JPH07333661A - Dyestuff compound for nonlinear optical material and nonlinear optical material contg. the same - Google Patents

Dyestuff compound for nonlinear optical material and nonlinear optical material contg. the same

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JPH07333661A
JPH07333661A JP12264894A JP12264894A JPH07333661A JP H07333661 A JPH07333661 A JP H07333661A JP 12264894 A JP12264894 A JP 12264894A JP 12264894 A JP12264894 A JP 12264894A JP H07333661 A JPH07333661 A JP H07333661A
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JP
Japan
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group
optical material
nonlinear optical
groups
nonlinear
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Application number
JP12264894A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Aramaki
晋司 荒牧
Yoshiharu Kubo
由治 久保
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Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
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Publication date
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Publication of JPH07333661A publication Critical patent/JPH07333661A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To make it possible to obtain a nonlinear optical material having an extremely good nonlinear sensitivity and high performance by using specific dyestuff for the nonlinear optical material. CONSTITUTION:The dyestuff compd. for the nonlinear optical material is the dyestuff compd. expressed by the formula. In the formula, R<1> and R<2> respectively independently denote (substd.) lower alkyl groups and R<1> and R<2> may connect to each other to form a ring. R<3> denotes a hydrogen atom, (substd.) lower alkyl group or lower alkoxy group or denotes -NHCOR<4> group; R<4> denotes a lower alkyl group. The more specific examples of R<1> and R<2> include 1 to 6C alkyl groups or >=1 hydrogen atoms include hydroxyl groups, alkoxy groups, halogen atoms, amino groups, carbonyl groups, carboxyl groups or alkyl groups substd. with arom. rings (benzene rings, etc.). R<3> includes a methyl group, ethyl group, propyl group, etc.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学材料用色素
及びそれを含有する非線形光学材料に係り、特に、大き
な2次の非線形感受率を有する材料を提供するために好
適に使用される色素及びそれを含む非線形光学材料であ
って、電気光学光変調素子や波長変換素子等に用いる光
の制御素子として有効な非線形光学材料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dye for a nonlinear optical material and a nonlinear optical material containing the same, and particularly to a dye suitably used for providing a material having a large second-order nonlinear susceptibility. And a non-linear optical material including the same, which is effective as a light control element used for an electro-optical light modulation element, a wavelength conversion element, or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】非線形光学材料は、光の波長変換、屈折
率の変化による光の変調、スイッチング等、光、特にレ
ーザー光の変換や制御に広く利用されている。これは外
部より加えられる電磁場による物質の非線形な分極によ
り引き起こされる現象として理解されている。ここで、
外部より加えられる電場(光又は静電場)をE、それに
より誘起される物質の分極をPとして、PをEにより展
開すると、下記(1)式の如く表せる。
2. Description of the Related Art Non-linear optical materials are widely used for conversion and control of light, particularly laser light, such as wavelength conversion of light, modulation of light by change in refractive index, switching and the like. This is understood as a phenomenon caused by the nonlinear polarization of a substance due to an electromagnetic field applied from the outside. here,
Letting E be the electric field (light or electrostatic field) applied from the outside, and P being the polarization of the substance induced thereby, P is expanded by E, and it can be expressed as the following formula (1).

【0003】[0003]

【数1】 P=P0 +χ(1) E+χ(2) EE+χ(3) EEE+… …(1)[Equation 1] P = P 0 + χ (1) E + χ (2) EE + χ (3) EEE + ... (1)

【0004】このχ(2) は2次の、χ(3) は3次の非線
形感受率と呼ばれ、これらの関係する現象は、例えば、
Y.R.Shen著 “Principles of
Nonlinear Optics”に記述されてい
る。現在、非線形光学材料として実際に用いられている
のは、KDP(KH2 PO 4 )、LiNbO3 (ニオブ
酸リチウム)、KTP(KTiOPO4 )等の酸化物単
結晶や、GaAs等の半導体材料が主である。
This χ(2) Is quadratic, χ(3) Is the third non-linear
Called shape susceptibility, these related phenomena are, for example,
Y. R. Shen "Principles of
Nonlinear Optics ”
It Currently used as a non-linear optical material
KDP (KH2 PO Four ), LiNbO3 (niobium
Lithium acid), KTP (KTiOPOFour ) Etc.
Mainly crystals and semiconductor materials such as GaAs.

【0005】近年、π電子共役系の有機化合物が、この
非線形光学材料として注目を集めている。これは、その
非線形感受率が無機系材料と比較して非常に大きいこと
や、それが電子分極に由来することから、全光デバイス
に応用された場合、ピコ秒以下の超高速の応答性が期待
されることによる。また、誘電率の小さいことや、ニオ
ブ酸リチウム等と比較して光損傷に強いこと、高分子材
料においては製造法が単結晶成長に比較して容易なこ
と、多様な分子設計により種々の機能を付加できる可能
性のあることも、有機材料が非線形光学材料として期待
されている理由として挙げられる。このような有機化合
物の特長を利用すれば、半導体レーザー等の低パワーレ
ーザー用の第二高調波発生等の波長変換素子や、低電圧
駆動で高速応答性の電気光学変調素子を作製することが
可能である。
In recent years, π-electron conjugated organic compounds have been attracting attention as this nonlinear optical material. This is because its nonlinear susceptibility is much higher than that of inorganic materials and it is derived from electronic polarization, so when it is applied to all-optical devices, it has an ultra-fast response time of picoseconds or less. It depends on what is expected. In addition, it has a low dielectric constant, is more resistant to optical damage than lithium niobate, etc., the manufacturing method is easier for polymer materials than single crystal growth, and various functions are possible due to various molecular designs. There is a possibility of adding the above-mentioned reason as another reason why the organic material is expected as a nonlinear optical material. By utilizing the features of such organic compounds, it is possible to fabricate wavelength conversion elements such as second harmonic generation for low power lasers such as semiconductor lasers, and electro-optical modulation elements that are driven at low voltage and have high speed response. It is possible.

【0006】非線形光学材料としての実際の有機材料と
しては、種々の形態のものが検討されてきた。有機化合
物では、非線形感受率は分子の超分極率で議論される。
分子に作用する電場をEとし、これにより誘起される分
子の双極子モーメントをpとすると、下記(2)式で表
せる。
Various forms of organic materials have been investigated as actual organic materials as nonlinear optical materials. In organic compounds, nonlinear susceptibility is discussed in terms of molecular hyperpolarizability.
When the electric field acting on the molecule is E and the dipole moment of the molecule induced by this is p, it can be expressed by the following equation (2).

【0007】[0007]

【数2】 p=μ+αE+βEE+γEEE+… …(2)## EQU00002 ## p = .mu. +. Alpha.E + .beta.EE + .gamma.EEE + ... (2)

【0008】ここで、αは分子分極率、β、γはそれぞ
れ二次、三次の分子超分極率と呼ばれており、分子集合
体の非線形感受率はこれらβ、γに由来する。二次の非
線形光学材料としては、分子内に電子供与性の基と電子
吸引性の基を含み、それらがπ電子共役系で連結されて
いる分子内電荷移動性のものが、二次の分子超分極率
(β)が大きくなることが示されており、これまでに知
られている大きなχ(2) を示す有機化合物は、メチルニ
トロアニリン(MNA)に代表されるように、ほとんど
がこのタイプの分子である。
Here, α is called a molecular polarizability, β and γ are called second-order and third-order molecular hyperpolarizabilities, respectively, and the nonlinear susceptibility of a molecular assembly is derived from these β and γ. As the secondary nonlinear optical material, an intramolecular charge transfer material containing an electron-donating group and an electron-withdrawing group in the molecule and linked by a π-electron conjugated system is a secondary molecule. It has been shown that the hyperpolarizability (β) becomes large, and most of the known organic compounds showing a large χ (2) , such as methylnitroaniline (MNA), have It is a type of molecule.

【0009】しかし、二次の非線形光学材料には、その
構造が巨視的に反転対称性を有しないという制限が存在
する。即ち、χ(2) が3階のテンソルであるために、β
が大きくても集合体が反転対称性を有する結晶構造をと
ったり、アモルファスである場合には、χ(2) は0にな
る。このため、βの大きな分子をいかにして極性構造に
配向させるかが、材料探索の大きな課題となっている。
However, the second-order nonlinear optical material has a limitation that its structure has no macroscopic inversion symmetry. That is, since χ (2) is the third-order tensor, β
Χ (2) is 0 when the aggregate has a crystal structure with inversion symmetry or is amorphous even if is large. Therefore, how to orient a molecule having a large β in a polar structure is a major issue in material search.

【0010】この有機系非線形光学材料において、結晶
構造を利用することは最もよく行なわれることであり、
粉末SHG法はこのような材料を簡便にスクリーニング
する方法である。従来、分子が最適な配置をとった結晶
を得るために、光学活性な基の導入、基底状態の双極子
モーメントの小さい骨格、水素結合の利用等の分子設計
のアイデアは幾つか提案された。
In this organic nonlinear optical material, it is the most common practice to utilize the crystal structure,
The powder SHG method is a method for easily screening such materials. In the past, some ideas for molecular design such as introduction of an optically active group, a skeleton with a small dipole moment in the ground state, and the use of hydrogen bond have been proposed in order to obtain a crystal in which the molecule has an optimal arrangement.

【0011】しかしながら、最終的には実際に結晶を得
てみなければ、効果は明らかではない。また、有機化合
物の結晶は分子性結晶で、柔らかく加工性に乏しい。更
に、非線形光素子として実用化する際に、導波路構造に
加工することが望ましいことが多いが、これに必要な薄
膜形成法、結晶方位の制御、部分的に屈折率を変化させ
る方法が非常に難しい。このようなことから、膨大な数
の有機結晶について非線形光学材料としての可能性が調
べられているにもかかわらず、素子にまで加工された例
は少ないのが現状である。
However, the effect is not clear unless the crystal is finally obtained. Further, the crystal of the organic compound is a molecular crystal and is soft and poor in processability. Furthermore, it is often desirable to process into a waveguide structure when it is put to practical use as a nonlinear optical element, but the thin film forming method, control of crystal orientation, and method of partially changing the refractive index are very necessary for this. It's difficult. From such a fact, although the possibility of a large number of organic crystals as a nonlinear optical material has been investigated, it is the present situation that only a few examples are processed into elements.

【0012】もう一つの二次の有機系非線形光学材料と
しては、高分子材料が挙げられる。これはアクリル系の
高分子にディスパースレッド1(N−エチル−N−ヒド
ロキシルエチル−4−アミノ−4’ニトロアゾベンゼ
ン:後掲の比較例1参照)に代表される、βの大きな分
子をドープしたり、高分子の側鎖に結合させたもので代
表される。高分子材料は、コーティングによる薄膜形成
が容易で、光学的にも優れた光導波路材料となることは
知られているが、コーティングしただけの膜は一般にア
モルファスでχ(2) は0である。χ(2) を示すようにす
るための方法としては、高分子の膜に電場を印加しなが
らガラス転移温度Tg以上の温度に加熱して、βの大き
なユニットを配向させた後、室温まで冷却して配向を固
定するボーリングと呼ばれる操作が最もよく利用されて
おり、これにより、ニオブ酸リチウム程度の電気光学効
果を示す材料が得られている。しかしながら、この操作
における最も大きな欠点は、その配向が熱的に緩和して
しまい、χ(2) が次第に減衰することである。
Another secondary organic non-linear optical material is a polymer material. This is an acrylic polymer doped with a large β molecule represented by Disperse Red 1 (N-ethyl-N-hydroxylethyl-4-amino-4′nitroazobenzene: see Comparative Example 1 below). Or, it is represented by a compound bonded to a side chain of a polymer. It is known that a polymer material can be easily formed into a thin film by coating and becomes an optically excellent optical waveguide material, but a film just coated is generally amorphous and χ (2) is 0. As a method for showing χ (2) , a polymer film is heated to a temperature not lower than the glass transition temperature Tg while applying an electric field to orient a unit having a large β, and then cooled to room temperature. The operation called boring for fixing the orientation is most often used, and a material exhibiting an electro-optical effect comparable to that of lithium niobate is obtained. However, the biggest drawback of this procedure is that its orientation is thermally relaxed and χ (2) is gradually attenuated.

【0013】そのほかに、βの大きなユニットを配向さ
せた構造を得る方法としては、ラングミュア・ブロジェ
ット膜等の配向性の膜を利用することも試みられてい
る。いずれの非線形光学材料においても、大きなχ(2)
を有する材料は、素子を高効率にするために多くの有利
な点を有する。例えば、電気光学効果を利用した光スイ
ッチ素子においては、大きな電気光学効果を有する材料
を用いれば、低電圧駆動のものが得られ、また素子の長
さを短くでき、集積化に有利である。また、有機材料の
誘電率は3から4程度であり、ニオブ酸リチウムの1/
10程度であるので、原理的に10倍程度の高速な動作
が可能であり、高速光通信分野への応用に有利である。
In addition, as a method of obtaining a structure in which a unit having a large β is oriented, it has been attempted to use an oriented film such as a Langmuir-Blodgett film. Large χ (2) for any nonlinear optical material
The material with has many advantages for making the device highly efficient. For example, in an optical switch element utilizing the electro-optical effect, if a material having a large electro-optical effect is used, a low voltage drive type can be obtained and the length of the element can be shortened, which is advantageous for integration. Further, the dielectric constant of the organic material is about 3 to 4, which is 1 / th that of lithium niobate.
Since it is about 10, it is possible in principle to operate at about 10 times as high speed, which is advantageous for application to the field of high-speed optical communication.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、高特性の
素子を得るためには、非線形感受率の高い非線形光学材
料を開発する必要があるが、従来において、このような
非線形光学材料が提供されていないのが現状である。本
発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、大
きな非線形感受率を有する材料を得るのに利用できる分
子超分極率βの大きな色素を提供し、これにより非線形
感受率を大幅に高め、従来の素子に比較して、高い性能
を示す素子を作製することができる非線形光学材料を提
供することを目的とする。
As described above, in order to obtain a device with high characteristics, it is necessary to develop a nonlinear optical material having a high nonlinear susceptibility. Conventionally, such a nonlinear optical material has been provided. The current situation is that it has not been done. The present invention has been made in view of the above conventional circumstances, and provides a dye having a large molecular hyperpolarizability β that can be used to obtain a material having a large nonlinear susceptibility, thereby significantly increasing the nonlinear susceptibility. An object of the present invention is to provide a non-linear optical material capable of producing an element exhibiting higher performance than conventional elements.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】請求項1の非線形光学材
料用色素化合物は、下記構造式(I)で示されることを
特徴とする。
The dye compound for a nonlinear optical material according to claim 1 is characterized by being represented by the following structural formula (I).

【0016】[0016]

【化2】 (式中、R1 及びR2 は、それぞれ独立して、置換され
ていてもよい低級アルキル基を表し、また、R1 及びR
2 は互いに連結して環を形成していてもよい。R 3 は、
水素原子、置換されていてもよい低級アルキル基あるい
は低級アルコキシ基、又は−NHCOR4 基を表し、R
4 は低級アルキル基を表す。)
[Chemical 2](In the formula, R1And R2Are each independently replaced
Represents a lower alkyl group which may be represented by R,1And R
2May combine with each other to form a ring. R 3Is
Hydrogen atom, optionally substituted lower alkyl group
Is a lower alkoxy group, or -NHCORFourRepresents a group, R
FourRepresents a lower alkyl group. )

【0017】請求項2の非線形光学材料は、請求項1に
記載の色素化合物を含有することを特徴とする。請求項
3の非線形光学高分子材料は、請求項2に記載の非線形
光学材料であって、高分子中に請求項1に記載の色素化
合物を含有させ、加熱しながら電場を印加して該色素化
合物を配向させて得られることを特徴とする。
The nonlinear optical material according to claim 2 is characterized by containing the dye compound according to claim 1. The nonlinear optical polymer material according to claim 3 is the nonlinear optical material according to claim 2, wherein the polymer contains the dye compound according to claim 1, and an electric field is applied to the dye while heating the dye compound. It is characterized by being obtained by orienting a compound.

【0018】以下に本発明を詳細に説明する。前記一般
式(I)で表される本発明の非線形光学材料用色素化合
物において、R1 又はR2 の具体的な例としては、炭素
数が1〜6のアルキル基、又は一つ以上の水素原子が水
酸基、アルコキシ基、ハロゲン原子、アミノ基、カルボ
ニル基、カルボキシル基又は芳香環(ベンゼン環等)で
置換されたアルキル基が挙げられる。さらに具体的に
は、メチル基、エチル基、プロピル基(n、i)、ブチ
ル基(n、i、t)、ペンチル基、ヘキシル基、ヒドロ
キシメチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピ
ル基、メトキシエチル基、アセトキシエチル基、アクリ
ルオキシエチル基、メタクリルオキシエチル基、フェノ
キシエチル基、トルエンスルフォニルオキシ基、アミノ
メチル基、アミノエチル基、ベンジル基、フルオロエチ
ル基、クロロエチル基、ブロモエチル基、ヨードエチル
基等が挙げられる。さらに、R1 及びR2 が連結して環
を形成したモノ、例えばモリホリン環やピペリジン環、
ピペラジン環、テトラヒドロキシピロール環等も挙げる
ことができる。R3 の具体的な例としては、メチル基、
エチル基、プロピル基(n、i)、ブチル基(n、i、
t)、ペンチル基、ヘキシル基、メトキシ基、エトキシ
基、プロピルオキシ基(n、i)、ブチルオキシ基
(n、i、t)、アセトアミノ基等が挙げられる。また
3 の結合する位置は、アルキルアミノ基に対してオル
ト、メタのどちらの位置でもよい。
The present invention will be described in detail below. In the dye compound for a nonlinear optical material of the present invention represented by the general formula (I), specific examples of R 1 or R 2 include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or one or more hydrogen atoms. Examples thereof include an alkyl group in which an atom is substituted with a hydroxyl group, an alkoxy group, a halogen atom, an amino group, a carbonyl group, a carboxyl group or an aromatic ring (benzene ring or the like). More specifically, methyl group, ethyl group, propyl group (n, i), butyl group (n, i, t), pentyl group, hexyl group, hydroxymethyl group, hydroxyethyl group, hydroxypropyl group, methoxyethyl group. Group, acetoxyethyl group, acryloxyethyl group, methacryloxyethyl group, phenoxyethyl group, toluenesulfonyloxy group, aminomethyl group, aminoethyl group, benzyl group, fluoroethyl group, chloroethyl group, bromoethyl group, iodoethyl group, etc. Can be mentioned. Further, a mono-form, such as a morpholine ring or a piperidine ring, in which R 1 and R 2 are linked to form a ring,
A piperazine ring, a tetrahydroxypyrrole ring and the like can also be mentioned. Specific examples of R 3 include a methyl group,
Ethyl group, propyl group (n, i), butyl group (n, i,
t), pentyl group, hexyl group, methoxy group, ethoxy group, propyloxy group (n, i), butyloxy group (n, i, t), acetamino group and the like. The position at which R 3 is bonded may be either ortho or meta with respect to the alkylamino group.

【0019】本発明の色素化合物を高分子中に溶解すれ
ば、該色素化合物を含む高分子材料を得ることができ
る。該色素化合物を溶解させる高分子材料としては、色
素化合物を均一に溶解することができるものであれば何
でもよいが、光学材料として用いるためには散乱のない
透明なフィルムを与えるものが望ましい。例えば、メタ
クリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ス
チレン樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹
脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹
脂、シリコン樹脂、ポリ塩化ビニル、これらの共重合体
やブレンド物等が挙げられる。
By dissolving the dye compound of the present invention in a polymer, a polymer material containing the dye compound can be obtained. Any polymer material capable of dissolving the dye compound can be used as the polymer material capable of dissolving the dye compound, but it is preferable to use a material that gives a transparent film without scattering for use as an optical material. Examples thereof include methacrylic resin, acrylic resin, polycarbonate resin, styrene resin, urea resin, phenol resin, polyamide resin, polyester resin, polyimide resin, epoxy resin, silicone resin, polyvinyl chloride, and copolymers and blends thereof. To be

【0020】また、本発明の色素化合物に長鎖のアルキ
ル基を導入すれば、ラングミュアブロジェット膜を作製
することが可能な分子を得ることができる。このような
材料は、2次の非線型光学材料として都合の良いもので
ある。このようなものの例としては、本発明の色素とパ
ルミチン酸、ステアリン酸、アラキン酸、ベヘン酸に代
表される長鎖の脂肪酸のエステルを前記一般式(I)の
1 として有するものとが挙げられる。
By introducing a long-chain alkyl group into the dye compound of the present invention, a molecule capable of producing a Langmuir-Blodgett film can be obtained. Such a material is convenient as a second-order nonlinear optical material. Examples of such compounds include those having the dye of the present invention and an ester of a long-chain fatty acid represented by palmitic acid, stearic acid, arachidic acid, and behenic acid as R 1 of the general formula (I). To be

【0021】本化合物は以下の一般式で示される方法で
合成できる。詳細はJ.Chem.Soc.Perki
n Trans.I,1975(1990)に記載され
ている。
This compound can be synthesized by the method represented by the following general formula. For details, see J. Chem. Soc. Perki
n Trans. I, 1975 (1990).

【0022】[0022]

【化3】 [Chemical 3]

【0023】[0023]

【作用】基底状態と寄与の大きい励磁状態のみ考慮する
2準位モデルでの分子超分極率βは下記(3)式のよう
に表される。
The molecular hyperpolarizability β in the two-level model considering only the ground state and the excited state having a large contribution is expressed by the following equation (3).

【0024】[0024]

【数3】 [Equation 3]

【0025】ここで、μ01は基底状態から励磁状態への
遷移モーメント、Δμは基底状態と励磁状態の双極子モ
ーメントの差、ω0 は基底状態と励磁状態のエネルギー
差に対応する振動数、ωは関係する光の振動数を表す。
有機非線形光学材料は、分子内に電子供与性基と吸引性
基がπ電子で共役している分子内電荷移動性を有するも
のが大部分であり、大きな遷移モーメントと双極子モー
メントが、その非線形分極の由来として理解されてい
る。
Here, μ 01 is the transition moment from the ground state to the excited state, Δμ is the difference between the dipole moments of the ground state and the excited state, ω 0 is the frequency corresponding to the energy difference between the ground state and the excited state, ω represents the frequency of the relevant light.
Most organic nonlinear optical materials have an intramolecular charge transfer property in which an electron-donating group and an attracting group are conjugated with π electrons in the molecule, and a large transition moment and dipole moment It is understood as the origin of polarization.

【0026】このような関係式において、更に、βを大
きくするには、式(3)の光の振動数に依存する効果を
表す分散項を大きくすることが考えられる。これは、分
子の光吸収振動数ω0 に光の振動数ωを近づけて分散項
の分母を大きくすることに対応する。これは一般に共鳴
効果として知られている現象である。しかしながら、光
の振動数が分子吸収の振動数に近付くと、吸収スペクト
ルの幅は有限であるため、光の吸収も起こるようになっ
てくる。非線形光学効果は一般に小さな効果であるた
め、これを利用するためには光をある程度の距離伝播さ
せることが必要であり、分子の吸収はこれに対して制限
を与える。従って、むやみに共鳴振動数に近付けること
はできない。光通信用の電気光学素子として用いるため
には、使用される光の波長、例えば1.3μmや1.5
μmで吸収は十分小さくなければならない。
In order to further increase β in such a relational expression, it is conceivable to increase the dispersion term representing the effect depending on the frequency of light in the expression (3). This corresponds to making the light absorption frequency ω 0 close to the light absorption frequency ω 0 and increasing the denominator of the dispersion term. This is a phenomenon generally known as the resonance effect. However, when the frequency of light approaches the frequency of molecular absorption, absorption of light also begins to occur because the width of the absorption spectrum is finite. Since the nonlinear optical effect is generally a small effect, it is necessary to propagate light over a certain distance in order to use it, and the absorption of molecules limits this. Therefore, it is impossible to approach the resonance frequency unnecessarily. In order to use it as an electro-optical element for optical communication, the wavelength of light used, for example, 1.3 μm or 1.5
The absorption must be sufficiently small in μm.

【0027】このようなことを考慮して、本発明者らの
研究により、前記一般式(1)で示される化合物が非線
形光学材料用の色素ユニットとして非常に優れているこ
とが見出された。この構造を有する色素を高分子中に含
有させれば、この化合物を含む高分子材料を得ることが
できる。また、長鎖のアルキル基を導入すれば、ラング
ミュアブロジェット膜を作製することが可能な分子を得
ることができる。このような材料は、2次の非線形光学
材料として有効なものである。
In consideration of the above, the inventors of the present invention have found that the compound represented by the general formula (1) is very excellent as a dye unit for a nonlinear optical material. . When a dye having this structure is contained in a polymer, a polymer material containing this compound can be obtained. Moreover, by introducing a long-chain alkyl group, a molecule capable of producing a Langmuir-Blodgett film can be obtained. Such a material is effective as a second-order nonlinear optical material.

【0028】この分子は分子内にπ電子で共役した電子
供与性基と電子吸引性基を有しており、非常に強い分子
内電荷移動型化合物である。更に、吸収も長波長領域に
あり、光通信に用いられる近赤外領域の光に対しても大
きな非線形超分極率を示す。しかしながら、光通信に用
いられる1.3μmや1.5μmでは吸収は十分に小さ
く、これらに好適な素子を作製することも十分可能であ
る。
This molecule has an electron-donating group and an electron-withdrawing group conjugated with π electrons in the molecule and is a very strong intramolecular charge transfer type compound. Further, the absorption is also in the long wavelength region, and it exhibits a large nonlinear hyperpolarizability even for light in the near infrared region used for optical communication. However, at 1.3 μm or 1.5 μm used for optical communication, the absorption is sufficiently small, and it is possible to fabricate a device suitable for these.

【0029】前記構造式(1)で表される本発明の色素
化合物を2次の非線形光学材料として用いるには、分子
を極性構造に配向する必要がある。このためには、この
色素を含有する高分子に、電場を印加しながらガラス転
移温度Tg付近まで加熱することにより配向する、いわ
ゆるポーリングと呼ばれる方法を利用できる。また、親
水性基と疎水性基の両方の基を持たせ、水面上で単分子
膜を作り、これを基板に移し取り配向膜を得るラングミ
ュア・ブロジェット法も利用できる。更に、本色素化合
物に、直接又は適当な置換基を導入することによって、
反転対称性を有しない結晶を得ることができれば、それ
は非常に高い非線形性を示す材料となる。本色素化合物
の大きな超分極率βを利用すれば、どのような方法で極
性構造を得るにしても、非常に優れた非線形光学材料を
得ることができる。
In order to use the dye compound of the present invention represented by the structural formula (1) as a second-order nonlinear optical material, it is necessary to orient the molecules in a polar structure. For this purpose, a so-called poling method can be used in which the polymer containing the dye is oriented by heating it near the glass transition temperature Tg while applying an electric field. In addition, the Langmuir-Blodgett method can also be used in which both a hydrophilic group and a hydrophobic group are provided, a monomolecular film is formed on the water surface, and this is transferred to a substrate to obtain an alignment film. Furthermore, by directly or by introducing an appropriate substituent into the present dye compound,
If a crystal that does not have inversion symmetry can be obtained, it becomes a material that exhibits extremely high nonlinearity. By utilizing the large hyperpolarizability β of the present dye compound, a very excellent nonlinear optical material can be obtained by whatever method the polar structure is obtained.

【0030】このようにして得られる、本発明の色素化
合物を含む非線形光学材料は、その電気光学効果を利用
して光変調素子や光スイッチ素子を作製するための材料
として用いることができる。また、適当な波長を選べ
ば、第二高調波発生を含む和、差周波発生やパラメトリ
ック増幅や発振等の、波長変換素子にも応用できる。と
ころで、分子超分極率の測定には、電場誘起第二高調波
発生法(EFISH法)がよく用いられるが、この方法
は第二高調波の光を強く吸収する色素に対しては難し
い。そこで、本発明においては、以下のような方法を用
いた。
The thus obtained non-linear optical material containing the dye compound of the present invention can be used as a material for producing an optical modulator or an optical switch element by utilizing its electro-optical effect. Further, if an appropriate wavelength is selected, it can be applied to a wavelength conversion element such as sum, difference frequency generation, parametric amplification and oscillation including second harmonic generation. By the way, the electric field induced second harmonic generation method (EFISH method) is often used to measure the molecular hyperpolarizability, but this method is difficult for a dye that strongly absorbs the light of the second harmonic wave. Therefore, in the present invention, the following method is used.

【0031】一般に、非線形光学効果の測定から求めら
れる非線形感受率χ(2) は、分子配向の分布で分子超分
極率βを平均したものである。EFISH法では、これ
を自由に回転できる双極子の電場中での配向の分布で表
している。これまでの分極高分子化合物の研究より、ガ
ラス転移温度付近まで加熱された高分子中でも、配向し
ている割合が小さい場合にはこのような分布が、観測さ
れるχ(2) を良く説明されることが報告されている。し
かしながら、特に高分子中に色素分子を溶解しただけの
系では、室温でも配向緩和が速やかに起きてしまい、配
向を見積もることができない。
Generally, the nonlinear susceptibility χ (2) obtained from the measurement of the nonlinear optical effect is an average of the molecular hyperpolarizabilities β in the distribution of molecular orientation. In the EFISH method, this is represented by the distribution of orientation in the electric field of the dipole that can rotate freely. Previous studies on polarized polymer compounds well explain the observed χ (2) , even in polymers heated to near the glass transition temperature, when such a distribution is small. It has been reported that However, especially in a system in which a dye molecule is simply dissolved in a polymer, orientation relaxation occurs rapidly even at room temperature, and the orientation cannot be estimated.

【0032】本発明においては、配向のために印加した
直流電圧はそのままにしておき、それに交流電圧を重畳
して電気光学効果を測定した。これによって配向後の緩
和は起きず、配向度はポリマーの運動性が凍結された時
のものが維持されると期待できる。但し、配向は温度を
下げていく際に徐々に凍結され、一定の配向温度を定義
するのは難しい。しかし、本発明における検討で行なっ
たように、100〜120℃で配向し、室温まで温度を
下げた場合でも、この温度は加熱温度と室温の間であ
り、この影響は300/393=0.76以内であるの
で、加熱温度を用いても色素の評価法としては十分であ
る。
In the present invention, the DC voltage applied for orientation was left as it was, and the AC voltage was superimposed on it to measure the electro-optic effect. As a result, relaxation after orientation does not occur, and the degree of orientation can be expected to be maintained when the mobility of the polymer is frozen. However, the orientation is gradually frozen as the temperature is lowered, and it is difficult to define a constant orientation temperature. However, even when oriented at 100 to 120 ° C. and lowered to room temperature as conducted in the study of the present invention, this temperature is between the heating temperature and room temperature, and this effect is 300/393 = 0. Since it is within 76, even if the heating temperature is used, it is sufficient as a dye evaluation method.

【0033】本発明で用いた電気光学効果の測定法とし
ては、基本的には、C.C.TenらがAppl.Ph
ys.Lett.56、p1734(1990)に発表
したものを用いた。具体的な実験の配置図を図1に示
す。なお、図1中、1はレーザー、2は偏光子、3はパ
ピネソレイユ補償板、4は検光子、5はフォトダイオー
ド、6はロックインアンプ、7は電源、8はサンプル、
9はヒーター、10は電極、11は温度制御器である。
ここで、C.C.Tenらの方法と異なるのは、サンプ
ルがヒートブロックに固定されており、温度コントロー
ラで温度の制御ができるようになっていることと、印加
する電圧が交流に直流のオフセットがかけられるように
なっているところである。求められる電気光学係数rと
χ(2) 、更にはβとの関係は以下のものを用いた。
Basically, the method for measuring the electro-optical effect used in the present invention is C.I. C. Ten et al., Appl. Ph
ys. Lett. 56, p1734 (1990). The layout of a specific experiment is shown in FIG. In FIG. 1, reference numeral 1 is a laser, 2 is a polarizer, 3 is a compensator for papinesoleil, 4 is an analyzer, 5 is a photodiode, 6 is a lock-in amplifier, 7 is a power supply, 8 is a sample,
9 is a heater, 10 is an electrode, and 11 is a temperature controller.
Here, C.I. C. The difference from the method of Ten et al. Is that the sample is fixed to the heat block, the temperature can be controlled by the temperature controller, and the applied voltage can be offset from AC to DC. It's about to come. The relationship between the electro-optical coefficient r, χ (2) , and β to be obtained was as follows.

【0034】[0034]

【数4】 [Equation 4]

【0035】ここでnは屈折率、Nは色素の数密度、f
(w)は振動数wの光又は電場の局所場補正係数、θは
分子の双極子μが電場となす角で<>は平均、Eは外部
から印加する静電場、kはボルツマン定数、Tは温度を
表す。f(w)はSingerらがJ.Chem.Ph
ys.75巻、p3572(1981)で採用したもの
を用いた。このように、rの測定からμβ積が求められ
る。本測定法で得られる電気光学係数は、DC電場によ
るχ(3) の効果即ちKerr効果や、室温での電場によ
るポリマー中での分子配向による屈折率の変化や、ポリ
マーマトリクス自身の電場配向による電気光学効果等の
寄与はあるが、その効果は一般に大きくなく、少なくと
も相対的なμβ積を比較するのには十分利用できる。な
お、上記(4)式が利用できるためには、印加する電圧
や溶解する色素の濃度をできるだけ小さくするのが望ま
しいと考えられる。また、分子間相互作用が低濃度でも
強く、分子が反平行になる傾向が強い分子については、
求められるμβ積は実際のものよりも小さくなり、分子
が平行になる傾向が強い分子については、求められるμ
β積は実際のものよりも大きくなるが、このような相互
作用は非線形光学用色素としては重要なものであり、求
められるμβ積は現実に得られる有効値に対応してい
る。
Here, n is the refractive index, N is the number density of the dye, and f
(W) is a local field correction coefficient of light or electric field of frequency w, θ is an angle formed by the dipole μ of the molecule with the electric field, <> is an average, E is an electrostatic field applied from the outside, k is a Boltzmann constant, T Represents temperature. f (w) was described by Singer et al. Chem. Ph
ys. 75, p3572 (1981). Thus, the μβ product is obtained from the measurement of r. The electro-optic coefficient obtained by this measurement method depends on the χ (3) effect due to the DC electric field, that is, the Kerr effect, the change in the refractive index due to the molecular orientation in the polymer due to the electric field at room temperature, and the electric field orientation of the polymer matrix itself. Although there are contributions from the electro-optic effect, etc., the effect is not so large in general, and can be sufficiently used to compare at least relative μβ products. It should be noted that in order to be able to use the above formula (4), it is considered desirable to make the applied voltage and the concentration of the dissolved dye as small as possible. Also, for molecules that have strong intermolecular interactions even at low concentrations and tend to be antiparallel,
The required μβ product is smaller than the actual μβ, and for molecules where the molecules tend to be parallel, the required μβ
The β product becomes larger than the actual one, but such interaction is important as a dye for nonlinear optics, and the required μβ product corresponds to the actually obtained effective value.

【0036】[0036]

【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をよ
り具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限
り、以下の実施例に限定されるものではない。 実施例1
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples unless it exceeds the gist. Example 1

【0037】[0037]

【化4】 [Chemical 4]

【0038】上記構造式で表される色素とポリメチルメ
タクリレート(アルドリッチ社製、中分子量、固有粘度
0.45、“PMMA”と略称する。)とを溶解したシ
クロペンタノン溶液をスピンコーティングし、膜厚30
0ÅのITO電極上に、膜厚約1〜3μmのフィルムを
作製した。PMMA中の色素濃度は5重量%となるよう
にした。130℃で1時間乾燥して溶媒を除去した後、
金を1000Åの厚さに真空蒸着した。1.31μmの
半導体レーザーの光を用いて、前述の作用の項で述べた
方法で分子超分極率βの測定を行なった。ポーリングの
ための加熱は加熱は、120℃で10分間行い、印加し
た電場は、直流電場が0.5MV/cmとなるような直
流電圧に、交流電圧10Vrmsを重畳したものを用い
た。得られた結果は、μβ積が3330×10-48 es
uであった。
A cyclopentanone solution in which the dye represented by the above structural formula and polymethylmethacrylate (manufactured by Aldrich, medium molecular weight, intrinsic viscosity 0.45, abbreviated as "PMMA") are dissolved is spin-coated, Film thickness 30
A film having a thickness of about 1 to 3 μm was formed on the ITO electrode of 0 Å. The dye concentration in PMMA was adjusted to 5% by weight. After drying at 130 ° C for 1 hour to remove the solvent,
Gold was vacuum deposited to a thickness of 1000Å. The molecular hyperpolarizability β was measured by the method described in the above section using the light of a semiconductor laser of 1.31 μm. The heating for poling was performed at 120 ° C. for 10 minutes, and the applied electric field was a DC voltage such that the DC electric field was 0.5 MV / cm, with an AC voltage of 10 Vrms superposed. The obtained result shows that the μβ product is 3330 × 10 −48 es
It was u.

【0039】実施例2Example 2

【0040】[0040]

【化5】 [Chemical 5]

【0041】上記構造式で表される色素とPMMAとを
溶解したシクロペンタノン溶液をスピンコーティング
し、厚さ300ÅのITO電極上に、膜厚約1〜3μm
のフィルムを作製した。PMMA中の色素濃度は4重量
%となるようにした。130℃で1時間乾燥して溶媒を
除去した後、金を1000Åの厚さに真空蒸着した。
1.31μmの半導体レーザーの光を用いて、前述の作
用の項で述べた方法で分子超分極率βの測定を行なっ
た。ポーリングのための加熱は加熱は、120℃で10
分間行い、印加した電場は、直流電場が0.5MV/c
mとなるような直流電圧に、交流電圧10Vrmsを重
畳したものを用いた。得られた結果は、μβ積が368
0×10-48 esuであった。 比較例1
A cyclopentanone solution in which the dye represented by the above structural formula and PMMA are dissolved is spin-coated, and an ITO electrode having a thickness of 300 Å is provided with a film thickness of about 1 to 3 μm.
The film of was produced. The dye concentration in PMMA was adjusted to 4% by weight. After drying at 130 ° C. for 1 hour to remove the solvent, gold was vacuum-deposited to a thickness of 1000Å.
The molecular hyperpolarizability β was measured by the method described in the above section using the light of a semiconductor laser of 1.31 μm. The heating for poling is 10 at 120 ° C.
The applied electric field is 0.5 MV / c
An alternating current voltage of 10 Vrms was superimposed on a direct current voltage of m. The obtained result shows that the μβ product is 368.
It was 0 × 10 −48 esu. Comparative Example 1

【0042】[0042]

【化6】 [Chemical 6]

【0043】色素を上記構造式で表されるディスパース
レッド1(アルドリッチ社製)としたこと以外は、実施
例1と同様にしてμβ積の測定を行なった。その際の加
熱条件は110℃、10分で、印加電圧は直流100V
に交流20Vrms を重畳したものを用いた。得られたμ
β積は1100×10-48 esuであった。 比較例2
The μβ product was measured in the same manner as in Example 1 except that Disperse Red 1 (manufactured by Aldrich) represented by the above structural formula was used as the dye. The heating condition at that time is 110 ° C. for 10 minutes, and the applied voltage is DC 100V.
An alternating current of 20 V rms was used. Obtained μ
The β product was 1100 × 10 −48 esu. Comparative example 2

【0044】[0044]

【化7】 [Chemical 7]

【0045】色素を上記構造式で表される色素としたこ
と以外は、実施例1と同様にしてμβ積の測定を行なっ
た。その際の加熱条件は110℃、10分で、印加電圧
は直流100Vに交流20Vrms を重畳したものを用い
た。得られたμβ積は550×10-48 esuであっ
た。
The μβ product was measured in the same manner as in Example 1 except that the dye represented by the above structural formula was used. The heating condition at that time was 110 ° C. for 10 minutes, and the applied voltage was 100 V DC and 20 V rms AC was superimposed. The μβ product obtained was 550 × 10 −48 esu.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の非線形光学
材料用色素は、著しく分子超分極率βが高く、このよう
な非線形光学材料用色素を用いた本発明の非線形光学材
料によれば、非線形感受率が著しく良好な高性能の非線
形光学材料が提供される。特に、請求項3の非線形光学
材料によれば、製造が容易で機能性、多様性に優れた非
線形光学材料が提供される。このような本発明の非線形
光学材料は、電気光学光変調素子や波長変換素子等に用
いて、光の制御を行なうための非線形光学材料として、
工業的に極めて有用である。
As described in detail above, the dye for non-linear optical material of the present invention has a remarkably high molecular hyperpolarizability β, and according to the non-linear optical material of the present invention using such a dye for non-linear optical material, A high-performance non-linear optical material having a remarkably good non-linear susceptibility is provided. Particularly, according to the non-linear optical material of claim 3, a non-linear optical material that is easy to manufacture and has excellent functionality and versatility is provided. Such a non-linear optical material of the present invention is used as an electro-optical light modulator, a wavelength conversion element, or the like, as a non-linear optical material for controlling light.
It is extremely useful industrially.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明において、電気光学効果の測定に使用さ
れる装置の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus used for measuring an electro-optical effect in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザー 2 偏光子 3 パピネソレイユ補償板 4 検光子 5 フォトダイオード 6 ロックインアンプ 7 電源 8 サンプル 9 ヒーター 10 電極(ITO及び金) 11 温度制御器 1 Laser 2 Polarizer 3 Papine Soleil Compensator 4 Analyzer 5 Photodiode 6 Lock-in Amplifier 7 Power Supply 8 Sample 9 Heater 10 Electrode (ITO and Gold) 11 Temperature Controller

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下記一般式(I)で示されることを特徴
とする非線形光学材料用色素化合物。 【化1】 (式中、R1 及びR2 は、それぞれ独立して、置換され
ていてもよい低級アルキル基を表し、また、R1 及びR
2 は互いに連結して環を形成していてもよい。R 3 は、
水素原子、置換されていてもよい低級アルキル基あるい
は低級アルコキシ基、又は−NHCOR4 基を表し、R
4 は低級アルキル基を表す。)
1. A compound represented by the following general formula (I):
And a dye compound for a nonlinear optical material. [Chemical 1](In the formula, R1And R2Are each independently replaced
Represents a lower alkyl group which may be represented by R,1And R
2May combine with each other to form a ring. R 3Is
Hydrogen atom, optionally substituted lower alkyl group
Is a lower alkoxy group, or -NHCORFourRepresents a group, R
FourRepresents a lower alkyl group. )
【請求項2】 請求項1に記載の色素化合物を含有する
ことを特徴とする非線形光学材料。
2. A non-linear optical material comprising the dye compound according to claim 1.
【請求項3】 請求項2に記載の非線形光学材料であっ
て、高分子中に請求項1に記載の色素化合物を含有さ
せ、加熱しながら電場を印加して該色素化合物を配向さ
せて得られる非線形光学高分子材料。
3. The non-linear optical material according to claim 2, wherein the dye compound according to claim 1 is contained in a polymer, and an electric field is applied while heating to orient the dye compound. Nonlinear optical polymer materials.
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