WO2005024498A1

WO2005024498A1 - 空間光変調素子及び空間光変調方法

Info

Publication number: WO2005024498A1
Application number: PCT/JP2004/013182
Authority: WO
Inventors: Toshihiko Nagamura; Ikuo Matsukura
Original assignee: Asahi Glass Company, Limited
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2005-03-17
Also published as: US7453620B2; CN1842733A; TWI351541B; JP4774991B2; KR101080025B1; CN100380177C; KR20060090662A; US20060146388A1; EP1662297A4; EP1662297A1; JPWO2005024498A1; TW200513704A

Abstract

変調駆動光として極短パルスの高パワーレーザー光を用いても光変調特性が劣化しない長寿命の空間光変調素子の提供。プリズム２と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層３との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層４を介在させてなる空間光変調素子１。この空間光変調素子１を用い、プリズムと低屈折率層との界面でプリズムを通して入射される被変調光５の反射を変調駆動光６により制御することを特徴とする空間光変調方法。

Description

明細書空間光変調素子及び空間光変調方法技術分野

本発明は、ディスプレイ装置、光情報処理装置などに用いられる空間光変調素子及び空間光変調方法に関する。さらに詳細には、被変調光を反射させるために従来の金属層に代えて低屈折率層を用いて、被変調光を導波モードで閉じ込めるかまたは反射させることにより使用寿命が長く、変調応答感度が高く、高速度での光変調を可能にした空間光変調素子及び空間光変調方法に関する。背景技術

従来より、表面プラズモン共鳴を用いた空間光変調素子としては、プリズムの一面に金属層と、光照射により屈折率が変化する物質からなる光機能性膜（色素含有膜などとも称される）とを積層してなる素子が提案されている（例えば、特許文献 1〜 6参照。）。この素子は、変調するべき被変調光をプリズムを通して入射し、金属膜で閉じ込めるかまたは反射させてプリズムから出射する際に、光機能性膜に変調駆動光を必要に応じて照射することにより、変調駆動光の ONZOFFによつて被変調光の閉じ込め条件を変化させ高速光変調を実行可能な構造を有する素子である。

特許文献特開平 5— 273503号公報

特許文献特開 2000— 292758号公報

特許文献特開 2000— 314857号公報

特許文献特開 2000— 314859号公報

特許文献特開 2000— 314860号公報

特許文献特開 2002— 258332号公報発明の開示

しかしながら、従来の空間光変調素子は、変調駆動光としてフェムト秒レーザ一等の極短パルスの高パワーレーザー光を用いると金属層がダメージを受け、被変調光の光変調特性が劣化する可能性があり、素子の寿命が短いという問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、変調駆動光として極短パルスの高パワーレーザー光を用いても光変調特性が劣化しない長寿命の空間光変調素子の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、誘電体と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層を介在させてなることを特徴とする空間光変調素子を提供する。

また本発明は、誘電体と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層を介在させてなり、前記誘電体と低屈折率層との界面で誘電体を通して入射される被変調光の反射が変調駆動光により制御されるように構成したことを特徴とする空間光変調素子を提供する。

本発明の空間光変調素子において、前記低屈折率層は有機材料からなることが好ましいまた前記低屈折率層は、含フッ素樹脂からなることが好ましい。

この含フッ素樹脂は C一 H結合を有しない非結晶性の含フッ素重合体からなることが好ましい。

また本発明は、誘電体と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層を介在させてなる空間光変調素子を用い、前記誘電体と低屈折率層との界面で誘電体を通して入射される被変調光の反射を変調駆動光により制御することを特徴とする空間光変調方法を提供する。

本発明の空間光変調方法において、前記変調駆動光による被変調光の反射の制御が、被変調光の反射と、導波モードによる被変調光の閉じこめとの組み合わせであることが好ましい。発明の効果

本発明の空間光変調素子は、従来の金属層に代えて透明な低屈折率層を備え、被変調光を誘電体と低屈折率層との界面で反射させ、光機能性材料に変調駆動光を必要に応じて照射することにより、変調駆動光の O NZO F Fによって被変調光の変調、制御を行うものである。このため、光機能性材料層に照射される変調駆動光及び被変調光によって素子が受けるダメージが低減され、フエムト秒レ一ザ一光などの高パワーレーザー光を用いても長期間安定に動作し、耐久性に優れ、長寿命の素子を得ることができる。

また金属層に代えて透明な低屈折率層を備えた構成としたことで、変調駆動光の O NZ 〇 F Fによってより高感度に被変調光の反射率が変化し、変調応答感度が極めて高くなり、より高速度での変調が可能となり、ピコ秒オーダーの応答速度を有する空間光変調素子が実現可能となる。

さらに金属層に代えて透明な低屈折率層を備えた構成としたことで、被変調光の入射角と出射角が大きくなり、変調駆動光が出射側に漏れ出して検出されることに起因するノィズの発生が低減される。図面の簡単な説明

図 1 ：本発明の空間光変調素子の第 1の実施形態を示す側面図である。

図 2 ：本発明の空間光変調素子の第 2の実施形態を示す側面図である。

図 3 ：実施例の実験の測定に用いた測定系の構成図である。

図 4 ： A g型素子について計算した導波モード動作特性のグラフである。

図 5 ：本発明素子について計算した導波モード動作特性のグラフである。

図 6 ：図 5の要部拡大図である。

図 7 ： A g型素子と本発明素子とのそれぞれの消衰係数 kと反射率との関係を示すダラフである。

図 8 ：本発明素子において、低屈折率層の膜厚を 1 0 0 ~ 8 0 0 n mの間で変化させた場合の消衰係数 kと反射率との関係を示すグラフである。

図 9 ：本発明素子において、低屈折率層の屈折率実部 nを変化させた場合の入射角 Sと反射率との関係を示すグラフである。

図 1 0 ：本発明素子において、消衰係数 kの値を変化させた場合の入射角 0と反射率との関係を示すグラフである。

図 1 1 ：発明素子において、低屈折率層の屈折率実部 nを変化させた場合の消衰係数 k と反射率との関係を示すグラフである。

図 1 2 ：厚さ 2 2 0 n mの P F V I層のみを波長 4 0 0 n mのフエムト秒レーザー光で励起した際の過渡吸収スぺクトルを示すグラフである。

図 1 3 ：厚さ 2 2 0 n mの P F V I層のみを波長 4 0 0 n mのフエムト秒レーザー光で励起した際の 630 nmでの過渡吸収の経時変化を示すグラフである。

図 14 ：厚さ 220 nmの PFV I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフエムト秒レーザー光（入射角 0 = 65度）で励起した際の過渡反射スペクトルを示すグラフである。

図 15 ：厚さ 220 nmの P F V I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフエムト秒レーザ一光 (入射角 0 = 65度）で励起した際の 680 nmでの反射強度の経時変化を示すグラフである。

図 16 ：厚さ 220 nmの P F V I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフエムト秒レーザー光で励起した直後の異なる入射角での過渡反射及び P FV I層のみでの過渡吸収スぺクトルを示すグラフである。

図 17 ：厚さ 400 nmの P F V I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフエムト秒レ一ザ一光で励起した直後の異なる入射角での過渡反射及び P FV I層のみでの過渡吸収スぺクトルを示すグラフである。符号の説明

1， 7…空間光変調素子、 2…プリズム (誘電体）、 3…光機能性材料層、 4…低屈折率層、 5…被変調光、 6…変調駆動光、 8…スライドガラス (誘電体）、 11…回転ステ —ジ、 12…フェムト秒レーザー光源、 14— BBO結晶、 15， 18…ハーフミラ一、 16 D₂ 0/H₂ Oセル、 17…可変遅延ライン、 19, 20…光ファイバ、 21…光検出 ¾§。発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明に係る空間光変調素子の第 1の実施形態を示す図である。この空間光変調素子 1は、誘電体からなるプリズム 2 (誘電体）と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層 3との間に、プリズム 2を構成する誘電体の屈折率 n 1よりも低い屈折率 n 2をもつ透明材料からなる低屈折率層 4を介在させてなり、プリズム 2と低屈折率層 4との界面で、プリズム 2を通して入射される被変調光 5の反射が変調駆動光 6により制御されるように構成されている。

本発明において被変調光 5を入射する誘電体としては、このプリズム 2に限定されず、板状、厚板状、ブロック状などの他の形状とし得る。断面三角形をなすプリズム 2を用いることは、その第 1面に低屈折率層 4と光機能性材料層 3とを積層し、プリズム 2の第 2 面から被変調光 5を入射し、プリズム 2の第 3面から反射した光を出射させる構造が容 ¾ に構築できることから、特に好ましい。

このプリズム 2は、被変調光 5の波長に対して透明である誘電体で形成される。特に被変調光の波長に対する屈折率が 1. 4〜 3の範囲にある材質からなるものが好ましい。具体的には BK7、石英ガラス、高屈折率ガラス、ポリ力一ポネート等が挙げられる。プリズム 2と低屈折率層 4の屈折率の差（n 1— n 2) は 0. 05〜0. 9の範囲が好適である。

前記低屈折率層 4を構成する材料は、その材料の屈折率 n 2が、プリズム 2を構成する誘電体の屈折率 n 1よりも小さい（すなわち、 112<n 1の関係を有する。）透明な材料であればよいが、被変調光の波長に対し耐光性の良好な無機材料又は有機材料が好ましい。このような無機材料としては、フッ化物結晶、フッ素添加石英ガラスなどが挙げられる。また有機材料としては、例えば含フッ素樹脂が挙げられる。無機材料からなる低屈折率層 4は、スパッ夕法、 CVD法、蒸着法などによって成膜することができる。また有機材料からなる低屈折率層 4は、樹脂溶液をスピンコート法などによつて成膜することができる。製造コスト、製造の容易さなどの製造上の利点から、本発明の空間光変調素子 1に用いる低屈折率層 4としては、有機材料、特に含フッ素樹脂を用いることが好ましい。

この低屈折率層 4の厚さは 1 0 0〜： L 0 0 0 n m、好ましくは 2 0 0〜 1 0 0 0 n m、より好ましくは 3 0 0〜8 0 0 n mの範囲とする。低屈折率層 4の厚さが 1 0 0〜1 0 0 O n mであれば、被変調光 5の変調が良好に行われ、十分な耐久性を得ることができ、長寿命の空間光変調素子 1を得ることができる。

本発明の好適な実施形態において、低屈折率層 4は含フッ素樹脂からなることが好ましく、さらにこの含フッ素樹脂は、 C一 H結合を有しない非結晶性の含フッ素重合体からなることが好ましい。この含フッ素重合体は C— H結合の代わりに C一 F結合（すなわち、炭素一フッ素結合）を有する。

含フッ素重合体として、従来よりテトラフルォロエチレン樹脂、パーフルォロ（ェチレン—プロピレン）樹脂、パーフルォロアルコキシ樹脂、ビニリデンフルオライド樹脂、ェチレンーテトラフルォロエチレン樹脂、クロ口トリフルォロエチレン樹脂等が広く知られている。しかしながら、これらの含フッ素樹脂は結晶性を有するため、光の散乱が起こり、透明性が劣り、変調駆動光 6が照射された際に融解などが生じ、耐久性が劣る可能性がある。

これに対して、非結晶性の含フッ素重合体は、結晶による光の散乱がないため、透明性に優れる。含フッ素重合体としては、 C一 H結合を実質上有しない非結晶性の含フッ素重合体であれば何ら限定されないが、主鎖に環構造を有する含フッ素重合体が好ましい。主鎖に環構造を有する含フッ素重合体としては、含フッ素脂肪族環構造、含フッ素イミド環構造、含フッ素トリアジン環構造または含フッ素芳香族環構造を有する含フッ素重合体が好ましい。含フッ素脂肪族環構造を有する含フッ素重合体では含フッ素脂肪族エーテル環構造を有するものがさらに好ましい。

含フッ素脂肪族環構造を有する重合体としては、含フッ素環構造を有するモノマ一を重合して得られるものや、少なくとも 2つの重合性二重結合を有する含フッ素モノマ一を環化重合して得られる主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体が好適である。

含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーを重合して得られる主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、特公昭 6 3 - 1 8 9 6 4号公報等により知られている。即ち、パーフルォロ（2， 2—ジメチルー 1， 3—ジォキソール）等の含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーを単独重合することにより、またこのモノマーをテトラフルォロエチレン、クロロトリフルォロエチレン、パ一フルォロ（メチルビニールエーテル）などのラジカル重合性モノマーと共重合することにより主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体が得られる。

また、少なくとも 2つの重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、特開昭 6 3 - 2 3 8 1 1 1号公報や特開昭 6 3— 2 3 8 1 1 5号公報等により知られている。即ち、パーフルォロ（ァリルビニルエーテル）ゃパ一フルォロ（ブテ二ルビニルエーテル）等のモノマ一を環化重合することにより、またはこのようなモノマ一をテトラフルォロエチレン、クロ口トリフルォロエチレン、パ一フルォロ（メチルビ二ルェ一テル）などのラジカル重合性モノマ一と共重合することにより主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体が得られる。

また、パーフルォロ（2 , 2—ジメチルー 1 , 3ージォキソール) 等の含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーとパ一フルォロ (ァリルビエルエーテル) ゃパ一フルォロ（ブテ二ルビニルエーテル）等の少なくとも 2つの重合性二重結合を有する含フッ素モノマーとを共重合することによつても主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体が得られる。前記の含フッ素脂肪族環構造を有する重合体としては、具体的には以下の（I ) 〜（I V) 式から選ばれる繰り返し単位を有するものが例示される。なお、これらの含フッ素 ffi 肪族環構造を有する重合体中のフッ素原子は、一部塩素原子で置換されていてもよい。

CF₂、

CFz -CF CF)-

(CF₂ )_k (CFR )_n (I)

O (CF₂) m

-CCF₂ -CF- CF— CF₂

CCF₂ )_k (CFR ) _n (II)

〇 (CF₂) rn

CF₂

(IV)

[前記（I) （I V) 式において、 kは 0~5 mは 0 4 nは 0~1 k+m+n は:！〜 6 o, p Qはそれぞれ 0~5 o + p + qは 1 6 Rは Fまたは CF₃ R ！は Fまたは CF₃ R₂ は Fまたは CF₃ X₁ は Fまたは Cし X₂ は F, C I , O R f または R f (R fは炭素数 1 3のパーフルォロアルキル基）である。 ]

含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、主鎖に環構造を有する重合体が好適であるが、環構造を有する重合単位を 20モル％以上、好ましくは 40モル％以上含有するものが透明性、機械的特性等の面から好ましい。

本発明において光機能性材料層 3の材料としては、従来より空間光変調素子などの分野において、光照射により屈折率が変化する物質として知られている材料の中から選択して用いることができる。このような物質としては、例えば特開平 5— 273503号公報中に記載されているメチルオレンジゃメチルレッドを高分子 (ポリビニルアルコール）にドープした材料、液晶、フォトリフラクティブ結晶（チタン酸バリウム、ケィ酸ビスマスなど）、紫膜、フォトクロミック材料、または特開 2000— 292758号公報に記載されている次の式（1) （6) で表される化合物などが挙げられる。

[DYE+]- (S〇₃— )_n+1 ⁿ 2

[式（1) 中、 DYE+ は、価のシァニン色素陽イオンを表し、 nは 1以上の整数を表し、 R₅及び R₆ は、各々独立に置換基を表し、 R₇ 及び R₈ は、各々独立にアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ァラルキル基、ァリール基または複素環基を表す。 R₅ と R₆ R₅ と R₇ R₆ と R₈ 又は R₇ と R₈ は各々互いに連結して環を形成してもよく、 r及び sは、各々独立に 0~4の整数を表し、そして rと sが 2以上の場合には、複数の r及び sは各々互いに同じであっても異なっていてもよい。 ]

[式（2) 中、 A¹ , A² , B¹ 及び B² は置換基を表し、 L¹ , L² L³ , L ⁴及び L⁵ はメチン基を表し、 X¹ は =0 =NR =C (CN) 2 を表し（ここで Rは置換基を表す）、 X² は— 0 — NR — C (CN) 2 を表し（ここで Rは置換基を表す）、 m , nは 0 2の整数を表す。 Mk+はォニゥムイオンを表す。 kは電荷数を表す。 ]

[式（3) 中、 A¹ , A² , Β¹ 及び Β² は置換基を表し、 L¹ ， L² , L³， L ⁴及び L⁵ はメチン基を表し、 X¹ は =0, =NR, =C (CN) 2 を表し（ここで Rは置換基を表す）、 X² は— O, — NR， -C (CN) 2 を表し（ここで Rは置換基を表す）、 m , nは 0〜2の整数を表す。 Y¹ と Eは炭素環または複素環を形成するのに必要な原子または原子群を表し、 Z¹ と Gは炭素環または複素環を形成するのに必要な原子または原子群を表す。 X及ぴ yはそれぞれ独立に 0または 1を表す。 Mk+はォニゥムイオンを表す。 kは電荷数を表す。 ]

1

R³⁰-[\ CH=CH + L³ - L⁴ L⁵--L⁶=L⁷)-C CH- CH N⁺ - R³¹ p n1 n2 q

(M1)m1

. . . (4)

[式（4) 中、 Z¹ および Z² は 5員または 6員の含窒素複素環を形成するに必要な原子群を表し、 R³ Q， R^{3 1} は各々独立にアルキル基を表し、 L³ , L⁴ , L⁵， L⁶ および L⁷ はメチン基を表し、 n l, n 2は各々 0〜2の整数を表し、 p, qは各々独立に 0 〜 2の整数を表し、 Mは電荷均衡対イオンを表す。 ]

[式（5) 中、 m， nは各々独立に 0~2の整数を表し、 X¹ , X² は=NR¹ または = CR² R³ を表し（R¹ ， R² , R³ は置換基を表す）、 L¹ および L² は各々独立に 2 価の連結基を表す。 ]

[式（6) 中、 Mは金属原子を表し、 Xは酸素原子、硫黄原子、または =NR^{2 1} を表し、 R ^{2 1} は、水素原子、アルキル基、ァリール基、ァシル基、アルキルスルホニル基、またはァリールスルホニル基を表し、 Z ^{1 1} は 5員または 6員の含窒素複素環を完成するために必要な原子団を表し、 Z ^{1 2} は、芳香環または複素芳香環を完成するために必要な原子団を表す。 ]

前記式（1 ) 〜（6 ) の化合物は、非晶質状態を保ち易くするために高分子化合物を併用することが望ましい。このような高分子化合物の例としては、ゼラチン、デキストラン、ロジン、ゴムなどの天然高分子物質、ニトロセルロース、セルロースアセテート、セル口一スアセテートブチレ一トなどのセルロース誘導体、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリイソプチレンなどの炭化水素系樹脂、テトラフルォロエチレン樹脂、パーフルォロ (エチレン一プロピレン) 樹脂、含フッ素脂肪族環構造、含フッ素イミド環構造、含フッ素トリアジン環構造または含フッ素芳香族環構造を有する含フッ素重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ピニリデン、ポリ塩化ビニルーポリ酢酸ビニル共重合体などのビニル系樹脂、ポリエ一テル、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチルなどのァクリル樹脂、ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、塩素化ポリオレフイン、エポキシ樹脂、プチラール樹脂、ゴム誘導体、フエノール—ホルムアルデヒド樹脂等の熱硬化性樹脂の初期重合物などの合成高分子物質を挙げることができる。

本発明において好適に用いることができる光機能性材料層 3の別の材料としては、特開 2 0 0 2— 3 2 8 3 4 9号公報中に記載されている次の式（7 ) で表される化合物が挙げられる。

R R₂ (了)

[式（7 ) 中、 Xはビビリジニゥム基の窒素原子に対して 4位又は 2位で結合したチオフェニル基、フリル基、ピチオフェニル基、ターチオフェニル基、ピレニル基、ペリレニル基又はビニル基を表し、 1^ と R ₂ はそれぞれ独立にアルキル基、ポリ（テトラメチレン才キシ) 基、ヒドロキシアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ァラルキル基、ァリール基又は複素環基を表し、 Y—はクロリド、プロミド、ョージド、ァニオン性置換基をもつ芳香族分子、トリフルォロメチル基又は他の電子吸引性置換基を 1個以上有するテトラフェニルホウ酸を表す。 ]

この式（7 ) の化合物は前記高分子化合物に分散状態で添加し、又は高分子化合物の主鎖の一部又は側鎖に含めた状態で用いることが好ましい。この式（7 ) の化合物を分散させた、又は主鎖の一部又は側鎖に含む高分子化合物は、その溶液をスピンコート法などによって容易に成膜することができる。この式（7 ) の化合物は、変調駆動光 6として好適なフエムト秒レーザ一光に対する耐光性に優れており、フエムト秒レ一ザ一を用いる空間光変調素子 1の光機能性材料層 3の耐久性が高くなり、長寿命の空間光変調素子 1を構築し得ることから、本発明に用いる光機能性材料として特に好ましい。

本発明において光機能性材料は、光照射により屈折率が変化する物質であればよい。また照射する光の波長については特に制限はなく、可視光から近赤外光まで広く選択可能である。すなわち、照射に用いる特性の波長の光を吸収して屈折率が変化する材料を光機能性材料として選択すればよレ ^。

本発明の空間光変調素子 1において、光機能性材料層 3の厚さは 1 0 0〜 1 0 0 0 n m 、好ましくは 1 5 0〜1 0 0 0 n m、より好ましくは 2 5 0 ~ 8 0 0 n mの範囲とする。光機能性材料層 3の厚さが前記範囲であれば、被変調光 5の変調が良好に行われ、十分な耐久性を得ることができ、長寿命の空間光変調素子 1を得ることができる。

次に、この空間光変調素子 1における光変調動作特性を説明する。

この空間光変調素子 1を用いて光変調を行うには、図 1に示すように断面三角形をなし第 1面に低屈折率層 4と光機能性材料層 3とを積層してあるプリズム 2の第 2面から被変調光 5を入射する。被変調光 5は、入射角 0が所定の範囲内である時にプリズム 2と低屈折率層 4との界面で反射され、プリズムの第 3面から出射する。この時の入射角 0の範囲は 4 0度〜 8 5度の範囲とされ、特に変調駆動光 6を光機能性材料層 3に照射した時に導波モードが生成され被変調光 5が閉じ込められる角度に合わせることが好ましい。プリズム 2に入射する被変調光 5の波長は特に限定されない。

この空間光変調素子 1の光機能性材料層 3に、必要に応じて変調駆動光 6を照射すると、光機能性材料層 3の消衰係数 kが増加し、この消衰係数 kの増加に伴って、前記被変調光 5の反射率が鋭敏に変化し、変調駆動光 6の O N O F Fによってプリズム 2の第 3面から出射する被変調光 5の変調が行われる。変調駆動光 6を光機能性材料層 3に照射した時に導波モ一ドが生成され被変調光 5が閉じ込められる角度に合わせて被変調光 5を入射した場合、変調駆動光 6を照射しない O F F時には、被変調光 5の反射率が変化せず、ほぼ全ての入射光がプリズム 2と低屈折率層 4との界面で反射され、プリズム 2の第 3面から出射する。一方、光機能性材料層 3に変調駆動光 6を照射する（O N時）と、光機能性材料層 3の消衰係数 kが増加し、この消衰係数 kの増加に伴って、被変調光 5の反射率が急落し、プリズム 2の第 3面から出射する被変調光 5が急激に弱くなるか、又は実質的に無くなる。ここで被変調光 5の反射率の急落は、プリズム 2と低屈折率層 4との界面から、低屈折率層 4、光機能性材料層 3までの間で定在波が導波モードとして生成し、結果として反射が見られなくなるためである。従って、変調駆動光 6の O N/O F Fによって、被変調光 5の光スィツチング又は強度変調が可能である。

変調駆動光 6の O NZO F F切り換えにより生じる反射率変化は、 O N時では 1ピコ秒以下、 O F F時では数〜数百ピコ秒以下であり、この空間光変調素子 1により極めて高速度の光変調が可能となる。

この空間光変調素子 1は、従来の金属層に代えて透明な低屈折率層 4を備え、被変調光 5をプリズム 2と低屈折率層 4との界面で反射させ、光機能性材料 3に変調駆動光 6を必要に応じて照射することにより、変調駆動光 6の O NZO F Fによって被変調光 5の変調を行うものなので、光機能性材料層 3に照射される変調駆動光 6及び被変調光 5によって素子が受けるダメ一ジが低減され、フエム卜秒レーザー光などの高パワーレーザー光を用いても長期間安定に動作し、耐久性に優れ、長寿命の素子を得ることができる。

また金属層に代えて透明な低屈折率層 4を備えた構成としたことで、変調駆動光 6の O N/O F Fによってより高感度に被変調光 5の反射率が変化し、変調応答感度が極めて高くなり、より高速度での変調が可能となり、ピコ秒オーダーの応答速度を有する空間光変調素子が実現可能となる。

さらに金属層に代えて透明な低屈折率層 4を備えた構成としたことで、被変調光 5の入射角と出射角が大きくなり、変調駆動光 6が出射側に漏れ出して検出されることに起因するノイズの発生が低減される。

図 2は本発明の空間光変調素子の第 2の実施形態を示す図である。この空間光変調素子 7は、図 1に示す第 1の実施形態による空間光変調素子 1とほぼ同様の構成要素を備えて構成されており、同じ構成要素には同一符号を付してある。この空間光変調素子 7が第 1 の実施形態による空間光変調素子 1と異なる点は、プリズム 2と同じ屈折率（n l ) を持っスライドガラス 8を用い、このスライドガラス 8の一面側に低屈折率層 4と光機能性材料層 3とを積層し、そのスライドガラス 8の他面側にプリズム 2を固定し、プリズム 2から入射した被変調光 5を、スライドガラス 8と低屈折率層 4との界面で反射させるように構成した点である。プリズム 2とスライドガラス 8とは、それらの材料と同じ屈折率のマッチング液ゃ透明樹脂接着剤を介して固定することが望ましい。

この空間光変調素子 7は、図 1に示す第 1の実施形態による空間光変調素子 1と同様に、変調駆動光 6の O N/O F Fによって被変調光 5を高速度変調することが可能であり、第 1の実施形態による空間光変調素子 1と同様の効果を得ることができる。さらにこの空間光変調素子 1は、スライドガラス 8の一面側に低屈折率層 4と光機能性材料層 3とを積層したものなので、スピンコート法などによって低屈折率層 4と光機能性材料層 3とを形成することが容易となり、空間光変調素子 1が製造し易くなり、製造コストを低下できる他の形態としては、プリズムではなく回折格子を用いても空間光変調素子を構成できる以下、実施例により本発明の作用効果をより具体的に説明する。

実施例

(従来の空間光変調素子の作製）

スライドガラス (屈折率 n 1 = 1 . 5 2 ) の一方の面に、厚さ 5 0 n mの銀（A g ) 薄膜を真空蒸着法により成膜し、この銀薄膜上に、厚さ 6 0 0 n mの次式（8 ) で表される P F V Iからなる光機能性材料層をスピンコート法によって成膜し、さらにスライドガラスの他方の面に断面三角形のガラス製プリズムを載置し、銀薄膜を有する従来の空間光変調素子（以下、 A g型素子と記す。）を作製した。

(本発明の空間光変調素子の作製）

スライドガラス（屈折率 n 1 = 1 . 5 2 ) の一方の面に、厚さ 4 0 0 n mの含フッ素樹脂の薄膜をスピンコート法により成膜した。ただしこの含フッ素樹脂としては、パーフルォロ（ブテ二ルビニルエーテル）を環化重合して得られた、主鎖に脂肪族環構造を有する含フッ素重合体（旭硝子社製、サイトップ（登録商標）、屈折率 n 2 = 1 . 3 4 ) を用いた。この重合体は C一 H結合を有しない非結晶性の含フッ素重合体である。この含フッ素樹脂からなる低屈折率層上に、厚さ 6 0 0 n mの式（8 ) で表される P F V Iからなる光機能性材料層をスピンコート法によって成膜し、さらにスライドガラスの他方の面に断面三角形のガラス製プリズム（屈折率 n 1 = 1 . 5 2 ) を載置し、低屈折率層を有する本発明の空間光変調素子（以下、本発明素子と記す。）を作製した。

(変調動作特性の測定）

図 3は、前記の通り作製した A g型素子と本発明素子とのそれぞれの変調動作特性を測定するために用いた測定系を示す構成図である。

A g型素子と本発明素子とは、回転ステージ 1 1に固定する。この回転ステージ 1 1は、被変調光 5の入射方向に対して素子 7の角度を変えることで、素子 7の入射角 Sを適宜調整可能になっている。

被変調光 5及び変調駆動光 6は、フェムト秒レーザー光源 1 2から照射されたレーザ一光を分割して用いる。フェムト秒レーザー光源 12から照射されたレ一ザ一光は、 BBO 結晶 14により半分の波長の第 2高調波とし、この第 2高調波をハーフミラ一 15で 2つに分割し、ハーフミラー 15の透過光を D₂ 0/H₂ 〇セル 16に集光し、フェムト秒の白色光を生成させ、この光を可変遅延ライン 17に導いて必要なタイムラグを得るようにする。この可変遅延ライン 17から出射した光をハーフミラ一 18で 2つに分割し、このハーフミラ一 18の透過光を回転ステージに取り付けた素子 7のプリズムに入射する。第 1のハーフミラー 15の反射光（第 2高調波）は、素子 7の光機能性材料層に照射して変調駆動光 6とする。素子 7から出射した被変調光は、光ファイバ 19を通して光検出器 2 1に入射される。第 2のハーフミラ一 18の反射光は参照光として光ファイバ 20を通して光検出器 21に入射される。

(計算結果）

図 4~11はトランスファ一マトリックス (Transfer matrix) 法計算による検討結果を示す。

図 4は A g型素子について計算した導波モード動作特性のグラフである。この計算において、被変調光 5は緑色（543 nm) の H e— N eレーザ一光を用い、光機能性材料層の厚さは 600 nmとしている。

この図中、曲線（a) は光機能性材料層として屈折率 n_{3 a} =1. 5の材料とした場合の被変調光 5の反射率と入射角度 Θとの関係を示し、曲線（b) は光機能性材料層として屈折率 n_{3 b} = 1. 52の材料とした場合の被変調光 5の反射率と入射角度 0との関係を示し、曲線（c) は光機能性材料層として屈折率 1. 5の材料とし、変調駆動光 6を照射して屈折率虚部の変化を生じさせた（屈折率 n_{3 c} =l. 5 + 0. 02 i) 場合の被変調光 5の反射率と入射角度 Sとの関係を示す。

Ag型素子においては、光機能性材料層の屈折率が 1. 5〜1. 52の範囲において、入射角 Θが 45〜 50度の間に導波モードが存在し、反射率が低下している。変調駆動光 6の ON時（b) , (c) と OFF時（a) との比較から、変調駆動光 6の〇N/0 F F の切り換えによって屈折率の実部および/または虚部を変えると、 OFF時の最小反射率の入射角における反射率が変化していることがわかる。

図 5は本発明素子について計算した導波モ一ド動作特性のグラフであり、図 6は図 5の要部拡大図である。この計算において、被変調光 5の波長は 600 nmとしている。光機能性材料層に照射する変調駆動光 6の照射強度を適宜調節して光機能性材料層の屈折率変化を調整し、その消衰係数 kが 0. 0001〜0. 002の所定値となるように調整し、入射角 eに対する反射率を算出している。

これらの図中、曲線（a) は消衰係数 kが 0. 0001の場合の反射率の変化を示し、 (b) は消衰係数 kが 0. 0002の場合の反射率の変化を示し、（c) は消衰係数 kが 0. 0005の場合の反射率の変化を示し、（d) は消衰係数 kが 0. 001の場合の反射率の変化を示し、（e) は消衰係数 kが 0. 002の場合の反射率の変化を示す。銀薄膜に代えて低屈折率層を用いると、かなり広い入射角の範囲で導波モードが現れる。この導波モードのうち、最も反射率変化が著しい入射角 0 = 72. 5〜73. 0度の範囲にある導波モードを対象として、消衰係数 kを適宜変化させた場合の反射率の変化を計算した結果、図 6に示すように、消衰係数 kの僅かな増加によって反射率が急減する特徴が見られる。前述した Ag型素子にあっては、消衰係数 kの増加に伴って、反射率は上昇しており、本発明素子は消衰係数 kの小さい領域での変化に対して A g型素子と逆の応答を示す。

図 7は、 Ag型素子（一口一）と本発明素子（一〇一）とのそれぞれの消衰係数 kと反射率との関係を示すグラフである。図 7からわかるように、 A g型素子に比べて本発明素子では、光機能性材料層の消衰係数 kの増加に対して、より高感度に反射率が変化している。本発明素子では、消衰係数 k の上昇に伴い、初期の急激な反射率低下領域と、それに続くやや緩やかな反射率増加領域とがある。

また実際にフタロシアニン色素を種々の濃度で高分子に分散して薄膜を形成し、可視から近赤外域の波長において反射率を測定した。吸光度と膜厚から評価した消衰係数 kに対して反射率の実測値をプロットすることにより、図 7の計算結果が正しいことが確認された。この結果から、単なる吸収変化を用いる系に比べて、特に吸収変化の小さな領域で本発明素子では相対的に大きな光強度変化を実現できることが示された。具体例としては、光機能性材料層を 3 0 0 n m、サイトップ層を 7 0 0 n mとし、波長を 6 3 2 . 8 n mとした条件で測定したところ、消衰係数 kが 0 . 0 0 1の時、最大で 1 6 0 0倍の光強度変化が観測された。このことから、本発明の素子を用いると低パワーの変調駆動光での変調が可能であることが示された。

図 8は本発明素子において、低屈折率層の膜厚を 1 0 0〜8 0 0 n mの間で変化させた場合の消衰係数 kと反射率との関係を示すグラフである。

本発明素子において、消衰係数 kの変化に対する反射率の変化挙動は、低屈折率層の膜厚に著しく依存し、その膜厚が大きいと消衰係数 kの値が小さい方で反射率の急減とそれに続く増加の傾向を示す。一方、低屈折率層の膜厚が小さいと、消衰係数 kの値が小さい方で反射率が急減する現象が見られなくなる。この結果から、本発明素子において、実際の消衰係数 kの変化との関係で最適な膜厚を選択することで、高感度な光変調素子が得られることがわかる。

図 9は本発明素子において、低屈折率層の屈折率実部 nを変化させた（n = l . 2 9〜 1 . 4 5 ) 場合の入射角 0と反射率との関係を示すグラフである。

また図 1 0は屈折率実部 nが 1 . 4 5の低屈折率層とした本発明素子において、消衰係数 kの値を変化させた場合の入射角 Θと反射率との関係を示すグラフである。

これらの図から、低屈折率層の屈折率実部 nは、 1 . 2 9〜1 . 4 5の範囲のもので導波モードが形成されることがわかる。また屈折率実部 nが小さいと、入射角 Sが低角度側に、 nが大きいと広角度側にシフトする。それぞれにおけるモード入射角幅も屈折率実部 nに依存している。

図 1 1は本発明素子において、厚さ 4 0 0 n mの低屈折率層の屈折率実部 nを変化させた（n = l . 2 9〜1 . 4 5 ) 場合の消衰係数 kと反射率との関係を示すグラフである。本発明素子において、消衰係数 kの変化に対する反射率の変化挙動は、低屈折率層の屈折率実部 nに著しく依存しており、 nが小さいと kの値が小さい方で反射率の急減とそれに続く増加を示す。この結果から、本発明素子において、実際の消衰係数 kの変化との関係で最適な低屈折率層の屈折率を選択することで、高感度な光変調素子が得られることがわかる。

以上の計算結果から、本発明素子においても A g型素子と同様に、 nあるいは kの変化で強度変調、 nの変化で位相変調が可能であることがわかる。

(測定結果）

スライドガラス（屈折率 n 1 = 1 . 5 2 ) の一方の面に、厚さ 3 0 0 n mの含フッ素樹脂（旭硝子社製、サイトップ（登録商標）、屈折率 n 2 = 1 . 3 4 ) を環化重合して得られた主鎖に脂肪族環構造を有する含フッ素重合体の薄膜をスピンコート法により成膜し、この含フッ素樹脂からなる低屈折率層上に、式（8 ) で表される P F V Iをスピンコート法によって積層し、厚さ 2 2 0 n m又は 4 0 0 n mの光機能性材料層とし、この低屈折率層 + P F V I層積層体の光吸収、反射特性を調べた。図 12〜 17は、前記低屈折率層 + P F V I層積層体を用いて測定した光吸収、反射特性の実測デ一夕である。

図 12は、厚さ 2201 111の？¥ I層のみを波長 400 nmのフェムト秒レーザ一光で励起した際の過渡吸収スぺクトルを示すグラフである。

図 13は、厚さ 220 nmの P F V I層のみを波長 400 nmのフエムト秒レーザ一光で励起した際の 630 nmでの過渡吸収の経時変化を示すグラフである。

図 14は、厚さ 220 nmの P FV I層と低屈折率層との積層体を波長 40 Onmのフェムト秒レーザ一光（入射角 0 = 65度）で励起した際の過渡反射スペクトルを示すダラフである。

図 15は、厚さ 220 nmの PFV I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフェムト秒レーザ一光（入射角 0 = 65度）で励起した際の 680 nmでの反射強度の経時変化を示すグラフである。

図 16は、厚さ 220 nmの PFV I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフェムト秒レ一ザ一光で励起した直後の異なる入射角での過渡反射及び P FV I層のみでの過渡吸収スぺクトルを示すグラフである。

図 17は、厚さ 400 nmの P F V I層と低屈折率層との積層体を波長 400 nmのフェムト秒レーザー光で励起した直後の異なる入射角での過渡反射及び P FV I層のみでの過渡吸収スぺクトルを示すグラフである。

図 12〜17に示したグラフから、光電子移動により可視〜近赤外域で超高速変化を示す PFV I層積層体において、フェムト秒レーザー励起（40 O nm) 時にフェムト秒白色光スペクトル反射率の一時的な変化が繰り返しが確認された。よって、この積層体の超高速動作と耐久性が確認された。

また過渡反射率変化スペクトルのピークは、入射角 Θあるいは光機能性材料層（PFV I層）の膜厚に依存し、広角度入射条件あるいは厚い膜では短波長側にシフトした。よつて、この積層体においてフェムト秒レ一ザ一による導波モードが存在することが確認された。

低屈折率層との積層体の反射率の変化は、同じ励起光強度で低屈折率層が存在しない透過率の変化に比べて、 10倍以上大きかった。

また現在観測されている反射率変化は、 ON時は 1ピコ秒以下、 OFF時は数〜数百ピコ秒である。産業上の利用可能性

本発明によれば、フエムト秒レーザー光などの極短パルスの高パワーレーザー光を用いても長期間安定に動作し、耐久性に優れ、長寿命の空間光変調素子が提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . 誘電体と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層を介在させてなることを特徴とする空間光変調素子。

2 . 誘電体と、光照射によって屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層を介在させてなり、前記誘電体と低屈折率層との界面で誘電体を通して入射される被変調光の反射が変調駆動光により制御されるように構成したことを特徴とする空間光変調素子。

3 . 前記低屈折率層が有機材料からなることを特徴とする請求項 1または 2に記載の空間光変調素子。

4 . 前記低屈折率層が含フッ素樹脂からなることを特徴とする請求項 1、 2または 3に記載の空間光変調素子。

5 · 前記含フッ素樹脂が C一 H結合を有しない非結晶性の含フッ素重合体からなることを特徴とする請求項 4に記載の空間光変調素子。

6 . 誘電体と、光照射によつて屈折率が変化する光機能性材料からなる光機能性材料層との間に、前記誘電体の屈折率よりも低い屈折率をもつ透明材料からなる低屈折率層を介在させてなる空間光変調素子を用い、

前記誘電体と低屈折率層との界面で誘電体を通して入射される被変調光の反射を変調駆動光により制御することを特徴とする空間光変調方法。

7 . 前記変調駆動光による被変調光の反射の制御が、被変調光の反射と、導波モードによる被変調光の閉じこめとの組み合わせであることを特徴とする請求項 6に記載の空間光変調方法。