JPH0666528B2

JPH0666528B2 - レーザー発生方法とその装置

Info

Publication number: JPH0666528B2
Application number: JP10883888A
Authority: JP
Inventors: 洋之小嶋
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1988-04-30
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPH01278789A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はレーザー発生方法とその装置に関し、より詳細
には電解化学発光を利用して波長可変の可視域、パルス
レーザーを発生する方法とその装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、光を応用する技術が多方面に発達し、その光源で
あるレーザーの重要性がますます増加しつつある。

ところで、可視域の波長可変のレーザーとしては、色素
レーザーが従来から専ら用いられている。また、半導体
レーザーは、情報機器分野に広汎な用途がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

色素レーザーは、ポンピング源として別の光源を必要と
しており、フラッシュランプや大出力レーザーなどをこ
れにあてている。

そのため、全体としてエネルギー効率が悪く、装置も複
雑で高価である欠点であった。

一方、半導体レーザーは、波長が固定されており、出力
をmWオーダーと小さく、色素レーザーに代わることは困
難である。

本発明は、ポンピングのための光源を必要とせず、電解
のみによって発振する可視域の波長可変バルスレーザー
発生方法とその装置を提供することを目的とするもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のレーザー発生方法
は、一対の平行平板電極よりなる薄層電解セル内に下記
一般式（１）で示される発光化合物の非プロトン性有機
溶媒溶液を流し、前記電極に交流電圧を印加して該発光
化合物を発光させ、この発光を前記セルに直角に設置し
た一対のレーザーミラーで共振させることを特徴とする
ものである。

Ａ−Ｄ（１）ただし（１）式において、Ａはからなる成る群から選ばれた基であり、Ｄはからなる群から選ばれた基である。

また、本発明のレーザー発生装置は、一対の平行平板電
極よりなる薄層電解セルの面方向軸線上に、該セル一方
の側に全反射レーザーミラーを、他方の側に部分反射レ
ーザーミラーをそれぞれ前記軸線に対して直角に設置
し、該セルに下記一般式で示される発光化合物の非プロ
トン性有機溶媒溶液の供給管および排出管を取りつける
と共に、前記一対の平行平板電極への交流電圧印加電源
を設けたことを特徴とするものである。

本発明の方法および装置（以下、本発明と云うこともあ
る）においては、ポンピングのための光源を必要とせ
ず、電解で生成するラジカルアニオンとラジカルカチオ
ンとの間の電子移動反応で行うこと、および励起種が分
子内エキサイプレツクスであることを必須とする。

すなわち本発明は、下記のような電極反応、電子移動反
応および発光に基づく。

電極反応Ａ−Ｄ＋ｅ⁻ →・Ａ⁻ −ＤＡ−Ｄ − ｅ⁻ → Ａ −Ｄ⁺ _. 電子移動反応・Ａ⁻ −Ｄ＋Ａ−Ｄ⁺ _.→ Ａ−Ｄ＋（Ａ⁻ −Ｄ
^＋）^＊発光（Ａ⁻ −Ｄ^＋）^＊→Ａ−Ｄ＋ｈν 分子内エキサイプレツクに対する基底状態〔Ａ⁻ −Ｄ
^＋〕は、非常に不安定で直ちに〔Ａ⁻ −Ｄ^＋〕に移
行すので、分子種〔Ａ−Ｄ〕の状態分布は常に励起状態
側が圧倒的に多く、ここにレーザー発振の前提となる反
転分布が容易に実現する。

このような原理に基づくレーザーは気相では希ガス−ハ
ロゲン系で実現しており、エキシマレーザーとして良く
知られているが、本発明はこれを液相で実現するもので
ある。

第１図に本発明のレーザー発生装置の原理図を示す。

一対の、平行に置かれた平板電極１、１によって薄層電
解セル２が構成される。

平板電極は、表面を十分に平らにしたガラス基板の両面
に金が蒸着されている。

平板電極１、１の電極間距離は、通常10〜50μｍに調整
される。

電解セルの周囲は、電極板に直角に接合した透明ガラス
３によって封じられている。

電極１、１には電源４によって２〜100Vの交流（１〜50
0Hz）電圧が印加される。

交流は、サイン波でも良いが、矩形波が好適である。電
流容量は20A程度あれば十分である。

５、６は発光を共振させるための、通常の色素レーザー
用のレーザーミラーであり、５は全反射、６は部分反射
ミラーである。

かかるレーザーミラー５、６は、セル２の同一の面方向
軸線７上に、セル２に対して一方の側に、および他方の
側に、それぞれこの軸線７に対して直角に配置される。

セル２と全反射ミラー５との間には、波長を選択するた
めに通常の複屈折フイルター８を、同様にセル２の面方
向軸線７に対して直角に配置することができる。

第２図は本発明の装置の概要図であり、第１図と同一部
分には同一番号が付されている。

薄層セル２は、後述する発色化合物溶液の供給管９およ
び排出管10の取りつけ部を除いては密封されており、液
送ポンプ（図示せず）によって薄層セル２内を発色化合
物溶液が循環し、セル２内に常に新鮮な発色化合物溶液
を供給すると共に、セル２の温度の上昇を防止してい
る。

薄層セル２と、光学系、すなわち部分反射ミラー６、複
屈折フイルター８は支持台11によつて固定され、電源４
と共に本発明のレーザー発生装置が構成される。

発生レーザーは部分反射ミラー６から矢印Ａ方向に取り
出される。

電解で生成するラジカルカチオンやラジカルアニオンは
発色化合物溶液内の不純物や酸素と反応して容易に失活
してしまう。

そこで、溶媒の精製や脱酸素を十分に行う必要がある。

特に水分の除去は重要であり、薄層セル内に吸着してい
る水分についても注意する必要がある。そのために、ま
ず十分に乾燥した溶媒を循環させてセル内を十分洗浄し
た後に発光化合物溶液を供給するのが好ましい。

発光化合物を溶解させる溶媒としては、ジメトキシメタ
ン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルなどが精製し
て用いられる。

発光化合物は上記のように一般式Ａ−Ｄで示されもので
あり、各分子の発振のピーク波長を下記第１表に示す。

ｐ−（９′−アンスリル）−N,N′−ジメチルアニリン
（以下、An−DMAで表す）は黄色、ｐ−（１′−ピクリ
ル）−N,N′−ジメチルアニリン（以下、Py−DMAで表
す）は緑色の発光となる。

波長可変範囲は、これらのピーク波長を含んでおおよそ
200nm、An−DMAで520〜710nm、Py−DMAで470〜630nmで
あり、広い範囲にわたって可変である。

〔作用〕

いま、An−DMAを例にとつて、レーザー発振が起こるこ
とを、コンピューターシミュレーションにより以下のよ
うに説明することができる。

第３図にAn−DMAの吸収スペクトル（破線）と電解発光
スペクトル（実線）を示す。

この第３図から明らかなように、分子内エキサイプレツ
クス〔（Ａ−Ｄ）〕からの発光スペクトルは、低波数側
に大きくシフトしており、親分子の吸収スプクトルと重
なり合わない。

また、分子内エキサイプレツクスの発光の遷移モーメン
トは大きい（約18debye9）。

一方、レーザー発振に必要な反転分布のしきい値（ΔＮ
_th）は、ミラーの反射率が十分に高い場合、下記式
（２）で表される。

ここでΔＮは、（Ａ⁻ −Ｄ^＋）^＊と（Ａ⁻ −Ｄ
^＋）の状状態にある単位体積中の分子数の差 ΔＮ＝Ｎ_２−Ｎ_１（３）であり、ΔＮ_thは、そのレーザー発振のしきい値であ
る。また、Ｌはレーザー媒質の長さ、Ｒは反射鏡の反射
率である。

σ（ν）は誘導放出断面積で発光の双極子モーメントを
μ、発光スペクトルの中心周波数と半値巾をそれぞれν
_ｏ、Δν_ｏとして、で表される。

ここで、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速度であ
る。

そこでAn−DMAでは、次の値を用いて、Ｌ＝10cmと100cm
の場合のしきい値を計算できる。

ν_ｏ＝5.1×10¹⁴／sec Δν_ｏ＝1.5×10¹⁴／sec μ＝18×10⁻¹⁸esu Ｒ＝0.95 一方、ΔＮはコンピューターシミュレーションに基づ
き、電極間をｎ個の箱に分割し、電極に接する箱では電
極反応式と拡散式、その他の箱では拡散式とラジカルア
ニオン−カチオン間の電子移動反応式を組み合わせてラ
ジカルアニオンとラジカルカチオンの衝突数を計算す
る。

一回の衝突数で生成する分子内エキサイプレツクスの生
成効率は知られているので（0.022）、それをもとにし
て分子内エキサイプレツクスの濃度を計算できる。

0.2モルのAn−DMAのアセトニトリル溶液で100Hz、2Vの
矩形波（第４図）を印加した場合のΔＮを第５図に示
す。

第５図において破線はＬ＝10cmと100cmの場合のしきい
値である。

第５図から明らかなように、印加電圧の極性が変わった
直後にしきい値を十分超える反転分布が得られ、レーザ
ー発振が起こることを示している。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、従来のポンピングの
ための光源を必要とした色素レーザーにかわつて、電解
のみによつて発振する可視域の波長変換パルスレーザー
を得ることができる。

また、操作も電解のみなので、装置構造も極めて簡単で
あり、レーザー発生コストを大幅に低減することができ
る。

更に波長領域も可視域に留まらず、他の分子内エキサイ
プレツクスを探索することによって近赤外や紫外域に拡
張することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザー発生装置の原理図、第２図は
本発明の装置の実施例を示す概要図、第３図はAn−DMA
（ｐ−９′−アンスリル）−N,N′−ジメチルアニリ
ン）の吸収スペクトルと電解発光スペクトルを示す図、
第４図は電極に印加され交流矩形波電圧の１例を示す
図、第５図は分子内エキサイプレツクスを形成する分子
濃度を示す図である。１……平板電極、２……薄層電解セル、４……電源、５
……全反射レーザーミラー、６……部分反射レーザーミ
ラー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の平行平板電極よりなる薄層電解セル
内に下記一般式（１）で示される発光化合物の非プロト
ン性有機溶媒溶液を流し、前記電極に交流電圧を印加し
て該発光化合物を発光させ、この発光を前記セルに直角
に設置した一対のレーザーミラーで共振させることを特
徴とするレーザー発生方法。Ａ−Ｄ（１）ただし（１）式において、Ａはからなる成る群から選ばれた基であり、Ｄはからなる群から選ばれた基である。
【請求項２】一対の平行平板電極よりなる薄層電解セル
の面方向軸線上に、該セル一方の側に全反射レーザーミ
ラーを、他方の側に部分反射レーザーミラーをそれぞれ
前記軸線に対して直角に設置し、該セルに下記一般式で
示される発光化合物の非プロトン性有機溶媒溶液の供給
管および排出管を取りつけると共に、前記一対の平行平
板電極への交流電圧印加電源を設けたことを特徴とする
レーザー発生装置。Ａ−Ｄ（１）ただし（１）式において、Ａはからなる成る群から選ばれた基であり、Ｄはからなる群から選ばれた基である。