JPH05107574A - 有機非線形光学材料 - Google Patents

有機非線形光学材料

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JPH05107574A
JPH05107574A JP4705591A JP4705591A JPH05107574A JP H05107574 A JPH05107574 A JP H05107574A JP 4705591 A JP4705591 A JP 4705591A JP 4705591 A JP4705591 A JP 4705591A JP H05107574 A JPH05107574 A JP H05107574A
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JP
Japan
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group
nonlinear optical
optical material
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organic nonlinear
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JP4705591A
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Tsuneaki Koike
池 恒 明 小
Hideo Hama
秀 雄 浜
Toru Yamanaka
中 徹 山
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Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Original Assignee
Mitsui Petrochemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】一般式(I) 【化1】 で表わされる有機化合物からなる有機非線形光学材料お
よび該材料を含む有機非線形光学素子。 【効果】前記有機非線形光学材料は優れた非線形光学効
果を有し、光波長変換素子、電気光学素子などの有機非
線形光学素子に応用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は、光情報通信もしくは光情
報処理などの分野で用いられる有機非線形光学材料およ
びこれを用いた光波長変換素子、電気光学素子などの非
線形光学素子に関する。
【0002】
【発明の技術的背景】光情報通信もしくは光情報処理な
どの分野では、最近、有機非線形光学材料が注目されて
いる。この非線形光学材料とは、レーザー光を任意の波
長の光に変換したり、電圧の印加により屈折率が変化し
たりするなどの非線形光学効果を示す材料を意味し、な
かでもレーザー光をその1/2の波長の光にする(第2
高調波発振)効果を有する2次の有機非線形光学材料が
1983年の報告(ACS Symposium Series 233(1983))
以来、無機材料を凌駕する性能を示す材料として注目さ
れている。
【0003】このような2次の有機非線形光学材料とし
ては、たとえば、芳香族環、ドナー性置換基およびアク
セプター性置換基を有し、芳香族環のπ電子がドナー性
置換基およびアクセプター性置換基により分子内で分極
した構造の材料が挙げられる。この種の材料は、π電子
部位で非線形光学性が生じるため、非線形光学応答性が
極めて高くなると考えられている。
【0004】ところが、高い非線形光学応答性が期待さ
れるパラニトロアニリンは、光波長変換素子、電気光学
素子などの非線形光学素子として実用上不可欠な単結晶
状態にすると、隣接する2分子が互いに反転した構造を
とり、このため非線形光学性が失われる。このように有
機非線形光学材料は、隣接分子同士が中心対称となる
と、非線形光学性が失われる傾向がある。このため、こ
のような隣接分子同士の対称性を無くす置換基や光学活
性を付与する置換基などを導入した有機化合物の合成が
行われている。たとえばこのようにして合成された2−
メチル−4−ニトロアニリンは、高い非線形光学性を示
すことが明らかにされている。
【0005】有機非線形光学材料は、分子内分極率が高
くなるにしたがって非線形光学性が高くなるが、分子内
での分極が高すぎると電荷移動が起こり、このため材料
の透明性が失われる。同時に、第2次高調波の波長と有
機非線形光学材料の最大吸収波長λmax とが合致して第
2次高調波が効率よく取り出せなくなる。
【0006】さらに有機非線形光学材料を得るために、
直線状分子、たとえばスチルベンなどの分子の両端に高
いアクセプター性を有するニトロ基と高いドナー性を有
するアミノ基とが導入されている。しかしながら、この
ようにして得られた材料は、その隣接分子同士が中心対
称になり易い上、透明性がよくないなどの問題を有す
る。
【0007】これらの問題を解決するために、分子内の
π電子共役系の長さを限定したり、芳香族環内にヘテロ
原子を導入するなどの方法が試みられているが、根本的
な解決策は見出されていない。
【0008】
【発明の目的】本発明は上記のような事情に鑑みてなさ
れたものであって、隣接分子同士が中心対称になり難
く、透明性に優れ、しかも良好な非線形光学性を示す新
規な有機非線形光学材料およびこのような有機非線形光
学材料が用いられている波長変換素子、電気光学素子な
どの非線形光学素子を提供することを目的としている。
【0009】
【発明の概要】本発明の有機非線形光学材料は、下記一
般式(I) (A)i−Φ1(R1j−NR2−CO−Φ2−(R3k …(I) (式中、Aはアクセプター性置換基であり、Φ1および
Φ2は、いずれか一方がヘテロ環であり、他方が芳香族
環またはヘテロ環であり、R1〜R3はそれぞれ独立して
水素原子またはアルキル基、アリール基、アラルキル基
およびアルキルオキシ基からなる群より選ばれる基であ
り、i〜kは1以上の整数である。)で表わされる有機
化合物からなることを特徴としている。
【0010】また本発明の波長変換素子は、このような
有機非線形光学材料からなることを特徴としている。
【0011】
【発明の具体的説明】以下、本発明に係る有機非線形光
学材料について、具体的に説明する。本発明の有機非線
形光学材料は、上記式(I)で表わされる化合物からな
り、Φ1にアクセプター性置換基Aが結合することによ
ってΦ1の分極が生じ、式(I)で表わさる化合物全体
の分極が促進される。
【0012】このようなアクセプター性置換基Aは、ハ
メット値σが 0<σ<0.8 の範囲にあることが好ましい。このような置換基を具体
的に例示すると、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメ
チル基、トリフルオロメチルメトキシ基、トリフルオロ
メチルチオ基、カルバモイル基、ニトロソ基、シアナト
基、チオシアナト基、イソシアナト基、ホルミル基、あ
るいはハロゲン化アルコキシカルボニル基、アセチル
基、プロピノイル基、ハロゲン化アシル基、スルフォ
基、スルフィノ基、スルフェノ基、ハロゲン原子などが
挙げられる。この内ニトロ基またはシアノ基が好まし
い。
【0013】アクセプター性置換基Aは、Φ1に1個ま
たは複数個結合しており、複数個のAがΦ1に結合して
いる場合には、それぞれのAは互いに同一であっても異
なっていてもよい。
【0014】このようなアクセプター性置換基Aは、Φ
1の分極が促進されるように、Φ1に結合していることが
好ましい。たとえばΦ1がベンゼン環である場合には、
アクセプター性置換基Aは、−NR2CO−結合(アミ
ド結合)に対してパラ位でΦ1に結合していることが好
ましく、またアクセプター性置換基Aが複数個ある場合
には、上記のようなアミド結合に対してパラ位およびメ
タ位でΦ1に結合していることが好ましい。
【0015】上記式(I)におけるΦ1およびΦ2は、い
ずれか一方がヘテロ環であり、他方が芳香族環またはヘ
テロ環であり、芳香族環の内ではベンゼン環が好まし
く、またヘテロ環の内では複素5員環または複素6員環
が好ましく、特に複素5員環が好ましい。これらの芳香
族環またはヘテロ環が電子共鳴の場を提供し、これらの
環によって非線形光学効果が有効に発揮されるようにな
る。Φ1およびΦ2に用いられる芳香族環またはヘテロ環
を具体的に例示すると、下記の通りである。
【0016】
【化1】
【0017】
【化2】
【0018】
【化3】
【0019】また上記(I)式におけるR1〜R3はそれ
ぞれ独立して水素原子またはアルキル基、アリール基、
アラルキル基およびアルキルオキシ基からなる群より選
ばれる基である。このうちのR1およびR3は、アルキル
基、特にそれぞれがメチル基またはエチル基であること
が好ましい。
【0020】上記のアルキル基は、直鎖状であっても分
岐していてもよく、炭素数が1〜6であり、好ましくは
炭素数が1〜3である。このようなアルキル基として
は、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基な
どの直鎖状アルキル基、イソプロピル基、sec-ブチル
基、sec-アミル基などの2級アルキル基、tert- ブチル
基、tert- アミル基などの3級アルキル基が挙げられ
る。
【0021】上記のアリール基は、置換基を有していて
もよい。このようなアリール基としては、具体的には、
フェニル基、ナフチル基、トリル基、キシリル基などが
挙げられる。
【0022】上記アラルキル基としては、具体的にはベ
ンジル基、フェネチル基、α- メチルベンジル基、トリ
ルメチル基などが挙げられる。上記のアルキルオキシ基
は、直鎖状であっても分岐していてもよく、炭素数が1
〜8であり、好ましくは炭素数が1〜6である。このよ
うなアルキル基としては、具体的には、メチルオキシ
基、エチルオキシ基、n-プロピルオキシ基、n-ブチルオ
キシ基などの直鎖状アルキルオキシ基、イソプロピルオ
キシ基、sec-ブチルオキシ基、sec-アミルオキシ基など
の2級アルキルオキシ基、tert- ブチルオキシ基、tert
- アミルオキシ基などの3級アルキル基が挙げられる。
【0023】上記のような化合物では、隣接分子同士が
中心対称にならないような位置にR 1および/またはR3
が配置されていることが好ましい。たとえばΦ1および
Φ2がベンゼン環の場合には、R1がアミド結合に対して
オルト位でΦ1に結合されているとともにR3がアミド結
合に対してメタ位でΦ2に結合されているか、もしくは
1がアミド結合に対してメタ位でΦ1に結合されている
とともにR3がアミド結合に対してオルト位でΦ2に結合
されていることが好ましい。この場合、2個のR1がそ
れぞれアミド結合に対してオルト位でΦ1に結合されて
いるか、もしくは2個のR3がそれぞれアミド結合に対
してオルト位でΦ2に結合されていてもよい。なおΦ1
複数のR1が結合している場合、それぞれのR1は互いに
同一であっても異なっていてもよく、Φ2に複数のR3
結合している場合、それぞれのR3は互いに同一であっ
ても異なっていてもよい。
【0024】さらにR2 は、光学活性基であることが好
ましい。R2 が光学活性基であると分子の対称性が崩
れ、単結晶を作製した場合、隣接分子同士が中心対称と
なり難く、非線形性が効果的に保持される。ここで、光
学活性基とは不整炭素を有する基、たとえば1つの炭素
原子に3つの異なる基、メチル基、エチル基、水素原子
が結合している置換基を意味する。
【0025】また、前記式(I)で表わされる化合物
は、少なくとも1つの重水素を有することが好ましい。
以上のような式(I)で表わされる化合物としては、具
体的には、以下の化合物が例示される。
【0026】
【化4】
【0027】
【化5】
【0028】
【化6】
【0029】
【化7】
【0030】
【化8】
【0031】上記(I)で表わされる化合物としては、
特に上記化学式(13)で表わされるN−(5−ニトロ
チアゾリル)−4’−メトキシベンズアミドが好まし
い。このようなアミド誘導体は、Φ1骨格を有するアミ
ン誘導体と、Φ2骨格を有する酸クロライドとを等モル
以上の塩基の存在下で縮合反応を行なうことによって得
ることができる。
【0032】この反応に用いられる塩基としては、ピリ
ジン、メチルアミン、エチルアミンなどを挙げることが
でき、特にピリジンが好ましい。前記アミド誘導体は、
次式の反応式をへて合成される。
【0033】
【化9】
【0034】上記反応式から明らかなように、アミン誘
導体と酸クロライドとの縮合の際にHClが生じ、反応
を進めるためにはこのHClの中和が必要であり、通
常、アミン誘導体あるいは酸クロライド1モルに対して
1.0〜5モル、好ましくは2〜5モルの塩基が用いら
れる。
【0035】また、この反応は、通常、液相で行なわれ
る。この反応の際には、原料として用いられるアミン誘
導体および酸クロライド、さらに生成するアミド誘導体
に対して化学的に不活性であり、かつ、原料として用い
られるアミン誘導体および酸クロライドを溶解する溶剤
が用いられる。このような溶剤としては、たとえば、芳
香族炭化水素系溶剤、脂肪族飽和炭化水素系溶剤、脂肪
族飽和ハロゲン化炭化水素系溶剤、脂肪族不飽和炭化水
素系溶剤、エーテル系溶剤などの各種溶剤が用いられ、
特にジクロロメタン、THFが好ましい。これらの溶剤
は、単独にて、あるいは2種類以上の混合物として用い
られる。
【0036】上記反応は、通常、−20〜100℃、好
ましくは0〜50℃の温度範囲で行なわれる。また、こ
の反応は減圧下から、通常、60kg/cm2の加圧下
で行なうことができるが、0〜30kg/cm2、特に
0〜5kg/cm2の加圧下で行なうことが好ましい。
反応時間は、反応温度、圧力条件などの応じて適宜設定
され、特に限定されないが、通常、5〜100時間であ
り、好ましくは1〜10時間である。
【0037】さらに上記反応は、通常、たとえばアルゴ
ンや窒素などの不活性雰囲気下で行なわれる。本発明に
係る有機非線形光学材料は、上記のような式(I)で表
わされる化合物からなり、結晶化状態で用いられる。
【0038】このような式(I)で表わされる化合物の
結晶は、単結晶であることが好ましいが、似たような結
晶構造を有する他の成分との共晶であってもよい。
【0039】
【発明の効果】上述したように本発明に係る有機非線形
光学材料は、前記式(I)で表わされる有機化合物から
なり、Φ1環およびΦ2環によって共鳴の場が与えられ、
A、R 1ないしR3によって分子分極および分子配列がバ
ランスよく制御され、隣接分子同士が中心対称とならな
いので、優れた非線形光学効果を有する。
【0040】このため発明に係る有機非線形光学材料
は、2次の非線形光学効果を利用した光波長変換素子、
電気光学素子などの非線形光学素子への応用に好適であ
る。
【0041】
【実施例】以下、本発明をさらに具体的な実施例に基づ
き説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもの
ではない。
【0042】
【実施例1】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlとp-ニトロアニリン1.38gを入れる。室
温で攪拌して、さらにピリジン4ccを加えた後、p-メト
キシベンゾイルクロライド1.7ccを滴下ロートからゆ
っくりと滴下する。ただちに黄色沈澱が析出した。12
時間室温で攪拌した後、薄層クロマトで反応終了を確認
してから、加水分解してのち油層を分離、炭酸水素ナト
リウム水溶液で洗浄し、水層をジクロロメタンで抽出
し、油層をあわせて、真空乾燥した。その後テトラヒド
ロフラン/ヘキサンで再沈澱を行なって、前記化学式
(1)で表されるN-(4- ニトロフェニル)-4-メトキシベ
ンズアミド2.5gを得た。
【0043】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度を測定したところ、SHG強度は優れたも
のであった。
【0044】
【実施例2】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと2-メチル-4- ニトロアニリン1.52gを
入れる。室温で攪拌して、さらにピリジン5ccを加えた
後、p-メトキシベンゾイルクロライド1.7ccを滴下ロ
ートからゆっくりと滴下する。ただちに黄色沈澱が析出
した。12時間室温で攪拌した後、薄層クロマトで反応
終了を確認してから、加水分解してのち油層を分離、炭
酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、水層をジクロロメタ
ンで抽出し、油層をあわせて、真空乾燥した。その後テ
トラヒドロフラン/ヘキサンで再沈澱を行なって、前記
化学式(2)で表されるN-(2- メチル-4- ニトロフェニ
ル)-4-メトキシベンズアミド2.6gを得た。
【0045】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度を測定したところ、SHG強度は優れたも
のであった。
【0046】
【実施例3】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと2-アミノ-5- ニトロチアゾール1.45g
を入れる。室温で攪拌して、さらにピリジン5ccを加え
た後、p-メトキシベンゾイルクロライド1.7ccを滴下
ロートからゆっくりと滴下する。反応進行とともに黄色
沈澱が析出した。12時間室温で攪拌した後、薄層クロ
マトで反応終了を確認してから、水を入れたビーカーに
入れ、沈澱物を分離、濾過し、炭酸水素ナトリウム水溶
液で洗浄したのち、得られた沈澱物を真空乾燥した。そ
の後テトラヒドロフラン/ヘキサンで再沈澱を行なっ
て、前記化学式(3)で表されるN-(5- ニトロ-2- チア
ゾリル)-4-メトキシベンズアミド0.8gを得た。
【0047】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度測定を行なった。入力はYAGレーザーを
用いた。SHG強度を尿素に対して比較した結果、1.
1倍であった。
【0048】
【実施例4】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと2-ヒドロキシ-5- ニトロアニリン1.54
gを入れる。室温で攪拌して、さらにピリジン5ccを加
えた後、p-メトキシベンゾイルクロライド1.7ccを滴
下ロートからゆっくりと滴下する。反応進行とともに黄
色沈澱が析出した。12時間室温で攪拌した後、薄層ク
ロマトで反応終了を確認してから、加水分解してのち油
層を分離、炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、水層を
ジクロロメタンで抽出し、油層をあわせて、真空乾燥し
た。その後テトラヒドロフラン/ヘキサンで再沈澱を行
なって、前記化学式(4)で表されるN-(2- ヒドロキシ
-4- ニトロフェニル)-4-メトキシベンズアミド2.0g
を得た。
【0049】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度を測定したところ、SHG強度は優れたも
のであった。
【0050】
【実施例5】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと2-メトキシ-5- ニトロアニリン1.54g
を入れる。室温で攪拌して、さらにピリジン5ccを加え
た後、p-メトキシベンゾイルクロライド1.7ccを滴下
ロートからゆっくりと滴下する。反応進行とともに黄色
沈澱が析出した。12時間室温で攪拌した後、薄層クロ
マトで反応終了を確認してから、加水分解してのち油層
を分離、炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、水層をジ
クロロメタンで抽出し、油層をあわせて、真空乾燥し
た。その後テトラヒドロフラン/ヘキサンで再沈澱を行
なって、前記化学式(5)で表されるN-(2- メトキシ-4
- ニトロフェニル)-4-メトキシベンズアミド2.5gを
得た。
【0051】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度を測定したところ、SHG強度は優れたも
のであった。
【0052】
【実施例6】100mlの3つ口フラスコにテトラヒドロ
フラン100mlと2-アミノ-5- ニトロチアゾール1.4
5gを入れる。室温で攪拌して、さらにピリジン5ccを
加えた後、あらかじめジクロロメタンに溶解させたβ−
ナフトイルクロライド1.9gを滴下ロートからゆっく
りと滴下する。反応進行とともに黄色沈澱が析出した。
12時間室温で攪拌した後、薄層クロマトで反応終了を
確認してから、水を入れたビーカーに注ぎ沈澱物を分
離、濾過炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、水層をジ
クロロメタンで抽出し、油層をあわせて、真空乾燥し
た。その後テトラヒドロフラン/ヘキサンで再沈澱を行
なって、前記化学式(6)で表されるN-(5-ニトロ-2-
チアゾリル) ナフタレンカルボキサミド1.91gを得
た。
【0053】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度測定を行なった。入力はYAGレーザーを
用いた。SHG強度を尿素に対して比較した結果、9.
7倍であった。
【0054】
【実施例7】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと4-ニトロアニリン1.5gを入れる。室温
で攪拌して、さらにピリジン5ccを加えた後、あらかじ
めジクロロメタンに溶解させたβ−ナフトイルクロライ
ド1.9gを滴下ロートからゆっくりと滴下する。反応
進行とともに黄色沈澱が析出した。12時間室温で攪拌
した後、薄層クロマトで反応終了を確認してから、加水
分解してのち油層を分離、炭酸水素ナトリウム水溶液で
洗浄し、水層をジクロロメタンで抽出し、油層をあわせ
て、真空乾燥した。その後テトラヒドロフラン/ヘキサ
ンで再沈澱を行なって、前記化学式(7)で表されるN-
(4- ニトロフェニル) ナフチルカルボキサミド2.56
gを得た。
【0055】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度を測定したところ、SHG強度は優れたも
のであった。
【0056】
【実施例8】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと4-ニトロアニリン1.5gを入れる。室温
で攪拌して、さらにピリジン5ccを加えた後、フロイル
クロライド1.3ccを滴下ロートからゆっくりと滴下す
る。反応進行とともに黄色沈澱が析出した。12時間室
温で攪拌した後、薄層クロマトで反応終了を確認してか
ら、加水分解してのち油層を分離、炭酸水素ナトリウム
水溶液で洗浄し、水層をジクロロメタンで抽出し、油層
をあわせて、真空乾燥した。その後テトラヒドロフラン
/ヘキサンで再沈澱を行なって、前記化学式(8)で表
されるN-(4- ニトロフェニル) フラニルカルボキサミド
2.05gを得た。
【0057】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度測定を行なった。入力はYAGレーザーを
用いた。SHG強度を尿素に対して比較した結果、1
4.9倍であった。
【0058】
【実施例9】100mlの3つ口フラスコにジクロロメタ
ン100mlと4-ニトロアニリン1.5gを入れる。室温
で攪拌して、さらにピリジン5ccを加えた後、テノイル
クロライド1.3ccを滴下ロートからゆっくりと滴下す
る。反応進行とともに黄色沈澱が析出した。12時間室
温で攪拌した後、薄層クロマトで反応終了を確認してか
ら、加水分解してのち油層を分離、炭酸水素ナトリウム
水溶液で洗浄し、水層をジクロロメタンで抽出し、油層
をあわせて、真空乾燥した。その後テトラヒドロフラン
/ヘキサンで再沈澱を行なって、前記化学式(9)で表
されるN-(4- ニトロフェニル) チエニルカルボキサミド
2.15gを得た。
【0059】得られた化合物の粉末を用いて粉末法によ
るSHG強度測定を行なった。入力はYAGレーザーを
用いた。SHG強度を尿素に対して比較した結果、1
7.2倍であった。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式(I) (A)i−Φ1(R1j−NR2−CO−Φ2−(R3k …(I) (式中、Aはアクセプター性置換基であり、Φ1および
    Φ2は、いずれか一方がヘテロ環であり、他方が芳香族
    環またはヘテロ環であり、R1〜R3はそれぞれ独立して
    水素原子またはアルキル基、アリール基、アラルキル基
    およびアルキルオキシ基からなる群より選ばれる基であ
    り、i〜kは1以上の整数である。)で表わされる有機
    化合物からなることを特徴とする有機非線形光学材料。
  2. 【請求項2】 Aがニトロ基またはシアノ基である請求
    項1記載の有機非線形光学材料。
  3. 【請求項3】 Φ1およびΦ2が、ベンゼン環または複素
    5員環である請求項1記載の有機非線形光学材料。
  4. 【請求項4】 R2が、光学活性基である請求項1記載
    の有機非線形光学材料。
  5. 【請求項5】 前記式(I)で表わされる有機化合物
    が、少なくとも1つの重水素を有する請求項1記載の有
    機非線形光学材料。
  6. 【請求項6】 前記式(I)で表わされる有機化合物
    が、N−(5−ニトロ−チアゾリル)−4’−メトキシ
    ベンズアミドである請求項1記載の有機非線形光学材
    料。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の有機非線形光学材料を含
    むことを特徴とする非線形光学素子。
JP4705591A 1991-03-12 1991-03-12 有機非線形光学材料 Pending JPH05107574A (ja)

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