジチエノチオフェン誘導体、オリゴフェニレンビニレン誘導体等の化合物が知られている。しかし、これらの有機化合物は、分子あたりの二光子吸収能を示す二光子吸収断面積が小さく、特にフェムト秒パルスレーザーを用いた場合の二光子吸収断面積が、200GM(×10−50cm4・s・molecule−1・photon−1)未満のものが殆どであり、工業的な実用化には至っていない。
Conventionally, many inorganic materials have been found as two-photon absorption materials. Such an inorganic material has been very difficult to put into practical use because it is difficult to design a molecule for optimizing the desired two-photon absorption characteristics and various physical properties necessary for manufacturing the device. In contrast, organic compounds can be optimized not only for the desired two-photon absorption by molecular design, but also for other physical properties, which is highly practical and promising two-photon absorption. Has attracted attention as a material.
As such organic two-photon absorption materials, for example, pigment compounds such as rhodamine and coumarin; compounds such as dithienothiophene derivatives and oligophenylenevinylene derivatives are known. However, these organic compounds have a small two-photon absorption cross section showing a two-photon absorption capacity per molecule, and in particular, a two-photon absorption cross-section when using a femtosecond pulse laser is 200 GM (× 10 −50 cm 4. Most of them are less than s · molecule −1 · photon −1 ), and have not yet been put into practical use.
また、二光子吸収現象を利用すると、極めて高い空間分解能を特徴とする種々の応用が可能となるが、現時点では、その光機能を誘起させるレーザー波長とそれを検出する波長が異なり、高コストなシステムでしか実用化できないという問題がある。
そこで、小型で安価なシステムにより、二光子吸収を利用した実用用途を実現するためには、二光子吸収により効率よく、光学機能(吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、蛍光特性)を誘発させ、同一波長の検出光で検出できる二光子吸収材料、及びその光機能の付与方法、及び検出方法の提供が望まれている。
In addition, the two-photon absorption phenomenon enables various applications characterized by extremely high spatial resolution. At present, however, the laser wavelength that induces the optical function differs from the wavelength at which it is detected. There is a problem that it can be put into practical use only by the system.
Therefore, in order to realize a practical application using two-photon absorption with a small and inexpensive system, optical functions (absorption spectrum, refractive index, change in polarization state, fluorescence characteristics) are efficiently induced by two-photon absorption. Therefore, it is desired to provide a two-photon absorption material that can be detected with detection light having the same wavelength, a method for imparting the optical function thereof, and a detection method.
また、二光子吸収材料、三次元メモリ媒体用材料、及び光制限材料に関する先行技術として、数多くの提案がなされている。
例えば、特許文献1では、ジアリルエテンを二光子吸収により光異性化して記録及び再生する方法が提案されている。この提案では、記録は、二光子吸収の最大吸収波長よりも長波長域に新たな吸収帯が生じる。また、再生は、記録による衰消係数の増加又は屈折率の増加を検知する。通常は同一波長で記録再生はできないが、開環体の二光子吸収特性と閉環体の線形吸収特性を制御することで可能となる。
しかし、この提案の方法では、高感度で同一波長での記録再生を可能とする開環体の二光子吸収特性(吸収断面積、吸収波長)と閉環体の吸収波長の制御が材料設計上非常に難しい。また、フォトクロミック化合物は可逆材料であるため、環境光や検出光に光消色して、保存安定性、繰り返し耐久性が劣るという問題がある。
In addition, many proposals have been made as prior art relating to a two-photon absorption material, a material for a three-dimensional memory medium, and a light limiting material.
For example, Patent Document 1 proposes a method for recording and reproducing diallyl ethene by photoisomerization by two-photon absorption. In this proposal, recording has a new absorption band in a wavelength region longer than the maximum absorption wavelength of two-photon absorption. In the reproduction, an increase in extinction coefficient or an increase in refractive index due to recording is detected. Normally, recording / reproduction cannot be performed at the same wavelength, but it is possible by controlling the two-photon absorption characteristics of the ring-opened body and the linear absorption characteristics of the ring-closed body.
However, with this proposed method, the two-photon absorption characteristics (absorption cross section, absorption wavelength) of the ring-opened body that enable high-sensitivity recording and reproduction at the same wavelength and the control of the absorption wavelength of the ring-closed body are extremely important in terms of material design. It is difficult. In addition, since the photochromic compound is a reversible material, there is a problem in that the photochromic compound is photo-decolored by ambient light or detection light, resulting in poor storage stability and repeated durability.
また、特許文献2では、ジアリルエテンの二光子吸収開環体を閉環体に二光子吸収光異性化して記録する方法が提案されている。この提案では、記録は、二光子吸収の最大吸収波長よりも長波長域に新たな吸収帯が生じる。また、再生は、記録による衰消係数の増加又は屈折率の増加を検知して行う。通常は同一波長で記録再生はできないが、開環体の二光子吸収特性と閉環体の線形吸収特性を制御することで可能である。
しかし、この提案の方法では、高感度で同一波長での記録再生を可能とする開環体の二光子吸収特性(吸収断面積、吸収波長)と閉環体の吸収波長の制御が材料設計上非常に難しい。また、フォトクロミック化合物は可逆材料であるため、環境光や検出光に光消色して、保存安定性、繰り返し耐久性が劣るという問題がある。
Patent Document 2 proposes a method of recording a two-photon absorption photoisomerization of a diallylethene two-photon absorption ring-opened product into a closed ring. In this proposal, recording has a new absorption band in a wavelength region longer than the maximum absorption wavelength of two-photon absorption. Reproduction is performed by detecting an increase in extinction coefficient or refractive index due to recording. Normally, recording / reproduction cannot be performed at the same wavelength, but it is possible by controlling the two-photon absorption characteristics of the ring-opened body and the linear absorption characteristics of the ring-closed body.
However, with this proposed method, the two-photon absorption characteristics (absorption cross section, absorption wavelength) of the ring-opened body that enable high-sensitivity recording and reproduction at the same wavelength and the control of the absorption wavelength of the ring-closed body are extremely important in terms of material design. It is difficult. In addition, since the photochromic compound is a reversible material, there is a problem in that the photochromic compound is photo-decolored by ambient light or detection light, resulting in poor storage stability and repeated durability.
また、特許文献3では、開環反応の量子収率が小さな二光子吸収により記録し、同一波長で再生可能な追記型(WORM)メディアが提案されている。この提案では、ジアリルエテンの二光子吸収開環体を閉環体に二光子吸収光異性化して記録する。また、再生は、記録による衰消係数の増加又は屈折率の増加を検知して行う。同一波長で記録再生が可能である。
しかし、この提案では、高感度で同一波長での記録再生を可能とする開環体の二光子吸収特性(吸収断面積、吸収波長)と閉環体の吸収波長の制御が困難であり、更に閉環反応の量子収率の制御を両立するのは材料設計上非常に困難である。また、環境光や再生時の光消色をカートリッジのフィルターで防御しているため、カートリッジが必須となり、可搬性、コスト上の問題がある。
Patent Document 3 proposes a write-once (WORM) media that can be recorded by two-photon absorption with a small quantum yield of the ring-opening reaction and can be reproduced at the same wavelength. In this proposal, the two-photon absorption ring-opened ring of diallylethene is recorded as a closed ring by two-photon absorption photoisomerization. Reproduction is performed by detecting an increase in extinction coefficient or refractive index due to recording. Recording and reproduction can be performed at the same wavelength.
However, in this proposal, it is difficult to control the two-photon absorption characteristics (absorption cross section, absorption wavelength) of the ring-opened body and the absorption wavelength of the ring-closed body, which enables high-sensitivity recording and reproduction at the same wavelength. It is very difficult to control the quantum yield of the reaction in terms of material design. Further, since the cartridge filter protects against ambient light and light decoloration during reproduction, the cartridge is indispensable, and there are problems in portability and cost.
また、特許文献4では、フォトクロミック化合物の長波長吸収体を短波長吸収体に二光子吸収光異性化して記録する方法が提案されている。この提案では、長波長吸収体は短波長吸収体に比較し二光子吸収顔面積が大きく高感度記録が可能であり、二光子吸収で長波長吸収体の吸収を減少させて記録する。また再生は、記録による衰消係数の低下又は屈折率の低下を検知して行う。記録波長と再生波長は異なる。
しかし、この提案では、閉環体(長波長吸収)を二光子吸収により開環体(短波長吸収)に光異性化して記録し、その光学特性の変化を利用するため同一波長での記録再生ができない。また、フォトクロミック化合物は可逆材料であるため、環境光や検出光に光消色して、保存安定性、繰り返し耐久性が劣るという問題がある。
Patent Document 4 proposes a method of recording a photochromic compound long wavelength absorber by two-photon absorption photoisomerization to a short wavelength absorber. In this proposal, the long-wavelength absorber has a larger two-photon absorption face area than the short-wavelength absorber and enables high-sensitivity recording, and the two-photon absorption reduces and records the absorption of the long-wavelength absorber. Reproduction is performed by detecting a decrease in extinction coefficient or refractive index due to recording. The recording wavelength and the reproduction wavelength are different.
However, in this proposal, a ring-closed body (long wavelength absorption) is recorded by photoisomerization to a ring-opened body (short wavelength absorption) by two-photon absorption, and recording / reproduction at the same wavelength can be performed by utilizing the change in optical characteristics. Can not. In addition, since the photochromic compound is a reversible material, there is a problem in that the photochromic compound is photo-decolored by ambient light or detection light, resulting in poor storage stability and repeated durability.
また、特許文献5では、分子ガラス材料を三光子吸収により蛍光性を付与して記録及び再生する方法が提案されている。この提案では、三光子吸収により蛍光性構造が生じることにより記録する。また再生は、蛍光の有無を検知して行う。同一波長で記録再生は可能である。
しかし、この提案では、三光子吸収のため、二光子吸収よりも更に吸収断面積が小さく超高密度光パワーを持つ光源でしか記録できず、当然高速記録に限界がある。
Patent Document 5 proposes a method of recording and reproducing molecular glass material by imparting fluorescence by three-photon absorption. In this proposal, recording occurs due to the formation of a fluorescent structure by three-photon absorption. Regeneration is performed by detecting the presence or absence of fluorescence. Recording and reproduction can be performed at the same wavelength.
However, in this proposal, because of the three-photon absorption, recording is possible only with a light source having a smaller absorption cross-sectional area than that of two-photon absorption and having an ultra-high density optical power, and naturally there is a limit to high-speed recording.
また、特許文献6では、フォトクロミック化合物を二光子吸収により光異性化して記録及び再生する方法が提案されている。この提案では、二光子吸収の最大吸収波長と異なる新たな吸収帯が生じることで記録を行う。また再生は、近赤外光の吸収係数の増減を検知して行う。同一波長で記録再生はできない。
しかし、この提案では、同一波長での記録再生が不可能であり、また、フォトクロミック化合物は可逆材料であるため、環境光や検出光に光消色して、保存安定性、繰り返し耐久性が劣るという問題がある。
Patent Document 6 proposes a method for recording and reproducing a photochromic compound by photoisomerization by two-photon absorption. In this proposal, recording is performed by generating a new absorption band different from the maximum absorption wavelength of two-photon absorption. Regeneration is performed by detecting an increase or decrease in the absorption coefficient of near-infrared light. Recording / reproduction cannot be performed at the same wavelength.
However, in this proposal, recording / reproduction at the same wavelength is impossible, and since the photochromic compound is a reversible material, it is light-discolored to ambient light and detection light, resulting in poor storage stability and repeated durability. There is a problem.
また、特許文献7、特許文献8、及び特許文献9では、二光子吸収化合物と反応活性化合物との混合記録材料で二光子吸収を利用した反応活性化合物の何らかの反応による光学特性の変化で記録再生する方法が提案されている。これらの提案では、二光子吸収を利用した反応により光学特性変化を生じさせて記録する。また再生は、記録による衰消係数の増加又は低下、又は、屈折率の増加又は低下を検知して行い、通常は同一波長で記録再生はできないが、反応生成物の線形吸収特性を制御することで可能である。
しかし、これらの提案では、未記録部では環境光により記録同様な反応が起こり、記録部では残存未記録材料が再生光により同様な反応が起こるため保存安定性、繰り返し耐久性が劣る。また、光学特性を変化させる反応生成物は通常の平衡反応によるため高速記録に限界がある。
In Patent Document 7, Patent Document 8, and Patent Document 9, recording / reproduction is performed by a change in optical characteristics due to some reaction of a reactive compound using two-photon absorption in a mixed recording material of a two-photon absorption compound and a reactive compound. A method has been proposed. In these proposals, recording is performed by causing a change in optical characteristics by a reaction utilizing two-photon absorption. Reproduction is performed by detecting the increase or decrease of the extinction coefficient due to recording or the increase or decrease of the refractive index. Normally, recording / reproduction cannot be performed at the same wavelength, but the linear absorption characteristics of the reaction product should be controlled. Is possible.
However, in these proposals, the recording-like reaction occurs in the unrecorded portion by the ambient light, and the remaining unrecorded material undergoes the same reaction by the reproducing light in the recording portion, so that the storage stability and the repeated durability are inferior. In addition, since the reaction product that changes the optical characteristics is based on a normal equilibrium reaction, there is a limit to high-speed recording.
また、特許文献10では、二光子吸収部位と反応活性種発生部位との連結化合物を二光子吸収により結合を切断し、発生した反応活性種の何らかの反応による光学特性の変化で記録再生する方法が提案されている。この提案では、二光子吸収を利用した反応により光学特性変化を生じさせて記録する。また再生は、記録による衰消係数の増加もしくは低下、又は、屈折率の増加もしくは低下を検知する。通常は同一波長で記録再生はできないが、反応生成物の線形吸収特性を制御することで可能である。
しかし、この提案では、未記録部では環境光により記録同様な反応が起こり、記録部では残存未記録材料が再生光により同様な反応が起こるため保存安定性、繰り返し耐久性が劣る。また、光学特性を変化させる反応生成物は通常の平衡反応によるため、高速記録に限界がある。
Patent Document 10 discloses a method in which a coupling compound between a two-photon absorption site and a reactive species generation site is cleaved by two-photon absorption, and recording / reproduction is performed by a change in optical characteristics due to some reaction of the generated reactive species. Proposed. In this proposal, recording is performed by causing a change in optical characteristics by a reaction utilizing two-photon absorption. In the reproduction, an increase or decrease in extinction coefficient due to recording or an increase or decrease in refractive index is detected. Normally, recording / reproduction cannot be performed at the same wavelength, but it is possible by controlling the linear absorption characteristics of the reaction product.
However, in this proposal, a reaction similar to recording occurs due to ambient light in the unrecorded portion, and a similar reaction occurs due to reproduction light in the remaining unrecorded material in the recorded portion, so that storage stability and repeated durability are poor. In addition, since the reaction product that changes the optical characteristics is based on a normal equilibrium reaction, there is a limit to high-speed recording.
その他、二光子吸収材料を用いた三次元光記録媒体としては、記録再生に蛍光性物質を用いて蛍光で読み取る方法(特許文献11及び特許文献12参照)、フォトクロミック化合物を用いて吸収又は蛍光で読み取る方法(特許文献13及び特許文献14参照)等が提案されている。
しかし、これらの提案は、いずれも具体的な二光子吸収材料の提示はなく、また抽象的に提示されている二光子吸収化合物の例も二光子吸収効率の極めて小さい二光子吸収化合物を用いており、更に、非破壊読み出し、記録の長期保存性、再生のS/N比等に問題があり、それを実現できる具体的な材料例、及び光機能の付与及び検出法を開示している例はない。
In addition, as a three-dimensional optical recording medium using a two-photon absorption material, a method of reading with fluorescence using a fluorescent substance for recording and reproduction (see Patent Document 11 and Patent Document 12), absorption or fluorescence with a photochromic compound. A reading method (see Patent Document 13 and Patent Document 14) has been proposed.
However, none of these proposals provide a specific two-photon absorption material, and the two-photon absorption compounds that are presented abstractly use two-photon absorption compounds with extremely low two-photon absorption efficiency. In addition, there are problems in non-destructive reading, long-term storage stability of recording, S / N ratio of reproduction, etc., examples of specific materials that can realize this, and examples of disclosure of optical function addition and detection methods There is no.
したがって、先行技術文献においても、二光子吸収により光機能(吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等)を効率よく誘発させ、同一波長の光で検出できる二光子吸収材料、及びその光機能の付与方法、検出方法の具体的な開示は存在していないのが現状である。 Therefore, even in prior art documents, a two-photon absorption material that can efficiently detect optical functions (absorption spectrum, refractive index, change in polarization state, light emission characteristics, photoelectric characteristics, etc.) by two-photon absorption and can detect with light of the same wavelength In addition, there is no specific disclosure of a method for providing the optical function and a method for detecting the optical function.
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、二光子吸収により高感度に光機能(吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等)を誘発し、かつ同一波長の検出光でその変化が検出可能な二光子吸収断面積の大きな有機材料である二光子吸収材料、並びに該二光子吸収材料を用いた光機能付与方法、光機能検出方法、光記録再生方法、光記録材料、及び三次元光記録媒体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and achieve the following objects. In other words, the present invention induces optical functions (absorption spectrum, refractive index, change in polarization state, light emission characteristics, photoelectric characteristics, etc.) with high sensitivity by two-photon absorption, and the change can be detected with detection light of the same wavelength. Two-photon absorption material which is an organic material having a large two-photon absorption cross section, and an optical function imparting method, optical function detection method, optical recording / reproducing method, optical recording material, and three-dimensional optical recording using the two-photon absorption material The purpose is to provide a medium.
前記課題を解決するため本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、特定の光学特性を有する二光子吸収材料により上記課題が解決されることを知見した。即ち、本発明は、二光子吸収の最大吸収波長近傍にある第一の線形吸収帯と、該第一の線形吸収帯よりも長波長域にある第二の線形吸収帯とを有する二光子吸収材料を用いる。
前記二光子吸収材料は、二光子励起波長により二光子吸収し、その光エネルギーにより化学的な変化を生じ、その結果、長波長域にある第二の線形吸収帯の光学特性変化を誘起し、二光子励起波長での光学特性が変化する。
これにより、二光子吸収により高感度に光機能(吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等)が変化し、かつその変化を同一波長の検出光で検出可能な二光子吸収有機材料が得られることを知見した。
更に、前記特性を有する二光子吸収材料を三次元光メモリ材料として用い、二光子励起波長を記録及び再生波長とすることにより、同一波長による二光子吸収光記録、及び光再生が可能な三次元光メモリが実現できることを知見した。
As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above problems, it has been found that the above problems can be solved by a two-photon absorption material having specific optical characteristics. That is, the present invention provides a two-photon absorption having a first linear absorption band in the vicinity of the maximum absorption wavelength of two-photon absorption and a second linear absorption band in a longer wavelength region than the first linear absorption band. Use materials.
The two-photon absorption material absorbs two-photons by a two-photon excitation wavelength, causes a chemical change by the light energy, and as a result, induces an optical characteristic change of a second linear absorption band in a long wavelength region, The optical properties at the two-photon excitation wavelength change.
As a result, the two-photon can change the optical function (absorption spectrum, refractive index, polarization state change, light emission characteristic, photoelectric characteristic, etc.) with high sensitivity by two-photon absorption, and the change can be detected with detection light of the same wavelength. It has been found that an absorbing organic material can be obtained.
Further, a two-photon absorption material having the above characteristics is used as a three-dimensional optical memory material, and a two-photon excitation wavelength is set as a recording and reproducing wavelength, so that two-photon absorption optical recording and optical reproduction at the same wavelength are possible. It was found that can be realized.
本発明は、本発明者らによる前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては以下の通りである。即ち、
<1> 二光子吸収の最大吸収波長近傍にある第一の線形吸収帯と、該第一の線形吸収帯よりも長波長域にある第二の線形吸収帯とを有し、二光子吸収により前記第二の線形吸収帯の光学特性が変化することを特徴とする二光子吸収材料である。
<2> 変化する光学特性が、衰消係数、屈折率、蛍光強度及び蛍光波長のいずれかである前記<1>に記載の二光子吸収材料である。
<3> 二光子吸収励起波長における第二の線形吸収帯の屈折率(n)が1.65以上であり、かつ衰消係数(k)が0.05以下である前記<1>から<2>のいずれかに記載の二光子吸収材料である。
<4> 二光子吸収断面積が200GM(×10−50cm4・s・molecule−1・photon−1)以上である前記<1>から<3>のいずれかに記載の二光子吸収材料である。
<5> 共役結合が環状に連結した化学構造部位を有する前記<1>から<4>のいずれかに記載の二光子吸収材料である。
<6> アザアヌレン化合物である前記<1>から<5>のいずれかに記載の二光子吸収材料である。
<7> アヌレン化合物である前記<1>から<5>のいずれかに記載の二光子吸収材料である。
<8> アヌレノン化合物である前記<1>から<5>のいずれかに記載の二光子吸収材料である。
<9> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させて、光機能を付与することを特徴とする光機能付与方法である。
<10> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させて、同一波長で検出することを特徴とする光機能検出方法である。
<11> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させることにより情報を記録することを特徴とする光記録方法である。
<12> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させて、同一波長の再生光により情報を再生することを特徴とする光再生方法である。
<13> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の二光子吸収材料を含有することを特徴とする光記録材料である。
<14> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の二光子吸収材料を含む記録層中における入射光に対して深さ方向に記録再生可能な三次元光記録媒体である。
The present invention is based on the above findings by the present inventors, and means for solving the above problems are as follows. That is,
<1> having a first linear absorption band in the vicinity of the maximum absorption wavelength of two-photon absorption and a second linear absorption band in a longer wavelength range than the first linear absorption band, and by two-photon absorption The two-photon absorption material is characterized in that optical characteristics of the second linear absorption band are changed.
<2> The two-photon absorption material according to <1>, wherein the changing optical characteristic is any one of an extinction coefficient, a refractive index, a fluorescence intensity, and a fluorescence wavelength.
<3> The refractive index (n) of the second linear absorption band at the two-photon absorption excitation wavelength is 1.65 or more, and the extinction coefficient (k) is 0.05 or less. <1> to <2 > The two-photon absorption material according to any one of the above.
<4> The two-photon absorption material according to any one of <1> to <3>, wherein the two-photon absorption cross-sectional area is 200 GM (× 10 −50 cm 4 · s · molecule −1 · photon −1 ) or more. is there.
<5> The two-photon absorption material according to any one of <1> to <4>, wherein the conjugated bond has a chemical structure moiety linked in a cyclic manner.
<6> The two-photon absorption material according to any one of <1> to <5>, which is an azaannulene compound.
<7> The two-photon absorption material according to any one of <1> to <5>, which is an annulene compound.
<8> The two-photon absorption material according to any one of <1> to <5>, which is an anurenone compound.
<9> An optical function is imparted to the two-photon absorption material according to any one of <1> to <8> by changing the optical characteristics of the second linear absorption band according to the two-photon absorption excitation wavelength. It is the optical function provision method characterized.
<10> The two-photon absorption material according to any one of <1> to <8>, wherein the optical characteristics of the second linear absorption band are changed by the two-photon absorption excitation wavelength, and detection is performed at the same wavelength. This is a characteristic optical function detection method.
<11> The information is recorded on the two-photon absorption material according to any one of <1> to <8> by changing the optical characteristics of the second linear absorption band according to the two-photon absorption excitation wavelength. This is an optical recording method.
<12> The optical property of the second linear absorption band is changed by the two-photon absorption excitation wavelength to the two-photon absorption material according to any one of <1> to <8>, and information is reproduced by reproduction light having the same wavelength. An optical reproduction method characterized by reproducing the light.
<13> An optical recording material comprising the two-photon absorption material according to any one of <1> to <8>.
<14> A three-dimensional optical recording medium capable of recording and reproducing in the depth direction with respect to incident light in a recording layer containing the two-photon absorption material according to any one of <1> to <8>.
本発明によると、従来における問題を解決することができ、二光子吸収により高感度に光機能(吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等)を誘発し、かつ同一波長の検出光でその変化が検出可能な二光子吸収断面積の大きな有機材料である二光子吸収材料、並びに該二光子吸収材料を用いた光機能付与方法、光機能検出方法、光記録再生方法、光記録材料、及び三次元光記録媒体を提供することができる。 According to the present invention, conventional problems can be solved, and two-photon absorption induces optical functions (absorption spectrum, refractive index, polarization state change, light emission characteristics, photoelectric characteristics, etc.) with high sensitivity, and the same wavelength. Two-photon absorption cross-sectional organic material having a large two-photon absorption cross-section that can be detected by the detection light of the two-photon absorption method, an optical function imparting method using the two-photon absorption material, an optical function detection method, an optical recording / reproducing method, An optical recording material and a three-dimensional optical recording medium can be provided.
(二光子吸収材料)
本発明の二光子吸収材料は、二光子吸収の最大吸収波長近傍にある第一の線形吸収帯と、該第一の線形吸収帯よりも長波長域にある第二の線形吸収帯とを有し、二光子吸収により前記第二の線形吸収帯の光学特性が変化する材料である。
(Two-photon absorption material)
The two-photon absorption material of the present invention has a first linear absorption band in the vicinity of the maximum absorption wavelength of two-photon absorption and a second linear absorption band in a longer wavelength region than the first linear absorption band. In addition, the optical characteristics of the second linear absorption band are changed by two-photon absorption.
前記二光子吸収材料とは、非共鳴領域の波長において分子を励起することが可能な材料で、この時励起に用いた光子の2倍のエネルギー準位に、実励起状態が存在する材料を意味する。
前記二光子吸収現象とは、三次の非線形光学効果の一種で、分子が二つのフォトンを同時に吸収して、基底状態から励起状態へ遷移する現象であり、古くから知られていたがJean−Luc Bredas等が1998年に分子構造とメカニズムの関係を解明して以来(Science,281,1653(1998))、近年になって二光子吸収能を有する材料に関する研究が進んでいる。
しかし、このような二光子同時吸収の遷移効率は、一光子吸収に較べて極めて低く、極めて大きなパワー密度の光子を必要とするため、通常に使用されるレーザー光強度では殆ど無視され、ピーク光強度(最大発光波長における光強度)が高いモード同期レーザーのようなフェムト秒程度の極超短パルスレーザーを用いると、観察されることが確認されている。
二光子吸収の遷移効率は印加する光電場の二乗に比例する(二光子吸収の二乗特性)。このため、レーザーを照射した場合、レーザースポット中心部の電界強度の高い位置でのみ二光子の吸収が起こり、周辺部の電界強度の弱い部分では二光子の吸収は全く起こらない。三次元空間においては、レーザー光をレンズで集光した焦点の電界強度の大きな領域でのみ二光子吸収が起こり、焦点から外れた領域では電界強度が弱いために二光子吸収が全く起こらない。印加された光電場の強度に比例してすべての位置で励起が起こる一光子の線形吸収に比べて、二光子吸収は、この二乗特性に由来して空間内部のピンポイントのみでしか励起が起こらないため、空間分解能が著しく向上する。
The two-photon absorption material means a material that can excite molecules at a wavelength in a non-resonant region, and has a real excited state at an energy level twice that of the photon used for excitation at this time. To do.
The two-photon absorption phenomenon is a kind of third-order nonlinear optical effect, in which a molecule absorbs two photons at the same time and transitions from a ground state to an excited state. Since Bredas et al. Elucidated the relationship between molecular structure and mechanism in 1998 (Science, 281, 1653 (1998)), research on materials having two-photon absorption ability has been progressing in recent years.
However, the transition efficiency of such two-photon simultaneous absorption is extremely lower than that of one-photon absorption and requires extremely high power density photons. It has been confirmed that an ultra-short pulse laser of about femtosecond such as a mode-locked laser having high intensity (light intensity at the maximum emission wavelength) is used.
The transition efficiency of two-photon absorption is proportional to the square of the applied photoelectric field (the two-photon absorption square characteristic). For this reason, when a laser is irradiated, two-photon absorption occurs only at a position where the electric field strength is high at the center of the laser spot, and no two-photon absorption occurs at a portion where the electric field strength is weak at the peripheral portion. In the three-dimensional space, two-photon absorption occurs only in a region where the electric field strength at the focal point where the laser light is collected by the lens is large, and no two-photon absorption occurs in the region outside the focal point because the electric field strength is weak. Compared to the linear absorption of one photon where excitation occurs at all positions in proportion to the intensity of the applied photoelectric field, the two-photon absorption is excited only at a pinpoint inside the space due to this square characteristic. Therefore, the spatial resolution is significantly improved.
この特性を利用して、記録媒体の所定の位置に二光子吸収によりスペクトル変化、屈折率変化又は偏光変化を生じさせ、ビットデータを記録する三次元メモリの研究が進められている。二光子吸収は、光の強度の二乗に比例して生じるため、二光子吸収を利用したメモリは、一光子吸収を利用したメモリに比べて、スポットサイズを小さくすることができ、超解像記録が可能となる。その他この二乗特性に由来する高い空間分解能の特性から、光制限材料、光造形用光硬化樹脂の硬化材料、二光子蛍光顕微鏡用蛍光色素材料などの用途への開発も進められている。
更に、二光子吸収を誘起する場合には、化合物の線形吸収帯が存在する波長領域よりも長波長でかつ吸収の存在しない、近赤外領域の短パルスレーザーを用いることが可能である。化合物の線形吸収帯が存在しない、いわゆる透明領域の近赤外光を用いるため、励起光が吸収や散乱を受けずに試料内部まで到達でき、かつ二光子吸収の二乗特性のために試料内部のピンポイントを高い空間分解能で励起できるため、二光子吸収及び二光子発光は生体組織の二光子造影や二光子フォトダイナミックセラピー(PDT)などの光化学療法応用面でも期待されている。また、二光子吸収、二光子発光を用いると、入射した光子のエネルギーよりも高いエネルギーの光子を取り出せるため、波長変換デバイスという観点からアップコンバージョンレージングに関する研究も報告されている。
Utilizing this characteristic, research on a three-dimensional memory for recording bit data by causing a spectral change, a refractive index change or a polarization change by two-photon absorption at a predetermined position of a recording medium has been advanced. Since two-photon absorption occurs in proportion to the square of the intensity of light, a memory using two-photon absorption can reduce the spot size compared to a memory using one-photon absorption, and super-resolution recording. Is possible. In addition, from the characteristics of high spatial resolution derived from this square characteristic, development for applications such as a light limiting material, a cured material of a photo-curing resin for stereolithography, and a fluorescent dye material for a two-photon fluorescence microscope is being promoted.
Furthermore, in the case of inducing two-photon absorption, it is possible to use a short-pulse laser in the near-infrared region that has a longer wavelength than the wavelength region in which the linear absorption band of the compound exists and does not have absorption. Since the near-infrared light of the so-called transparent region, which does not have a linear absorption band of the compound, is used, the excitation light can reach the inside of the sample without being absorbed or scattered, and because of the square characteristic of the two-photon absorption, Since pinpoints can be excited with high spatial resolution, two-photon absorption and two-photon emission are also expected in photochemotherapy applications such as two-photon contrast and two-photon photodynamic therapy (PDT) in biological tissues. In addition, research on upconversion lasing has been reported from the viewpoint of a wavelength conversion device because photons with higher energy than the energy of incident photons can be extracted by using two-photon absorption and two-photon emission.
ここで、本発明の二光子吸収材料が有する基本的な光学特性について図1に示す。
図1の結果から、本発明の二光子吸収材料は、二光子吸収の最大吸収波長近傍にある第一の線形吸収帯と、それよりも長波長域にある第二の線形吸収帯を有することが分かる。
このような光学特性を有する本発明の二光子吸収材料は、二光子励起波長により二光子吸収し、その光エネルギーにより化学的な変化を生じ、第二の線形吸収帯の光学特性変化を誘発する。その結果、第二の線形吸収帯の光学特性変化に対応した二光子励起波長での光機能のスイッチィングが可能となる。
前記光機能を誘起する反応モードとしては、ヒートモード及びフォトンモードいずれも可能であり、反応速度と変化のコントラスト比の大きさで、前者としてはサーモクロミズム反応、熱分解反応が好ましく、後者としてはフォトクロミズム反応が好ましい。
前記光機能としては、衰消係数、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等が挙げられ、二光子吸収により高感度に変化させることが可能で、かつその変化を同一波長の検出光で検出可能となる。
また、この特性を有する二光子吸収材料を三次元光記録材料として用い、二光子吸収により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させることで光記録/再生するシステムは、同一波長による二光子吸収光記録/再生が可能な三次元光メモリを可能とする。三次元光メモリシステムとしては、装置の小型化や検出容易性の観点から、変化する光学特性としては衰消係数、屈折率、蛍光特性(蛍光強度又は蛍光波長)が好ましい。
Here, basic optical characteristics of the two-photon absorption material of the present invention are shown in FIG.
From the result of FIG. 1, the two-photon absorption material of the present invention has a first linear absorption band in the vicinity of the maximum absorption wavelength of two-photon absorption and a second linear absorption band in a longer wavelength region. I understand.
The two-photon absorption material of the present invention having such optical characteristics absorbs two-photons by the two-photon excitation wavelength, causes a chemical change by the light energy, and induces a change in the optical characteristics of the second linear absorption band. . As a result, the optical function can be switched at the two-photon excitation wavelength corresponding to the optical characteristic change of the second linear absorption band.
As the reaction mode for inducing the light function, both a heat mode and a photon mode are possible. The reaction rate and the contrast ratio of the change are large, and the former is preferably a thermochromic reaction or a thermal decomposition reaction, and the latter is A photochromic reaction is preferred.
Examples of the optical function include an extinction coefficient, a refractive index, a change in polarization state, a light emission characteristic, and a photoelectric characteristic, and can be changed with high sensitivity by two-photon absorption, and the change can be detected at the same wavelength. Detection is possible with light.
Furthermore, a system that performs optical recording / reproduction by using a two-photon absorbing material having this characteristic as a three-dimensional optical recording material and changing the optical characteristics of the second linear absorption band by two-photon absorption is a two-photon having the same wavelength. A three-dimensional optical memory capable of absorbing optical recording / reproduction is made possible. In the three-dimensional optical memory system, from the viewpoints of downsizing of the apparatus and ease of detection, the changing optical characteristics are preferably an extinction coefficient, a refractive index, and fluorescence characteristics (fluorescence intensity or fluorescence wavelength).
ここで、光機能として光学定数(衰消係数、屈折率)の例を示す。下記構造式(i)で表されるポルフィリン化合物の光学定数スペクトルを図3に示す。
図3の結果から、前記構造式(i)で表される化合物の二光子吸収を示す750nm以降の波長域では、線形吸収(図3中のkに対応する)はないが、長波長域の線形吸収による電子分極の影響により屈折率(図3中のnに対応する)は依然として大きな値を示すことが分かる。該化合物に750nm以降の波長域で二光子吸収させ、該化合物が分解した場合には、この波長域で大きな屈折率変化が生じることが容易に想定される。 From the result of FIG. 3, there is no linear absorption (corresponding to k in FIG. 3) in the wavelength region after 750 nm indicating the two-photon absorption of the compound represented by the structural formula (i). It can be seen that the refractive index (corresponding to n in FIG. 3) still shows a large value due to the influence of electronic polarization due to linear absorption. When the compound is caused to absorb two-photons in a wavelength region of 750 nm or more and the compound is decomposed, it is easily assumed that a large refractive index change occurs in this wavelength region.
ここで、通常の有機化合物の屈折率は、ほぼ1.5前後にあるのに対して、本発明の二光子吸収材料は、二光子吸収励起波長における第二の線形吸収帯の屈折率(n)が1.65以上であることが好ましく、1.7以上がより好ましい。前記屈折率(n)が1.65未満であると、充分な屈折率の変化量が得られないことがある。また、第二の線形吸収帯が二光子励起波長に吸収能を有すると二光子励起の実効光量が損なわれるため、吸収は無いほうが好ましく、第二の線形吸収帯の衰消係数(k)は0.05以下が好ましく、0.03以下がより好ましい。前記衰消係数(k)が0.05を超えると、大きな二光子吸収断面積が得られないことがある。
ここで、前記屈折率(n)及び衰消係数(k)は、例えば分光エリプソメトリ法により測定することができる。
Here, the refractive index of a normal organic compound is approximately 1.5, whereas the two-photon absorption material of the present invention has a refractive index (n of the second linear absorption band at the two-photon absorption excitation wavelength). ) Is preferably 1.65 or more, and more preferably 1.7 or more. When the refractive index (n) is less than 1.65, a sufficient amount of change in refractive index may not be obtained. In addition, if the second linear absorption band has an absorption capability at the two-photon excitation wavelength, the effective light quantity of the two-photon excitation is impaired. Therefore, it is preferable that there is no absorption, and the extinction coefficient (k) of the second linear absorption band is 0.05 or less is preferable and 0.03 or less is more preferable. When the extinction coefficient (k) exceeds 0.05, a large two-photon absorption cross section may not be obtained.
Here, the refractive index (n) and the extinction coefficient (k) can be measured, for example, by spectroscopic ellipsometry.
また、前記二光子吸収材料の二光子吸収断面積は、200GM(×10−50cm4・s・molecule−1・photon−1)以上が好ましく、500GM以上がより好ましい。前記二光子吸収断面積が200GM未満であると、充分な二光子吸収能が得られず、二光子吸収を誘起する励起光源として高価な高出力のレーザーが必要となってしまうことがある。
ここで、前記二光子吸収断面積は、例えば、図5に示す二光子吸収断面積の測定システムを用いて、以下のようにして測定することができる。
・測定光源:フェムト秒チタンサファイアレーザ(波長:720nm〜920nm、パルス幅:100fs、繰り返し:80MHz、光パワー:800mW)
・測定方法:Zスキャン法(光源波長:780nm〜900nm、キュベット内径:1mm、測定光パワー:約500mW、繰り返し周波数:80MHz、対物レンズ:f=75mm、集光径:〜40μm)
・集光されている光路部分に試料溶液を充填した石英セルを置き、その位置を光路に沿って移動させることによりZ−scan測定を実施した。
The two-photon absorption cross-sectional area of the two-photon absorption material is preferably 200 GM (× 10 −50 cm 4 · s · molecule −1 · photon −1 ) or more, and more preferably 500 GM or more. If the two-photon absorption cross-section is less than 200 GM, sufficient two-photon absorption ability cannot be obtained, and an expensive high-power laser may be required as an excitation light source for inducing two-photon absorption.
Here, the two-photon absorption cross-sectional area can be measured as follows using, for example, a two-photon absorption cross-sectional measurement system shown in FIG.
Measurement light source: femtosecond titanium sapphire laser (wavelength: 720 nm to 920 nm, pulse width: 100 fs, repetition: 80 MHz, optical power: 800 mW)
Measurement method: Z scan method (light source wavelength: 780 nm to 900 nm, cuvette inner diameter: 1 mm, measurement light power: about 500 mW, repetition frequency: 80 MHz, objective lens: f = 75 mm, condensing diameter: ˜40 μm)
A Z-scan measurement was performed by placing a quartz cell filled with a sample solution in the focused optical path portion and moving the position along the optical path.
透過率を測定し、その結果から、下記理論式(I)により非線形吸収係数を求めた。
T=[ln(1+I0L0β)]/I0L0β ・・・・ (I)
ただし、前記理論式(I)中、Tは透過率(%)、I0は励起光密度[GW/cm2]、L0は試料セル長[cm]、βは非線形吸収係数[cm/GW]を表す。
The transmittance was measured, and the nonlinear absorption coefficient was determined from the result by the following theoretical formula (I).
T = [ln (1 + I0L0β)] / I0L0β (I)
In the theoretical formula (I), T is transmittance (%), I0 is excitation light density [GW / cm 2 ], L0 is sample cell length [cm], and β is nonlinear absorption coefficient [cm / GW]. Represent.
求めた非線形吸収係数から、下記式(II)により二光子吸収断面積σ2を求めた。
σ2=1000×hνβ/NACβ ・・・・ (II)
ただし、前記式(II)中、σ2の単位は1GM=1×10−50cm4・s・photon−1であり、hはプランク定数[J・s]、νは入射レーザー光の振動数[s−1]、NAはアボガドロ数、Cは溶液濃度[mol/L]を示す。
The two-photon absorption cross section σ2 was determined from the determined nonlinear absorption coefficient by the following formula (II).
σ2 = 1000 × hνβ / NACβ (II)
In the formula (II), the unit of σ2 is 1GM = 1 × 10 −50 cm 4 · s · photon −1 , h is Planck's constant [J · s], and ν is the frequency of incident laser light [ s −1 ], NA is Avogadro's number, and C is the solution concentration [mol / L].
本発明の二光子吸収材料としては、特に制限はなく、上述した二光子吸収能と上記必要光吸収特性を有する材料であれば何れも使用できる。これらの中でも、共役結合が環状に連結した構造部位を有する二光子吸収材料は、その平面内に直交した2つの遷移モーメントの電子的な相互作用により近紫外域と可視域の両波長域に吸収能を有し、本発明の二光子吸収材料の基本的な光学特性を示すため好ましく、具体的には、アザアヌレン化合物(ポルフィリン誘導体、アザポルフィリン誘導体)、アヌレン化合物、アヌレノン化合物が特に好ましい。 The two-photon absorption material of the present invention is not particularly limited, and any material having the above-described two-photon absorption ability and the necessary light absorption characteristics can be used. Among these, the two-photon absorption material having a structural portion in which conjugated bonds are connected in a ring is absorbed in both near-ultraviolet and visible wavelengths by electronic interaction of two transition moments orthogonal to each other in the plane. The azaannulene compound (porphyrin derivative, azaporphyrin derivative), an annulene compound, and an anurenone compound are particularly preferable because of their ability to exhibit basic optical characteristics of the two-photon absorption material of the present invention.
以下、本発明の二光子吸収材料として好適なアザアヌレン化合物(ポルフィリン誘導体、アザポルフィリン誘導体)、アヌレン化合物、アヌレノン化合物について、具体的に説明する。 Hereinafter, the azaannulene compound (porphyrin derivative, azaporphyrin derivative), the annulene compound, and the annurenone compound suitable as the two-photon absorption material of the present invention will be specifically described.
−ポルフィリン誘導体(1)−
X1〜X8は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、水酸基、カルボキシル基、置換もしくは未置換のアルキル基、置換もしくは未置換のアルコキシ基、置換もしくは未置換のアリ−ル基、置換もしくは未置換のアミノ基、及び置換もしくは未置換のアシル基のいずれかを表す。
Mは、2個の水素原子、酸素原子、ハロゲン原子を有していてもよい2価、3価、又は4価の金属原子、又は(OR5)p、(OSiR6R7R8)q、(OPOR9R10)r、(OCOR11)sを有していてもよい金属原子を表す。R5〜R11は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、水素原子、置換もしくは未置換の脂肪族炭化水素基、及び芳香族炭化水素基のいずれかを表す。
p、q、r、及びsは、それぞれ0〜2の整数を表す。
-Porphyrin derivative (1)-
M is a divalent, trivalent, or tetravalent metal atom that may have two hydrogen atoms, oxygen atoms, or halogen atoms, or (OR 5 ) p, (OSiR 6 R 7 R 8 ) q , (OPOR 9 R 10 ) r, and (OCOR 11 ) s may be represented by a metal atom. R 5 to R 11 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group, or an aromatic hydrocarbon group.
p, q, r, and s each represent an integer of 0 to 2.
−ポルフィリン誘導体(2)−
置換基を有してもよい4つのピロ−ル環が置換基を有していてもよい炭素原子を介して、又は直接結合した構造を有するポルフィリン誘導体において、該4つのピロ−ル環を結ぶ置換基を有してもよい炭素原子の合計数が4つであり、かつ少なくとも一個所はピロ−ル環が炭素原子を介さず直接結合したポルフィリン誘導体である。
Mは、2個の水素原子、酸素原子、ハロゲン原子を有していてもよい2価、3価、もしくは4価の金属原子、(OR9)p、(OSiR10R11R12)q、(OPOR13R14)r、及び(OCOR15)sを有していてもよい金属原子のいずれかを表す。R9〜R15は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、水素原子、置換もしくは未置換の脂肪族、及び芳香族炭化水素基のいずれかを表す。
p、q、r、及びsは、それぞれ0〜2の整数を表す。
-Porphyrin derivative (2)-
In a porphyrin derivative having a structure in which four pyrrol rings which may have a substituent are bonded via a carbon atom which may have a substituent or are directly bonded, the four pyrrol rings are connected. The total number of carbon atoms that may have a substituent is four, and at least one is a porphyrin derivative in which a pyrrole ring is directly bonded without a carbon atom.
M is a divalent, trivalent, or tetravalent metal atom that may have two hydrogen atoms, oxygen atoms, or halogen atoms, (OR 9 ) p, (OSiR 10 R 11 R 12 ) q, It represents any of metal atoms that may have (OPOR 13 R 14 ) r and (OCOR 15 ) s. R 9 to R 15 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted aliphatic group, or an aromatic hydrocarbon group.
p, q, r, and s each represent an integer of 0 to 2.
−アザポルフィリン誘導体−
置換基を有してもよい4つのピロ−ル環が置換基を有してもよい炭素原子又は窒素原子を介して結合した構造を有する上記一般式(1)で示されるアザポルフィリン誘導体において、該4つのピロ−ル環を結ぶ置換基を有してもよい原子のうちの少なくとも一個が炭素原子及び窒素原子であるアザポルフィリン誘導体である。
X1〜X8は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、水酸基、カルボキシル基、置換もしくは未置換のアルキル基、置換もしくは未置換のアルコキシ基、置換もしくは未置換のアリ−ル基、置換もしくは未置換のアミノ基、及び置換もしくは未置換のアシル基のいずれかを表す。
Mは、2個の水素原子、酸素原子、又はハロゲン原子を有していてもよい2価、3価、もしくは4価の金属原子、(OR5)p、(OSiR6R7R8)q、(OPOR9R10)r、及び(OCOR11)sを有してもよい金属原子のいずれかを表す。R5〜R11は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、水素原子、置換もしくは未置換の脂肪族、及び芳香族炭化水素基のいずれかを表す。
p、q、r、及びsは、それぞれ0〜2の整数を表す。
-Azaporphyrin derivatives-
In the azaporphyrin derivative represented by the above general formula (1) having a structure in which four pyrrol rings which may have a substituent are bonded via a carbon atom or a nitrogen atom which may have a substituent, An azaporphyrin derivative in which at least one of the atoms optionally having a substituent connecting the four pyrrol rings is a carbon atom and a nitrogen atom.
X 1 to X 8 may be the same or different from each other, and may be a hydrogen atom, a halogen atom, a nitro group, a cyano group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted group. It represents any of a substituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted amino group, and a substituted or unsubstituted acyl group.
M is a divalent, trivalent, or tetravalent metal atom that may have two hydrogen atoms, oxygen atoms, or halogen atoms, (OR 5 ) p, (OSiR 6 R 7 R 8 ) q , (OPOR 9 R 10 ) r, and (OCOR 11 ) s may be represented by any of the metal atoms. R 5 to R 11 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted aliphatic group, or an aromatic hydrocarbon group.
p, q, r, and s each represent an integer of 0 to 2.
前記一般式(1)〜(3)のアザアヌレン化合物におけるMとしては、具体的には、Ib族,IIa族,IIb族、IIIa族、IVa族、IVb族、Vb族、VIb族、VIIb族、VIII族の金属、これらの金属の酸化物、これらの金属のハロゲン化物又はこれらの金属の水酸化物などがあり、更に、上記金属で置換基を有するものがある
前記金属としては、例えばCu、Zn、Mg、Al、Ge、Ti、Sn、Pb、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、In、Pt、Pd等が挙げられ、酸化物としては、TiO、VO等が挙げられ、ハロゲン化物としては、AlCl、GeCl2、SiCl2、FeCl、SnCl2、InCl等が挙げられ、水酸化物としてはAl(OH)、Si(OH)2、Ge(OH)2、Sn(OH)2等が挙げられる。
更に、金属で置換基を有する場合に、金属としては、Al、Ti、Si、Ge、Sn等があり、該置換基としては、例えばアリールオキシル基、アルコキシル基、トリアルキルシロキシル基、トリアリールシロキシル基、トリアルコキシシロキシル基、トリアリールオキシシロキシル基、トリチルオキシル基、アシロキシル基などが挙げられる。
As M in the azaannulene compounds of the general formulas (1) to (3), specifically, Ib group, IIa group, IIb group, IIIa group, IVa group, IVb group, Vb group, VIb group, VIIb group, There are Group VIII metals, oxides of these metals, halides of these metals, or hydroxides of these metals, and further, those having substituents on the above metals. Examples of the metals include Cu, Zn, Mg, Al, Ge, Ti, Sn, Pb, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, In, Pt, Pd, etc. are mentioned, and examples of the oxide include TiO, VO, etc., halogen the product, AlCl, GeCl 2, SiCl 2 , FeCl, SnCl 2, InCl and the like, and as the hydroxide Al (OH), Si (OH ) 2, Ge (OH) 2, Sn (OH 2, and the like.
Further, when the metal has a substituent, the metal includes Al, Ti, Si, Ge, Sn, etc. Examples of the substituent include an aryloxyl group, an alkoxyl group, a trialkylsiloxyl group, and a triaryl. Examples include a siloxyl group, a trialkoxysiloxyl group, a triaryloxysiloxyl group, a trityloxyl group, and an acyloxyl group.
−アヌレン誘導体−
−アヌレノン誘導体−
前記一般式(5)及び(6)中、R1〜R16は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、水素原子、及び置換もしくは未置換のアルキル基のいずれかを示す。 In the general formulas (5) and (6), R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom and a substituted or unsubstituted alkyl group. .
前記一般式(1)〜(6)において、前記未置換のアルキル基としては、直鎖状もしくは分岐鎖状のアルキル基が挙げられる。置換アルキル基としては、ヒドロキシ置換アルキル基、カルボキシ置換アルキル基、アミノ置換アルキル基、ハロゲン原子置換アルキル基、フェニル置換アルキル基、アルコキシ置換アルキル基等が挙げられる。
前記アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、ネオペンチル基、イソアミル基、2−メチルブチル基、n−ヘキシル基、2−メチルペンチル基、3−メチルペンチル基、4−メチルペンチル基、2−エチルブチル基、n−ヘプチル基、2−メチルヘキシル基、3−メチルヘキシル基、4−メチルヘキシル基、5−メチルヘキシル基、2−エチルペンチル基、3−エチルペンチル基、n−オクチル基、2−メチルヘプチル基、3−メチルヘプチル基、4−メチルヘプチル基、5−メチルヘプチル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘキシル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ドデシル基等の一級アルキル基;イソプロピル基、sec−ブチル基、1−エチルプロピル基、1−メチルブチル基、1,2−ジメチルプロピル基、1−メチルヘプチル基、1−エチルブチル基、1,3−ジメチルブチル基、1,2−ジメチルブチル基、1−エチル−2−メチルプロピル基、1−メチルヘキシル基、1−エチルヘプチル基、1−プロピルブチル基、1−イソプロピル−2−メチルプロピル基、1−エチル−2−メチルブチル基、1−プロピル−2−メチルプロピル基、1−メチルヘプチル基、1−エチルヘキシル基、1−プロピルペンチル基、1−イソプロピルぺンチル基、1−イソプロピル−2−メチルブチル基、1−イソプロピル−3−メチルブチル基、1−メチルオクチル基、1−エチルヘプチル基、1−プロピルヘキシル基、1−イソブチル−3−メチルブチル基等の二級アルキル基;tert−ブチル基、tert−ヘキシル基、tert−アミル基、tert−オクチル基等の三級アルキル基;シクロヘキシル基、4−メチルシクロヘキシル基、4−エチルシクロヘキシル基、4−tert−ブチルシクロヘキシル基、4−(2−エチルヘキシル)シクロヘキシル基、ボルニル基、イソボルニル基、アダマンタン基等のシクロアルキル基、などが挙げられる。
In the general formulas (1) to (6), examples of the unsubstituted alkyl group include linear or branched alkyl groups. Examples of substituted alkyl groups include hydroxy-substituted alkyl groups, carboxy-substituted alkyl groups, amino-substituted alkyl groups, halogen atom-substituted alkyl groups, phenyl-substituted alkyl groups, and alkoxy-substituted alkyl groups.
Examples of the alkyl group include methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, isobutyl, n-pentyl, neopentyl, isoamyl, 2-methylbutyl, n-hexyl, and 2-methyl. Pentyl group, 3-methylpentyl group, 4-methylpentyl group, 2-ethylbutyl group, n-heptyl group, 2-methylhexyl group, 3-methylhexyl group, 4-methylhexyl group, 5-methylhexyl group, 2 -Ethylpentyl group, 3-ethylpentyl group, n-octyl group, 2-methylheptyl group, 3-methylheptyl group, 4-methylheptyl group, 5-methylheptyl group, 2-ethylhexyl group, 3-ethylhexyl group, Primary alkyl group such as n-nonyl group, n-decyl group, n-dodecyl group; isopropyl group, sec-butyl group, 1-ethyl group Pyl group, 1-methylbutyl group, 1,2-dimethylpropyl group, 1-methylheptyl group, 1-ethylbutyl group, 1,3-dimethylbutyl group, 1,2-dimethylbutyl group, 1-ethyl-2-methyl Propyl group, 1-methylhexyl group, 1-ethylheptyl group, 1-propylbutyl group, 1-isopropyl-2-methylpropyl group, 1-ethyl-2-methylbutyl group, 1-propyl-2-methylpropyl group, 1-methylheptyl group, 1-ethylhexyl group, 1-propylpentyl group, 1-isopropylpentyl group, 1-isopropyl-2-methylbutyl group, 1-isopropyl-3-methylbutyl group, 1-methyloctyl group, 1- Secondary alkyl groups such as ethylheptyl group, 1-propylhexyl group, 1-isobutyl-3-methylbutyl group; Tertiary alkyl groups such as thiol group, tert-hexyl group, tert-amyl group, tert-octyl group; cyclohexyl group, 4-methylcyclohexyl group, 4-ethylcyclohexyl group, 4-tert-butylcyclohexyl group, 4- ( 2-ethylhexyl) cyclohexyl group, bornyl group, isobornyl group, cycloalkyl group such as adamantane group, and the like.
前記一般式(1)で表される化合物としては、具体的には、以下の化合物が好適に挙げられるが、これらに限られるわけではない。
前記一般式(2)で表される化合物としては、具体的には、以下の化合物が好適に挙げられるが、これらに限られるわけではない。
前記一般式(3)で表される化合物としては、具体的には、以下の化合物が好適に挙げられるが、これらに限られるわけではない。
前記一般式(4)で表される化合物としては、具体的には、以下の化合物が好適に挙げられるが、これらに限られるわけではない。
前記一般式(5)で表される化合物としては、具体的には、以下の化合物が好適に挙げられるが、これらに限られるわけではない。
前記一般式(6)で表される化合物としては、具体的には、以下の化合物が好適に挙げられるが、これらに限られるわけではない。
その他、異性体によりそれぞれ異なる波長域に吸収能を示すサーモ材料及びフォトクロミック材料で、短波長吸収異性体が二光子吸収能を有し、その二光子吸収エネルギーにより、長波長吸収異性体が短波長吸収異性体に異性化する材料も使用できる。 In addition, thermomaterials and photochromic materials that absorb in different wavelength ranges depending on the isomer, the short-wavelength absorption isomer has a two-photon absorption ability, and the long-wavelength absorption isomer has a short wavelength due to the two-photon absorption energy. Materials that isomerize to absorption isomers can also be used.
前記フォトクロミック材料として、サリチリデンアニリン類サーモクロミズム材料の吸収スペクトル変化を図4に示す。該フォトクロミック材料の両異性体混合系は、本発明の必要光吸収特性を満足し、この特性を有し、二光子吸収を示すものは同様に使用することができる。 FIG. 4 shows a change in absorption spectrum of a salicylidene aniline type thermochromic material as the photochromic material. Both isomer mixed systems of the photochromic material satisfy the necessary light absorption characteristics of the present invention, and those having this characteristic and exhibiting two-photon absorption can be used similarly.
本発明の二光子吸収材料は、スピンコーター、ロールコーター、バーコーターなどを用いることによって基板上に直接塗布するか、あるいはフィルムとしてキャストし、次いで、通常の方法により基板にラミネートすることもでき、これにより、二光子吸収光記録材料とすることができる。 The two-photon absorption material of the present invention can be applied directly on the substrate by using a spin coater, roll coater, bar coater or the like, or cast as a film, and then laminated to the substrate by a usual method, Thereby, it can be set as a two-photon absorption optical recording material.
本発明の二光子吸収材料は、そのもの単独もしくは各種の樹脂との混合の薄膜、あるいはバルクで種々のデバイスへの応用が可能である。例えば、光ディスクでは上記薄膜が基板と接しており、該基板材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ガラスなどが挙げられる。
また、積層する場合であれば、中間層(仕切層)に該薄膜表面が接している。前記中間層の具体例としては、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート又はセロファンフィルムなどのプラスチック製のフィルム又は種々の光硬化樹脂等が挙げられる。
The two-photon absorption material of the present invention can be applied to various devices by itself or in a thin film mixed with various resins, or in bulk. For example, in an optical disk, the thin film is in contact with a substrate, and examples of the substrate material include polyethylene terephthalate, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyester, polyvinyl alcohol, and glass.
In the case of stacking, the surface of the thin film is in contact with the intermediate layer (partition layer). Specific examples of the intermediate layer include polyolefins such as polypropylene and polyethylene; plastic films such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate, and cellophane films, and various photocurable resins.
(光機能付与方法)
本発明の光機能付与方法は、本発明の前記二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させて光機能を付与する。
変化する光学特性としては、衰消係数、屈折率、蛍光強度又は蛍光波長のいずれかであることが好ましい。
前記光機能としては、吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等が挙げられる。
(Optical function application method)
The optical function imparting method of the present invention imparts an optical function to the two-photon absorption material of the present invention by changing the optical characteristics of the second linear absorption band according to the two-photon absorption excitation wavelength.
The changing optical characteristic is preferably one of an extinction coefficient, a refractive index, a fluorescence intensity, or a fluorescence wavelength.
Examples of the optical function include an absorption spectrum, a refractive index, a change in polarization state, light emission characteristics, and photoelectric characteristics.
(光機能検出方法)
本発明の光機能検出方法は、本発明の前記二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させ、同一波長で検出する。
変化する光学特性としては、衰消係数、屈折率、蛍光強度又は蛍光波長のいずれかであることが好ましい。
前記光機能としては、吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、発光特性、光電特性等が挙げられる。
(Optical function detection method)
In the optical function detection method of the present invention, the optical characteristics of the second linear absorption band are changed by the two-photon absorption excitation wavelength in the two-photon absorption material of the present invention, and detection is performed at the same wavelength.
The changing optical characteristic is preferably one of an extinction coefficient, a refractive index, a fluorescence intensity, or a fluorescence wavelength.
Examples of the optical function include an absorption spectrum, a refractive index, a change in polarization state, light emission characteristics, and photoelectric characteristics.
(光記録方法)
本発明の光記録方法は、本発明の前記二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させることで情報を記録する。
変化する光学特性としては、衰消係数、屈折率、蛍光強度又は蛍光波長のいずれかであることが好ましい。
(Optical recording method)
The optical recording method of the present invention records information in the two-photon absorption material of the present invention by changing the optical characteristics of the second linear absorption band according to the two-photon absorption excitation wavelength.
The changing optical characteristic is preferably one of an extinction coefficient, a refractive index, a fluorescence intensity, or a fluorescence wavelength.
(光再生方法)
本発明の光再生方法は、本発明の前記二光子吸収材料に、二光子吸収励起波長により第二の線形吸収帯の光学特性を変化させ、同一波長の再生光により情報を再生する。
変化する光学特性としては、衰消係数、屈折率、蛍光強度又は蛍光波長のいずれかであることが好ましい。
(Light regeneration method)
In the optical reproduction method of the present invention, the optical characteristics of the second linear absorption band are changed by the two-photon absorption excitation wavelength in the two-photon absorption material of the present invention, and information is reproduced by reproduction light of the same wavelength.
The changing optical characteristic is preferably one of an extinction coefficient, a refractive index, a fluorescence intensity, or a fluorescence wavelength.
(光記録材料)
本発明の光記録材料は、本発明の二光子吸収材料を含有し、本発明の二光子吸収材料は単独か、各種樹脂に混合されているか、光硬化性樹脂に混合されて用いられる。
従って、本発明の二光子吸収材料の使用要件としては、該材料が各種樹脂、又はガラスに混合されているか、二光子吸収材料層界面が各種樹脂、又はガラスに接していることである。言い換えれば、本発明の二光子吸収材料はミクロレベル、又はマクロレベルで各種樹脂、又はガラスに接している構成となっている。
(Optical recording material)
The optical recording material of the present invention contains the two-photon absorption material of the present invention, and the two-photon absorption material of the present invention is used alone, mixed with various resins, or mixed with a photocurable resin.
Accordingly, the use requirement of the two-photon absorption material of the present invention is that the material is mixed with various resins or glass, or the interface of the two-photon absorption material layer is in contact with various resins or glass. In other words, the two-photon absorption material of the present invention is in contact with various resins or glass at the micro level or the macro level.
具体的には、基板上に、少なくとも本発明の前記二光子吸収材料と、必要に応じて樹脂と、溶媒を含む組成物を塗布して、記録層を形成することができる。 Specifically, a recording layer can be formed by applying a composition containing at least the two-photon absorption material of the present invention and, if necessary, a resin and a solvent on a substrate.
前記基板とは、任意の天然支持体、又は合成支持体、好適には柔軟性フィルム、剛性フィルム、シート、又は板の形態で存在することができるものを意味する。
前記基板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、樹脂下塗り型ポリエチレンテレフタレート、火炎又は静電気放電処理されたポリエチレンテレフタレート、セルロースアセテート、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ガラスなどが挙げられる。また、前記基板には、予めトラッキング用の案内溝やアドレス情報が付与されたものであってもよい。
By said substrate is meant any natural support or synthetic support, preferably one that can be present in the form of a flexible film, a rigid film, a sheet or a plate.
Examples of the material of the substrate include polyethylene terephthalate, resin-primed polyethylene terephthalate, polyethylene terephthalate subjected to flame or electrostatic discharge treatment, cellulose acetate, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyester, polyvinyl alcohol, and glass. The substrate may be provided with tracking guide grooves and address information in advance.
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えばポリメチルアクリレート、ポリカーボレート、エポキシ樹脂、ポリスチレン、ポリエステル樹脂、ビニル樹脂、セルロース、脂肪族炭化水素樹脂、天然ゴム、ステレンブタジエン樹脂、クロロプレンゴム、ワックス、アルキッド樹脂、ロジンなどが挙げられる。
使用した溶媒は乾燥時に蒸発除去することができる。この蒸発除去には加熱や減圧を用いてもよい。
The resin is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, polymethyl acrylate, polycarbonate, epoxy resin, polystyrene, polyester resin, vinyl resin, cellulose, aliphatic hydrocarbon resin, natural Examples thereof include rubber, sterene butadiene resin, chloroprene rubber, wax, alkyd resin, and rosin.
The solvent used can be removed by evaporation during drying. For this evaporation removal, heating or reduced pressure may be used.
また、二光子吸収光記録材料の上に、酸素遮断や層間クロストーク防止のための保護層(中間層)を形成してもよい。
前記保護層(中間層)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート又はセロファンフィルムなどのプラスチック製のフィルム又は板を静電的な密着、押し出し機を使った積層等により貼合わせるか、前記ポリマーの溶液を塗布してもよい。また、ガラス板を貼合わせてもよい。また、保護層と記録層の間及び/又は、基材と記録層の間に、気密性を高めるために粘着剤又は液状物質を存在させてもよい。更に、記録層間の保護層(中間層)にも予め、トラッキング用の案内溝やアドレス情報が付与されたものであってもよい。
Further, a protective layer (intermediate layer) for blocking oxygen and preventing interlayer crosstalk may be formed on the two-photon absorption optical recording material.
The protective layer (intermediate layer) is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include polyolefins such as polypropylene and polyethylene; polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate or cellophane film. A plastic film or plate such as the above may be attached by electrostatic adhesion, lamination using an extruder, or the like, or the polymer solution may be applied. Further, a glass plate may be bonded. Further, an adhesive or a liquid substance may be present between the protective layer and the recording layer and / or between the base material and the recording layer in order to improve airtightness. Furthermore, a protective groove (intermediate layer) between recording layers may be provided with tracking guide grooves and address information in advance.
<二光子吸収材料を用いた三次元多層光メモリへの応用>
最近、インターネット等のネットワークやハイビジョンTVが急速に普及している。また、HDTV(High Definition Television)の放映も間近にひかえて、民生用途においても50GB以上、好ましくは100GB以上の画像情報を安価簡便に記録するための大容量記録媒体の要求が高まっている。更にコンピューターバックアップ用途、放送バックアップ用途等、業務用途においては、1TB程度又はそれ以上の大容量の情報を高速かつ安価に記録できる光記録媒体が求められている。そのような中、DVD±Rのような従来の二次元光記録媒体は物理原理上、たとえ記録再生波長を短波長化したとしてもせいぜい25GB程度で、将来の要求に対応できる程の充分大きな記録容量が期待できるとは言えない状況である。
<Application to two-dimensional multilayer optical memory using two-photon absorption material>
Recently, networks such as the Internet and high-definition TV are rapidly spreading. In addition, HDTV (High Definition Television) will soon be broadcast, and there is an increasing demand for a large-capacity recording medium for easily and inexpensively recording image information of 50 GB or more, preferably 100 GB or more for consumer use. Furthermore, for business use such as computer backup use and broadcast backup use, an optical recording medium capable of recording large-capacity information of about 1 TB or more at high speed and at low cost is required. Under such circumstances, the conventional two-dimensional optical recording medium such as DVD ± R is about 25 GB at most even if the recording / reproducing wavelength is shortened due to the physical principle, and is sufficiently large enough to meet future demands. It cannot be said that capacity can be expected.
そのような状況の中、究極の高密度、高容量記録媒体として、三次元光記録媒体が俄然、注目されてきている。三次元光記録媒体は、三次元(膜厚)方向に何十、何百層もの記録を重ねることで、従来の二次元光記録媒体の何十倍、何百倍もの超高密度、超高容量記録を達成しようとするものである。三次元光記録媒体を提供するためには、三次元(膜厚)方向の任意の場所にアクセスして書き込みできなければならないが、その手段として、二光子吸収材料を用いる方法とホログラフィ(干渉)を用いる方法とある。二子吸収材料を用いる三次元光記録媒体では、上記で説明した物理原理に基づいて何十、何百倍にもわたっていわゆるビット記録が可能であって、より高密度記録が可能であり、まさに究極の高密度、高容量光記録媒体であると言える。
二光子吸収材料を用いた三次元光記録媒体としては、記録再生に蛍光性物質を用いて蛍光で読み取る方法(特表2001−524245号公報及び特表2000−512061号公報参照)、フォトクロミック化合物を用いて吸収又は蛍光で読み取る方法(特表2001−522119号公報及び特表2001−508221号公報参照)などが提案されている。
しかし、これらの提案には、いずれも具体的な二光子吸収材料の提示はなく、また抽象的に提示されている二光子吸収化合物の例も二光子吸収効率の極めて小さい二光子吸収化合物を用いている。
更に、これらの先行技術文献で用いているフォトクロミック化合物は可逆材料であるため、非破壊読み出し、記録の長期保存性、再生のS/N比等に問題があり、光記録媒体として実用性のある方式であるとは言えない。特に非破壊読出し、記録の長期保存性等の点では、不可逆材料を用いて反射率(屈折率又は吸収率)又は発光強度の変化で再生するのが好ましいが、このような機能を有する二光子吸収材料を具体的に開示している例はなかった。
Under such circumstances, a three-dimensional optical recording medium has attracted attention as an ultimate high-density, high-capacity recording medium. Three-dimensional optical recording media can be recorded in dozens or hundreds of layers in the three-dimensional (film thickness) direction, resulting in tens or hundreds of times the ultra-high density and ultra-high capacity of conventional two-dimensional optical recording media. Try to achieve the record. In order to provide a three-dimensional optical recording medium, it is necessary to be able to access and write at an arbitrary place in the three-dimensional (film thickness) direction. As a means for this, a method using a two-photon absorption material and holography (interference) There is a method of using. In a three-dimensional optical recording medium using a two-element absorbing material, so-called bit recording can be performed over tens or hundreds of times based on the physical principle described above, and higher density recording is possible, which is exactly the ultimate. It can be said that this is a high-density, high-capacity optical recording medium.
As a three-dimensional optical recording medium using a two-photon absorption material, a method of reading with fluorescence using a fluorescent substance for recording and reproduction (refer to JP-A-2001-524245 and JP-A-2000-512061), photochromic compounds A method of using and reading with absorption or fluorescence (refer to Japanese Patent Publication No. 2001-522119 and Japanese Patent Publication No. 2001-508221) has been proposed.
However, none of these proposals provide a specific two-photon absorption material, and the two-photon absorption compounds presented abstractly use two-photon absorption compounds with extremely low two-photon absorption efficiency. ing.
Further, since the photochromic compounds used in these prior art documents are reversible materials, there are problems in nondestructive reading, long-term storage stability of recording, S / N ratio of reproduction, and the like, which are practical as optical recording media. It cannot be said that it is a method. In particular, in terms of nondestructive reading, long-term storage stability of recording, etc., it is preferable to reproduce by changing the reflectance (refractive index or absorptance) or emission intensity using an irreversible material, but a two-photon having such a function. There was no example that specifically disclosed the absorbent material.
また、特開平6−28672号公報及び特開平6−118306号公報には、屈折率変調により三次元的に記録する記録装置、及び再生装置、読み出し方法等が開示されているが、二光子吸収三次元光記録材料を用いた方法についての記載はない。 JP-A-6-28672 and JP-A-6-118306 disclose a recording apparatus, a reproducing apparatus, a reading method, and the like that three-dimensionally records by refractive index modulation. There is no description of a method using a three-dimensional optical recording material.
以上に述べたように、非共鳴二光子吸収により得た励起エネルギーを用いて反応を起こし、その結果レーザー焦点(記録)部と非焦点(非記録)部で光を照射した際の発光強度を書き換えできない方式で変調することができれば、三次元空間の任意の場所に極めて高い空間分解能で発光強度変調を起こすことができ、究極の高密度記録媒体と考えられる三次元光記録媒体への応用が可能となる。更に、非破壊読み出しが可能で、かつ不可逆材料であるため良好な保存性も期待でき実用的である。
しかし、現時点で利用可能な二光子吸収化合物では、二光子吸収能が低いため、光源としては非常に高出力のレーザーが必要で、かつ記録時間も長くかかる。特に三次元光記録媒体に使用するためには、速い転送レート達成のために、高感度にて発光能の違いによる記録を二光子吸収により行うことができる材料の構築が必須である。そのためには、高効率に二光子を吸収し励起状態を生成することができる二光子吸収化合物と、二光子吸収化合物励起状態を用いて何らかの方法にて二光子吸収光記録材料の発光能の違いを効率的に形成できる記録成分を含む材料が有力であるが、そのような材料は今までほとんど開示されておらず、そのような材料の構築が望まれている。
また、小型で安価な二光子吸収三次元光記録システムを実現するためには、二光子吸収により光機能(吸収スペクトル、屈折率、偏光状態の変化、蛍光特性)を効率よく誘発させて記録し、同一波長の再生光で再生できる二光子吸収材料が有力であるが、それを実現できる具体的な材料例、及び光記録再生技術は開示されていない。
As described above, the reaction is caused using the excitation energy obtained by non-resonant two-photon absorption, and as a result, the emission intensity when light is irradiated at the laser focus (recording) part and the non-focus (non-recording) part. If modulation is possible with a method that cannot be rewritten, it is possible to cause emission intensity modulation with extremely high spatial resolution in any place in three-dimensional space, and it can be applied to three-dimensional optical recording media that are considered to be the ultimate high-density recording medium. It becomes possible. Furthermore, non-destructive reading is possible, and since it is an irreversible material, good storage stability can be expected and it is practical.
However, the currently available two-photon absorption compounds have a low two-photon absorption capability, so that a very high-power laser is required as a light source and a long recording time is required. In particular, in order to use it in a three-dimensional optical recording medium, it is essential to construct a material that can perform recording with a high sensitivity and a difference in luminous ability by two-photon absorption in order to achieve a high transfer rate. For that purpose, the difference between the two-photon absorption compound that can absorb two-photons with high efficiency and generate an excited state, and the two-photon absorption optical recording material using a two-photon absorption compound excited state in some way. A material containing a recording component that can efficiently form a thin film is effective, but such a material has hardly been disclosed so far, and it is desired to construct such a material.
Also, in order to realize a small and inexpensive two-photon absorption three-dimensional optical recording system, recording is performed by efficiently inducing optical functions (absorption spectrum, refractive index, change in polarization state, fluorescence characteristics) by two-photon absorption. A two-photon absorption material that can be reproduced with reproduction light of the same wavelength is promising, but a specific material example and optical recording / reproduction technology that can realize this are not disclosed.
ここで、三次元多層光メモリの好ましい実施形態(具体例)を示すが、本発明はこれらの実施形態により何ら限定されず、三次元記録(平面及び膜厚方向に記録)が可能な構造であれば、他にどのような構造であっても構わない。三次元多層光メモリの記録/再生のシステム概略図を図2左図(a)に、記録媒体の概略断面図を図2右図(b)に示す。
図2右図(b)の光記録媒体においては、平らな支持体(基板1)に本発明の二光子吸収化合物を用いた記録層と、クロストーク防止用の中間層(保護層)が交互に50層ずつ積層され、各層はスピンコート法により成膜されている。
前記記録層の厚さは0.01μm〜0.5μmが好ましく、前記中間層の厚さは0.1μm〜5μmが好ましい。この構造であれば、現在普及しているCD/DVDと同じディスクサイズで、テラバイト級の超高密度光記録が実現できる。更にデータの再生方法(透過/或いは反射型)により、基板1と同様の基板2(保護層)、或いは高反射率材料からなる反射層が構成される。
Here, preferred embodiments (specific examples) of the three-dimensional multilayer optical memory are shown. However, the present invention is not limited to these embodiments, and may have a structure capable of three-dimensional recording (recording in a plane and a film thickness direction). Any other structure may be used. A schematic diagram of the recording / reproducing system of the three-dimensional multilayer optical memory is shown in FIG. 2 (a), and a schematic sectional view of the recording medium is shown in the right diagram (b) of FIG.
In the optical recording medium of FIG. 2 (b), a recording layer using the two-photon absorption compound of the present invention on a flat support (substrate 1) and an intermediate layer (protective layer) for preventing crosstalk alternate. 50 layers are stacked on each other, and each layer is formed by spin coating.
The thickness of the recording layer is preferably 0.01 μm to 0.5 μm, and the thickness of the intermediate layer is preferably 0.1 μm to 5 μm. With this structure, it is possible to realize terabyte-class ultrahigh-density optical recording with the same disk size as the currently popular CD / DVD. Further, a substrate 2 (protective layer) similar to the substrate 1 or a reflective layer made of a highly reflective material is formed by a data reproduction method (transmission / or reflection type).
記録時は単一ビームが使用され、この場合フェムト秒オーダーの超短パルス光を利用することができる。また再生時は、データ記録に使用するビームとは異なる波長、或いは低出力の同波長の光を用いることもできる。記録及び再生は、ビット単位/ページ単位のいずれにおいても実行可能であり、面光源や二次元検出器等を利用する並行記録/再生は、転送レートの高速化に有効である。
なお、本発明に従い同様に形成される三次元多層光メモリの形態としては、カード状、プレート状、テープ状、ドラム状等が挙げられる。
A single beam is used at the time of recording, and in this case, ultrashort pulse light of femtosecond order can be used. At the time of reproduction, it is also possible to use light having a wavelength different from that of the beam used for data recording or light of the same wavelength with low output. Recording and playback can be performed in either bit units or page units, and parallel recording / playback using a surface light source, a two-dimensional detector, or the like is effective in increasing the transfer rate.
Note that examples of the form of the three-dimensional multilayer optical memory similarly formed according to the present invention include a card form, a plate form, a tape form, and a drum form.
なお、三次元多層光記録媒体の任意の層に焦点を合わせ、記録及び再生を実施することで、本発明の三次元光記録媒体として機能する。また、層間を保護層(中間層)で区切っていなくても、二光子吸収色素特性から深さ方向の三次元記録が可能である。 In addition, it functions as the three-dimensional optical recording medium of the present invention by focusing on an arbitrary layer of the three-dimensional multilayer optical recording medium and performing recording and reproduction. Further, even if the layers are not separated by a protective layer (intermediate layer), three-dimensional recording in the depth direction is possible from the two-photon absorption dye characteristics.
本発明によれば、二光子吸収により高感度に光機能を誘発し、かつ同一波長の検出光でその変化が検出可能な二光子吸収材料、及びその光機能の付与及び検出方法が実現でき、小型で安価なレーザーを使った実用用途(三次元メモリ材料など)が実現可能となる。
また、本発明の前記二光子吸収材料を三次元光メモリ材料として用い、二光子波長を記録及び再生波長とすることにより、同一波長による二光子吸収光記録、再生が可能な三次元光メモリが実現可能となる。
According to the present invention, it is possible to realize a two-photon absorption material that induces an optical function with high sensitivity by two-photon absorption and can detect the change with detection light of the same wavelength, and a method for imparting and detecting the optical function, Practical applications (three-dimensional memory materials, etc.) using small and inexpensive lasers can be realized.
In addition, by using the two-photon absorption material of the present invention as a three-dimensional optical memory material and using the two-photon wavelength as the recording and reproduction wavelength, a three-dimensional optical memory capable of recording and reproducing two-photon absorption light at the same wavelength can be realized. It becomes.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
下記構造式(A)で表されるジアザポルフィリン誘導体のテトラヒドロフラン溶液を調製し、以下に示す二光子吸収断面積の評価方法により、その二光子吸収断面積を測定した。結果を表1に示す。
A tetrahydrofuran solution of a diazaporphyrin derivative represented by the following structural formula (A) was prepared, and the two-photon absorption cross section was measured by the following two-photon absorption cross section evaluation method. The results are shown in Table 1.
<二光子吸収断面積の測定方法>
二光子吸収断面積の測定システムの概略図を図5に示す。
・測定光源:フェムト秒チタンサファイアレーザ(波長:720nm〜920nm、パルス幅:100fs、繰り返し:80MHz、光パワー:800mW)
・測定方法:Zスキャン法(光源波長:780nm〜900nm、キュベット内径:1mm、測定光パワー:約500mW、繰り返し周波数:80MHz、対物レンズ:f=75mm、集光径:〜40μm)
・集光されている光路部分に試料溶液を充填した石英セルを置き、その位置を光路に沿って移動させることによりZ−scan測定を実施した。
<Measurement method of two-photon absorption cross section>
A schematic diagram of a two-photon absorption cross-section measurement system is shown in FIG.
Measurement light source: femtosecond titanium sapphire laser (wavelength: 720 nm to 920 nm, pulse width: 100 fs, repetition: 80 MHz, optical power: 800 mW)
Measurement method: Z scan method (light source wavelength: 780 nm to 900 nm, cuvette inner diameter: 1 mm, measurement light power: about 500 mW, repetition frequency: 80 MHz, objective lens: f = 75 mm, condensing diameter: ˜40 μm)
A Z-scan measurement was performed by placing a quartz cell filled with a sample solution in the focused optical path portion and moving the position along the optical path.
透過率を測定し、その結果から、下記理論式(I)により非線形吸収係数を求めた。
T=[ln(1+I0L0β)]/I0L0β ・・・・ (I)
ただし、前記理論式(I)中、Tは透過率(%)、I0は励起光密度[GW/cm2]、L0は試料セル長[cm]、βは非線形吸収係数[cm/GW]を表す。
The transmittance was measured, and the nonlinear absorption coefficient was determined from the result by the following theoretical formula (I).
T = [ln (1 + I0L0β)] / I0L0β (I)
In the theoretical formula (I), T is transmittance (%), I0 is excitation light density [GW / cm 2 ], L0 is sample cell length [cm], and β is nonlinear absorption coefficient [cm / GW]. Represent.
求めた非線形吸収係数から、下記式(II)により二光子吸収断面積σ2を求めた。
σ2=1000×hνβ/NACβ ・・・・ (II)
ただし、前記式(II)中、σ2の単位は1GM=1×10−50cm4・s・photon−1であり、hはプランク定数[J・s]、νは入射レーザー光の振動数[s−1]、NAはアボガドロ数、Cは溶液濃度[mol/L]を示す。
The two-photon absorption cross section σ2 was determined from the determined nonlinear absorption coefficient by the following formula (II).
σ2 = 1000 × hνβ / NACβ (II)
In the formula (II), the unit of σ2 is 1GM = 1 × 10 −50 cm 4 · s · photon −1 , h is Planck's constant [J · s], and ν is the frequency of incident laser light [ s −1 ], NA is Avogadro's number, and C is the solution concentration [mol / L].
次に、上記構造式(A)で表される化合物と、ポリスチレン(重量平均分子量=2,000)とを質量比1/1で混合したテトラヒドロフラン溶液を調製し、石英基板上にスピンコートして、厚み約1μmの薄膜を作製した。得られた薄膜について、以下のようにして、吸収スペクトル、蛍光強度及びその光学定数(屈折率(n)及び衰消係数(k))を測定した。結果を表2及び図6に示す。
更に、この薄膜を光劣化(キセノンランプ50,000lux、50時間放置)及び熱劣化(120℃、150時間放置)させた後、同様に吸収スペクトル、蛍光強度及び光学定数(屈折率(n)及び衰消係数(k))を測定した。結果を図6及び表2に示す。
Next, a tetrahydrofuran solution in which the compound represented by the structural formula (A) and polystyrene (weight average molecular weight = 2,000) are mixed at a mass ratio of 1/1 is prepared, and spin coated on a quartz substrate. A thin film having a thickness of about 1 μm was prepared. About the obtained thin film, the absorption spectrum, fluorescence intensity, and its optical constant (refractive index (n) and extinction coefficient (k)) were measured as follows. The results are shown in Table 2 and FIG.
Further, after the thin film was photo-degraded (xenon lamp 50,000 lux, left for 50 hours) and thermally deteriorated (120 ° C., left for 150 hours), the absorption spectrum, fluorescence intensity and optical constant (refractive index (n) and The extinction coefficient (k)) was measured. The results are shown in FIG.
<吸収スペクトルの測定>
吸収スペクトルは分光光度計で測定した。
<蛍光強度の測定>
蛍光強度は蛍光光度計で測定した。
<光学定数(屈折率(n)及び衰消係数(k))の測定>
屈折率(n)及び衰消係数(k)は、分光エリプソメトリ法で測定した。
<Measurement of absorption spectrum>
The absorption spectrum was measured with a spectrophotometer.
<Measurement of fluorescence intensity>
The fluorescence intensity was measured with a fluorometer.
<Measurement of optical constant (refractive index (n) and extinction coefficient (k))>
The refractive index (n) and extinction coefficient (k) were measured by spectroscopic ellipsometry.
表1の、最も大きな二光子吸収を示す二光子励起波長とその二光子吸収断面積の測定結果と、図6の吸収スペクトルから、上記構造式(A)で表される化合物が本発明の光学特性を有する二光子材料であることが分かった。
また、図6及び表2の結果から、吸収スペクトル変化及び蛍光強度変化(相対値)と光学定数変化は、二光子吸収材料の初期値と、二光子吸収により得られたエネルギーで分解し生成されると想定される物質との光学特性変化を示し、その変化が二光子励起波長(同一波長)で検出可能なことを示す。
From the measurement results of the two-photon excitation wavelength and the two-photon absorption cross section showing the largest two-photon absorption in Table 1, and the absorption spectrum of FIG. 6, the compound represented by the structural formula (A) is an optical compound of the present invention. It was found to be a two-photon material with properties.
Further, from the results of FIG. 6 and Table 2, the absorption spectrum change, the fluorescence intensity change (relative value), and the optical constant change are generated by decomposing with the initial value of the two-photon absorption material and the energy obtained by the two-photon absorption. This shows a change in optical characteristics with the assumed substance, and that the change can be detected at the two-photon excitation wavelength (same wavelength).
(実施例2)
下記構造式(B)で表されるテトラアザポルフィリン誘導体について実施例1と同様の評価を行った。二光子吸収断面積の測定結果を表1に、吸収スペクトル変化を図7に、蛍光強度変化(相対値)と光学定数変化の結果を表2に示す。
Evaluation similar to Example 1 was performed about the tetraaza porphyrin derivative represented by the following structural formula (B). The measurement results of the two-photon absorption cross section are shown in Table 1, the absorption spectrum change is shown in FIG. 7, and the fluorescence intensity change (relative value) and the optical constant change are shown in Table 2.
(実施例3)
下記構造式(C)で表されるポルフィリン誘導体について実施例1と同様の評価を行った。二光子吸収断面積の測定結果を表1に、吸収スペクトル変化を図7に、蛍光強度変化(相対値)変化と光学定数変化を表2に示す。
Evaluation similar to Example 1 was performed about the porphyrin derivative represented by following Structural formula (C). The measurement results of the two-photon absorption cross section are shown in Table 1, the absorption spectrum change is shown in FIG. 7, and the fluorescence intensity change (relative value) change and the optical constant change are shown in Table 2.
(実施例4)
構造式(D)で表されるアヌレノン誘導体について実施例1と同様の評価を行った。二光子吸収断面積の測定結果を表1に、蛍光強度変化(相対値)と光学定数変化を表2に示す。
Evaluation similar to Example 1 was performed about the anurenone derivative represented by Structural formula (D). The measurement results of the two-photon absorption cross section are shown in Table 1, and the fluorescence intensity change (relative value) and the optical constant change are shown in Table 2.
(比較例1)
従来の材料として、下記構造式(E)で表されるジアリルエテン誘導体について実施例1と同様の評価を行った。二光子吸収断面積の測定結果を表1に示す。
As a conventional material, the same evaluation as in Example 1 was performed on a diallylethene derivative represented by the following structural formula (E). Table 1 shows the measurement results of the two-photon absorption cross section.
(比較例2)
大きな二光子吸収断面積を有する材料として、下記構造式(F)で表されるスチリル誘導体について実施例1と同様の評価を行った。二光子吸収断面積の測定結果を表1に、蛍光強度変化(相対値)と光学定数変化を表2に示す。
As a material having a large two-photon absorption cross section, the same evaluation as in Example 1 was performed on a styryl derivative represented by the following structural formula (F). The measurement results of the two-photon absorption cross section are shown in Table 1, and the fluorescence intensity change (relative value) and the optical constant change are shown in Table 2.
なお、光学特性変化量は、当然分解率に依存し、分解率は加速劣化条件(レーザ照射条件に対応)に依存する。
表2の結果から、実施例1〜4は、大きな二光子吸収断面積を有する比較例2(△n〜0、短波長域で発光し二光子励起波長では蛍光検出できない)よりも大きな光学特性変化を示すことが分かった。 From the results in Table 2, Examples 1 to 4 have larger optical properties than Comparative Example 2 (Δn to 0, which emits light in a short wavelength region and cannot detect fluorescence at a two-photon excitation wavelength) having a large two-photon absorption cross section. It turned out to show a change.
本発明の二光子吸収材料は、二光子吸収により高感度に光機能を誘発し、かつ同一波長の検出光でその変化(衰消係数変化、屈折率変化、蛍光強度)が検出可能であり、二光子励起波長を記録及び再生波長とすることにより、同一波長による光記録、再生が可能となり、例えば三次元光メモリ材料、三次元光メモリシステム、発光素子、光電変換素子などの用途に好適に用いられる。 The two-photon absorption material of the present invention induces an optical function with high sensitivity by two-photon absorption, and the change (extinction coefficient change, refractive index change, fluorescence intensity) can be detected with detection light having the same wavelength, By using the two-photon excitation wavelength as the recording and reproducing wavelength, it becomes possible to perform optical recording and reproduction at the same wavelength, and is suitably used for applications such as a three-dimensional optical memory material, a three-dimensional optical memory system, a light emitting element, and a photoelectric conversion element. .
1 基板
2 基板
1 substrate 2 substrate
Claims (10)
二光子吸収により前記第二の線形吸収帯の光学特性が変化し、
前記光学特性が、衰消係数、屈折率、蛍光強度及び蛍光波長の少なくともいずれかであり、
前記光学特性の変化が、二光子吸収励起波長で検出又は再生可能であることを特徴とする二光子吸収材料。 It possesses a first linear absorption band at the maximum absorption wavelength near the two-photon absorption, and a second linear absorption band having a maximum at the longer wavelength range than said first linear absorption band, azaanulene compound, annulene A two-photon absorption material selected from either a compound or an anurenone compound ,
Two-photon absorption changes the optical properties of the second linear absorption band,
The optical properties,衰消coefficient, refractive index state, and are at least one of fluorescence intensity and fluorescence wavelength,
The change in optical properties, two-photon absorption material characterized detectable or renewable der Rukoto in two-photon absorption excitation wavelength.
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