JP2002344047A - レーザー構造体、発光装置、表示装置、光増幅器及びレーザー構造体の製造方法 - Google Patents
レーザー構造体、発光装置、表示装置、光増幅器及びレーザー構造体の製造方法Info
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Abstract
造工程も難易度が高くならないようなレーザー構造体
と、その応用装置、さらには該レーザー構造体の製造方
法を提供する。 【解決手段】本発明にかかるレーザー構造体は、面心立
方格子構造または最密六方格子構造となるように周期的
に配列される微粒子11を母体とするものであり、その
ように規則的に配列された微粒子11でブラッグ反射を
生じさせ、色素や有機エレクトロクロミック材料などの
発光性材料をレーザー媒体としてレーザー発振を発生さ
せる。
Description
適用可能なレーザー構造体と、そのようなレ−ザー構造
体を用いた表示装置、発光装置及び光増幅器と、更には
前記レーザー構造を製造するためのレーザー構造体の製
造方法に関する。
ーザーや半導体レーザーが広く知られている。ガスレー
ザーはガスを励起して発振させるもので、鏡を置くこと
で共振器を形成する。これに対して半導体レーザーは、
半導体を励起して発振させるもので、一般には端面を鏡
として共振器を形成する。また最近、微小球レーザを用
いてレーザー発振したという報告がある。これは微小球
そのものが共振器となり、その中で光が全反射条件で周
回することでレーザー発振するもの(Whispering-Galler
y modes)であり、このような技術については、「化学」第
47巻、3号、156頁(1992年)、 「化学と工業」第
45巻、6号、1110頁(1992年)などの文献に記載
されており、また、特開平5‐61080号公報にも、微小球
を用いレーザー発振させる技術について記載がある。
装置が大型化する上に消費電力も大きい。また、場合に
よっては大掛かりな冷却機構が必要となる。さらにガス
レーザの作製工程は、鏡やガスチューブを使うので複雑
であるし、メンテナンスにも高度な技術を必要とする。
また発振波長は、ガスの物性によるところが大きく、ま
だ実在しないような波長範囲がある。
上にMBEやMOCVDなどの難しい成長技術を使用するので、
製造工程が複雑で困難になる上に高価になる。また発振
波長は、半導体の物性によるところが大きく、デバイス
としてまだ実在しないような波長範囲がある。たとえば
波長として380nmより短波長の紫外領域や2μm以上の赤
外領域などがある。
強め合う位相条件で光が周回することで発振させてい
る。この場合、光が微小球の中に強く閉じ込められてい
るので、全反射条件で反射を繰り返して周回するので、
外部への光のもれが少なく、大きい光出力が得難い。ま
た、励起する方法が光励起などに限られており、その応
用範囲が限られたものとならざるを得ない。
み、その応用分野が広く、小型軽量であり、その製造工
程も難易度が高くならないようなレーザー構造体と、そ
の応用装置、さらには該レーザー構造体の製造方法を提
供することを目的とする。
め、本発明のレーザー構造体は、複数の微粒子を周期的
に配列させ該微粒子におけるブラッグ反射によってレー
ザー発振させることを特徴とする。この発明において
は、微粒子間の隙間にブラッグ条件を満たす波長で発光
する発光性材料を充填する構造とすることができ、或い
は微粒子が発光性材料を含むように構成することができ
る。発光性材料としては色素材料または有機エレクトロ
ルミネセンス材料などを用いることが可能である。
子を周期的に配列させた構造では、その周期的な配列か
ら回折格子が形成される。このような回折格子に光が入
射した場合には、前記周期的な配列によってブラッグ反
射が生じ所要の波長の鋭いピークの回折光が得られるこ
とになる。この回折光を励起光源としながら、レーザー
媒体としての色素材料や有機エレクトロルミネセンス材
料などの発光性材料に照射して、所要のレーザー出力を
得ることができる。レーザー媒体は励起することで反転
分布状態を形成する材料部分であり、微粒子そのものや
微粒子間の隙間に配され、レーザー照射の際に励起され
る。
的に配列させ該微粒子におけるブラッグ反射によってレ
ーザー発振させるレーザー構造体と、該レーザー構造体
に接する一対の光導波路とを配設してなることを特徴と
する。
ザー発振するレーザー構造体には励起光源からの励起光
が入射する。その励起光の入射方法として一対の導波路
を形成し、その光導波路にそれぞれ励起光を導入する。
そして、一対の導波路にそれぞれ入射した励起光による
エネルギーが閾値を越えた時にレーザー発振が開始され
る。
状に形成して、表示装置を構成することができる。本発
明の表示装置は、マトリクス状に配列される導波路と、
前記導波路の各交差部に設けられ、複数の微粒子を周期
的に配列させ該微粒子におけるブラッグ反射の回折光を
励起光としてレーザー発振させるレーザー構造体とを有
することを特徴とする。
ス状に配列されるため、その導波路に導入する励起光を
選択信号のように用いることができる。すなわち、水平
方向の1つのラインを選択したときに、そのラインに対
応する信号を垂直方向の複数ラインに送ることで表示す
べき情報に応じた表示が可能となり、順次選択線を移動
させて画面表示も可能となる。レーザー発振させるレー
ザー構造体の発光色を3原色とすることで、カラー表示
も可能となり、このような発光色の調整は、レーザー構
造体のレーザー媒体を調整することで容易に実現でき
る。
リクス状に配列される導波路を用いずに、複数の微粒子
を周期的に配列させたレーザー構造体を透明支持面に配
する構造とすることもできる。この構造では、励起光の
導入手段として、電子線を走査しながら照射する手段
と、レーザー光を照射する手段を用いることができる。
造体をレーザー発振させるために励起光は、電子銃や他
のレーザー装置からの光を利用することになり、励起光
を走査することで画面表示が可能となり、レーザー発振
させるレーザー構造体の発光色を3原色とすることで、
カラー表示も実現される。
の微粒子を周期的に配列させ該微粒子におけるブラッグ
反射の回折光を励起光としてレーザー発振させるレーザ
ー構造体を配設し、該レーザー構造体によって前記導波
路を通過する光を増幅させることを特徴とする。この光
増幅器に用いられる導波路の一例としては、光ファイバ
ーを用いることができる。
ーザー発振を行うが、励起状態とするために励起光が照
射され、そのような励起光の一部として導波路を通過す
る光を用いる。このため導波路を通過する光がレーザー
構造体によって光増幅されることになり、光技術分野で
広く応用できる。
は、上述の如き構造のレーザー構造体を製造する方法で
あって、溶液中に複数の微粒子を分散させ、前記溶液の
底部に前記複数の微粒子を堆積させて周期的に配列させ
たレーザー構造体を形成することを特徴とする。
ば、溶液中に分散されるものが微粒子であることから、
その溶液中に均一に分散させることも可能であり、且つ
微粒子の自重などによって溶液の底部に微粒子を堆積さ
せることもできる。各微粒子の形状を揃えることで、各
微粒子は規則的な配列状態を呈するようになり、ブラッ
グ反射の回折格子として機能させる周期的配列が容易に
形成される。
しながら説明する。
1に示すように周期的に配列される微粒子11を母体と
するものであり、ブラッグ反射を生じさせてレーザー発
振を発生させる構造となっている。
小球からなり、所定の屈折率を有した透明微小球であ
る。この微粒子11は、後述するように、最密状態とな
るように配列されて回折格子を構成する微小球であり、
好ましくは真球状とされる。微粒子11の径は、ブラッ
グ反射を生じさせるものであれば、特に限定されるもの
ではないが、一例としては10nm〜100μmであ
り、より好ましくは10nm〜1000nmとされる。こ
のような微粒子11は例えば有機高分子、無機物、無機
物と有機高分子とから構成された複合物質のいずれであ
ってもよい。
高分子としては、スチレン,メタクリル酸エステル(例
えばメタクリル酸メチル),アクリル酸エステル(例え
ばアクリル酸メチル),酢酸ビニル,ジビニルベンゼ
ン,脂環式基(例えばシクロヘキシル基)を有するビニ
ルモノマー等のビニル系モノマーのホモポリマーまたは
コポリマー、ならびにポリジアセチレン,ポリチオフェ
ン,ポリパラフェニレンビニレン等の共役系高分子等が
挙げられる。有機高分子のみにより非線形光学部(領
域)を構成する場合には、共役系高分子が好適に用いら
れる。
は、例えば有機高分子からなる核粒子の表面が他の有機
高分子により被覆されてなる2層構造のものであっても
よい。また、有機高分子からなる透明微粒子は、通常の
エマルジョン重合、または該エマルジョン重合により得
られた透明微粒子を溶媒、膨潤助剤等により膨潤させな
がら、さらにモノマーを重合させるシード重合で製造す
ることができる。
の無機系光学材料が用いられる。また、Nd3+(ネオジ
ウムイオン),Eu3+(ユーロピウムイオン),Er3+
(エルビウムイオン)等の希土類元素イオンを含むガラ
ス、または希土類元素イオンに必要に応じてCr3+(ク
ロムイオン)等の金属イオンが混合されたイオンを含む
ガラスが好ましく用いられる。
からなる無機物は、例えばケイ酸ガラス(SiO2 )、
リン酸ガラス(P2 O5 )、フツリン酸ガラス(Li
F,Al(PO3 )2 )等のガラスに例えば10重量%
以下、通常約3重量%の前記希土類元素酸化物を含むも
のである。これらのガラスは原料組成物を1500℃程
度で、一般的には溶融促進剤を加えることにより700
〜1000℃で溶融してガラスカレットとした後、粉
砕,分級をへてガラス破片を火焔フレーム中で再溶融す
る吹上法で球形化し、ガラスからなる透明微粒子とする
ことができる。
成されるが、複合物質からなる透明微粒子としては、例
えば無機物あるいは有機高分子からなる真球状の核粒子
の表面を、他の有機高分子あるいは無機物で被覆してな
るものが挙げられる。具体的には、ビニル基を有するシ
ランカップリング剤でガラスビーズ表面を処理し、当該
表面上でベンゾイルパーオキシド等のラジカル重合開始
剤を用いて前記ビニル系モノマーを重合して得られる透
明微粒子が挙げられる。なお、ゾルーゲル法等により得
られる有機系の置換基を有するポリシロキサン,ポリシ
ラン等からなる透明微粒子および微粒子の表面をゾルー
ゲル法等で処理した透明微粒子も当該複合微粒子に含ま
れる。
うに周期的に配列される。先ず、ブラッグ反射を生じさ
せるためのブラッグ条件は、次の式の如き条件とされ
る。
1.3)であり、Λは回折格子の周期、mは次数であ
る。このようなブラッグ条件を満たすような波長の光が
励起光として、本実施形態のレーザー構造体に利用され
る。
である。図中、微小球A、微小球B、微小球Cの3種の微
小球からなる層が重なって描かれている。微粒子による
周期的な配列が面心立方格子構造となる場合は、微小球
A、微小球B、微小球Cの3つの微粒子層で1周期を構成
する。すなわち、微小球A、微小球B、微小球Cの微粒子
層が構成する面をそれぞれA面、B面、C面とすると、微
粒子の周期的な配列はA面、B面、C面、A面、B面、C面、
…の繰り返しで構成される。たとえば、微小球A、微小
球B、微小球Cの直径Dが280nmとされる場合では、
1周期のサイズΛは727.5nmとなる。
る場合の他にも、微粒子の周期的な配列は最密六方格子
構造とされる構成も可能であり、その場合には、微小球
A、微小球Bの2種の微小球からなる層が重なって、これ
ら微小球A、微小球Bの2つの微粒子層で1周期が構成さ
れる。すなわち、微小球A、微小球Bの微粒子層が構成す
る面をそれぞれA面、B面とすると、微粒子の周期的な配
列はA面、B面、A面、B面、…の繰り返しで構成される。
たとえば、微小球A、微小球Bの直径Dが280nmとさ
れる場合では、1周期のサイズΛは485.0nmとな
る。
ように周期的に配列させた場合では、それぞれ面心立方
格子構造とする場合と最密六方格子構造とする場合とで
次の表1の示すような波長の回折光が得られる。
場合、面心立方格子構造のモード数が3のデータが63
0nmであり、最密六方格子構造のモード数が2のデー
タが630nmで等しくなり、波長630nmについて
はどちらの構造をとった場合でも得られる波長域があ
る。従って、レーザー媒体を例えば波長630nmで励
起するような材料にすることで、面心立方格子構造と最
密六方格子構造に拘らずにレーザー出力が可能となる。
また、微小球中で光が全反射条件で周回することでレー
ザー発振する装置、例えば特開平5‐61080号公報に記載
される例に比べて光損失が大きくはなるが、その分だけ
大きな光出力が得られることもあり、更に上述の如き周
期的な配列によってフォトニックバンドを形成すること
から、いわゆるフォトニック結晶を構成するために自然
放出光の抑制効果が起こって高い効率が得られる。
いて説明する。本実施形態にかかるレーザー構造体は、
微粒子の径が例えば1μm以下の微粒子を規則的に配列
させることで構成されるため、このように極めて小さな
微粒子を制御性良く並べることが重要である。この点に
ついて、本件発明者は既に簡便な方法によって解決でき
ることを実証している。この簡便な方法とは、液体中に
複数の微粒子を分散させ、液体の底部に複数の微粒子を
堆積させて周期的に配列させたレーザー構造体を形成す
る方法である。
体を形成する方法を説明するための図であり、容器23
に入れられる液体としては水20が使用され、この中に
多数の微粒子21が導入され分散される。微粒子21は
シリカからなり例えばその径が280nm程度である。
当初、水20中で微粒子21はブラウン運動で分散され
るが、微粒子21はその水20に対する比重からゆっく
りと容器23の底部22に堆積する。上述のような最密
六方格子構造と最密六方格子構造は安定な構造であるこ
とから、時間をかけた堆積により特に特殊な制御を必要
とせずに最密構造が得られることになる。
にする。徐々に蒸発させることで、水中に存在する微粒
子21が飽和し、その上で蒸発をより進めることで堆積
が促進される。容器23の底部22に予め基板を配設
し、その基板上に微粒子21を堆積させることができ、
また、容器23を使用せずに微粒子分散溶液を基板など
の上に塗布することで堆積させるようにすることも可能
である。
る方法として、電気泳動法を利用する方法が挙げられ
る。この方法では、先ず微粒子を帯電させ、溶液中でこ
の帯電した微粒子に電界をかけ、溶液中に配した基板の
上に堆積させる方法である。この場合、基板に電圧をか
けることができ、基板に電圧を印加することで溶液中に
も電場が形成されることを利用できる。このような電気
泳動法を利用する場合では、溶液中の電場の強さによっ
て堆積速度を制御することができる利点がある。
子の周期的な配列構造を形成した際の電子顕微鏡写真に
基づく構造図である。図4の拡大図が図5であり、図6
は低倍率で観察した場合の図である。これらの各図から
も明かなように、微粒子が規則正しく配列されており、
少なくとも40μm×40μmの領域にわたって規則性
に乱れが無く、良好な回折格子として機能できることが
示されている。なお、図示の例では、微粒子の堆積を2
日かけて行ったものであり、その配列状態から6回対称
になっているのが判り、そのことは最密構造であること
を示唆するものと考えられる。
て、レーザー発振を行うためには励起することで反転分
布状態を作ることができるレーザー媒体を形成する。レ
ーザー媒体は該微粒子におけるブラッグ条件を満たす波
長で発光する発光性材料からなり、発光性材料としては
色素材料や有機エレクトロルミネセンス材料などが使用
される。このような発光性材料は、微粒子間の隙間に充
填することもでき、微粒子内に含有させることも可能で
ある。また、微粒子そのものを所要の発振波長に対応し
たバンドギャップを有する半導体微粒子や有機材料微粒
子などを用いることも可能である。例えば、このような
バンドギャップを有する半導体微粒子としては、CdSe、
ZnSe、GaN、InNなどの直接遷移型の半導体微粒子を用い
ても良く、Si微粒子などの間接遷移型の半導体微粒子で
あっても良い。
ザー媒体を微粒子間の隙間に充填することもできる。図
7は色素などのレーザー媒体を微粒子間の隙間に充填し
た構造の模式断面図である。基板31上に周期的に配列
された複数の微粒子32が形成され、これら微粒子32
の隙間に色素33が充填される。微粒子32は最密六方
格子構造又は最密六方格子構造などの最密構造とされ、
この最密構造でブラッグ反射の回折光が生成される。微
粒子のバンドギャップを発振波長に対応したエネルギー
より大きくすることで、光の吸収が避けられることにな
る。この場合、レーザー媒体の励起源として光や電子線
が使用される。
粒子32は、その規則的な配列から回折格子として機能
し、光や電子線が入射し、その入射光に対する回折光が
レーザー媒体である色素33の励起光とされる。図8は
堆積された膜の反射スペクトルであり、620nm付近に
反射スペクトルの強いピークが存在する。反射光は基板
31主面に対して垂直に入射した白色光に対する垂直反
射光を測定したものであり、微粒子32としてはその直
径が280nmと略均一なシリカ微粒子を用いている。
620nm付近に反射スペクトルの強いピーク以外の反射
スペクトルはその反射率が小さくされる。この図8のス
ペクトルからは、微粒子32が周期的に並んだことによ
って回折格子が形成され、その結果、ブラッグ反射が起
きていることを示唆する。
結果が図9の反射スペクトルである。この結果から、ス
ペクトル全体の反射強度そのものが垂直のときのスペク
トルに比べて低下しているが、逆に620nm付近で反
射率が最も低いことが示される。この図9のように、レ
ーザー構造体のサンプルを傾斜させて配置して測定する
と、主に散乱光を測定していることになるので、620
nmの波長付近でスペクトルが逆に落ち込んでいるの
は、強いブラッグ反射のために散乱光が抑えられている
ためと考えられる。
nmとした場合の表1のデータと比較してみると、面心
立方格子構造と最密六方格子構造のいずれをとった場合
でも、ブラッグ条件を満たす波長域630nmと、反射
スペクトルからの620nm付近というデータは十分に
近いデータであり、これもブラッグ反射が発生している
ことを裏付けるものとされる。
合、発光性材料としては色素材料や有機エレクトロルミ
ネセンス材料などが使用される。色素材料を発光性材料
とした場合では、光励起による発光が可能な色素として
は、微粒子と関連してレーザー発振性を与えるものであ
れば、如何なるものでも使用することできる。このよう
な色素は、例えば、ローダミン、ナイルレッド、クマリ
ンなどの有機蛍光色素であり、より具体的には、ローダ
ミン−6G、ローダミン−B、ローダミン110、ロー
ダミン19、ローダミン13、サルフォローダミン10
1等のローダミン系色素、7−ヒドロキシ−4−メチル
クマリン、7−ジエチルアミノ−4−メチルクマリン等
のクマリン系色素、シアニン系色素、オギザジン4、オ
ギザジン1、クレシルバイオレット等のオキサジン系色
素、スチルベン、オキサゾール、オキサジアゾール等の
誘導体、p−ターフェニル誘導体、DCM、ピロメテン
等が挙げられる。色素などの発光性材料を充填する場
合、固体ゲルに所要の色素を分散したものを微粒子間に
注入することもできる。
料を用いた場合でも、レーザー発振が得られる点につい
て実験を行っている。この実験は、エタノールにローダ
ミン色素(Rhodamine 101 Inner Salt)を溶かし
て、この溶液に前述の如き微粒子を周期的に配列させた
回折格子構造を浸し、微粒子と微粒子の間の隙間に色素
を導入したものである。この色素の導入後、He-Cdレー
ザー(波長325nm、〜10mW)を用いて、このレ
ーザー構造体の強度を室温で測定した。比較のために、
色素だけのスペクトルについても測定している。
出力光の波長分布であり、縦軸はピークレベルの強度で
ある。比較用のローダミン色素だけのスペクトルでは、
584nm付近にピークを有する広がった発光スペクト
ルが得られている。これに対して周期的な配列の微粒子
と色素の組み合わせからなるレーザー構造体では、61
8.91nmに先鋭化したピークが存在し、その短波長
側と長波長側にもそれぞれ一定間隔(約8nm、即ち5
93.26nm、601.45nm、609.63n
m)でピークが存在する。このようなレーザー構造体で
のスペクトルの先鋭化はレーザー発振をしていることを
示すものである。
について、励起強度依存性についても調べており、その
結果を図11に示す。図11では横軸に波長分布が示さ
れ、縦軸が出力光の光強度である。この実験では、励起
強度を72、119、221、396、654と徐々に
増加させ、それぞれの光強度の変化を測定した。およそ
励起強度が221以下の場合では、光強度も弱く全体的
に広がったスペクトル分布が得られるが、励起強度が3
96と654の場合では、波長620nm付近にピーク
が現れ、さらに励起強度が396と654の間では光強
度が大幅に大きくなるような特性となっている。図12
は励起強度と発光強度の関係を示す図であり、この図1
2によれば閾値が6〜10kw/cm2程度であること
が示されている。
先鋭化したピークの励起強度依存性には閾値が存在する
ことが判る。閾値以上では励起強度が増加すると共に、
先鋭化したピーク強度の増大も著しくなっている。ま
た、閾値を超えて励起強度を強くした場合では、その励
起強度の増加傾向を反映して発光強度が強くなることが
判る。
形の発光装置について、図13を参照しながら説明す
る。図13の発光装置は、その中央部分に複数の微粒子
42を面心立方格子構造または最密六方格子構造となる
ように周期的に配列させ、該微粒子42におけるブラッ
グ反射の回折光を励起光としてレーザー発振させるレー
ザー構造体を有しており、複数の微粒子42間の隙間に
は前述のように、ローダミン、ナイルレッド、クマリン
などの有機蛍光色素からなる色素43が充填されてい
る。前記微粒子42は、前述の微粒子と同様に、有機高
分子材料または無機材料からなり、有機高分子としては
スチレンなどの透明微粒子が用いられ、無機材料として
は各種ガラス、シリカなどの無機系光学材料が用いられ
る。
はそれぞれ、例えば石英ガラス、または合成樹脂などか
らなる第1導波路44、第2導波路45が設けられてお
り、これら第1、第2導波路44、45からは通過する
光の一部が各第1、第2導波路44、45の外部に光場
を形成し、その光場がレーザー構造体の部分までしみ出
すように機能する。このレーザー構造体の閾値は、レー
ザー構造体に加えられる光が、第1、第2導波路44、
45のそれぞれの光を合わせて当該閾値を越えた場合
に、レーザー発振するように設定されている。
波路44、45に所要の波長の励起光が導入され、該励
起光がレーザー構造体の部分までしみ出すことで、レー
ザー構造体でブラッグ反射が生ずると共に第1、第2導
波路44、45からのそれぞれの光を合わせて当該閾値
を越えた場合に、レーザー発振する。
いての光場のしみ出しについて計算したものであり、図
14に示すような各導波路44、45を用いた場合、す
なわち、導波路の厚みが0.1μmとされ、レーザー構
造体に対する接触領域を0.3mmとした場合では、約
10.0〜16.6kW/cm2のエネルギーに対して
3〜5mWの光出力が計算される。なお、この場合の導
波路はポリカーボネートであり、導波路の屈折率は1.
585である。このレーザー構造体の微粒子はシリカ微
粒子であり、その屈折率は1.30として計算したもの
である。図15は縦軸に光強度をとり、横軸に距離をと
った光場の計算結果を示す図である。図15からも明か
なように、導波路中に光強度のピークが存在するが、微
粒子を周期的に配列させたレーザー構造体(微粒子層)
に光が60%程度もしみ出していることが判る。
算される。レーザー構造体(微粒子層)における閾値光
密度6〜10kW/cm2を得るためには、導波路に入
れる光密度として約10.0〜16.6kW/cm2の
エネルギーが有れば良く、上述のように導波路の幅を
0.3mmとした場合では、その光密度は3〜5mWの
光出力に対応する。
と水平方向にそれぞれ延長させるように形成することで
マトリクス状に第1、第2導波路が配され、それら第
1、第2導波路に介在されるレーザー構造体の発光性材
料を赤、緑、青の3原色とすることで、表示装置を構成
することができる。
を微粒子間の隙間に配した発光装置の例である。この発
光装置は、一対の対向電極としてp型電極55とn型電
極56を有し、それら電極55、56の中間部分に複数
の微粒子52を面心立方格子構造または最密六方格子構
造となるように周期的に配列させて該微粒子52におけ
るブラッグ反射の回折光を励起光としてレーザー発振さ
せるレーザー構造体を有しており、複数の微粒子52間
の隙間には有機蛍光色素の代わりに、有機エレクトロル
ミネセンス材料が充填されている。有機エレクトロルミ
ネセンス材料は2種類からなり、p型電極55側の微粒
子52間の隙間にp型有機エレクトロルミネセンス材料
53が充填され、n型電極55側の微粒子52間の隙間
にn型有機エレクトロルミネセンス材料54が充填され
る。p型有機エレクトロルミネセンス材料53はジアミ
ン、TPD、PPVなどの正孔輸送材料であり、n型有
機エレクトロルミネセンス材料54はアルミニウム錯体
Alq3やCN−PPVなどの電子輸送材料である。この
場合は2層型(シングルへテロ)構造となるが、3層型
(ダブルへテロ)構造となるように構成することも可能
である。2層型構造の場合、電子輸送材料層が発光層と
なり、3層型構造の場合、発光層が正孔輸送材料層と電
子輸送材料層の間に形成され、その発光層としては白金
ポリオレフィン錯体やIr錯体などをドープした有機材
料(CBP)などが使用される。前記微粒子52は、前
述の微粒子と同様に、有機高分子材料または無機材料か
らなり、有機高分子としてはスチレンなどの透明微粒子
が用いられ、無機材料としては各種ガラス、シリカなど
の無機系光学材料が用いられる。発光性色素を正孔輸送
材料層や電子輸送材料層にドーピングすることで、発光
効率の向上も可能である。このような構造とすること
で、半導体レーザーと同じようにバイアスを電極間にか
けることでキャリア注入され、反転分布が生じてレーザ
ー発振が可能となる。
り、レーザー構造体63を挟んで下側に第2導波路62
と、上側に第1導波路61が交差するように形成されて
いる。レーザー構造体63は、複数の微粒子を面心立方
格子構造または最密六方格子構造となるように周期的に
配列させ、該微粒子におけるブラッグ反射の回折光を励
起光としてレーザー発振させる機能を有している。複数
の微粒子間の隙間には前述のように、ローダミン、ナイ
ルレッド、クマリンなどの有機蛍光色素からなる色素が
充填され、微粒子は有機高分子材料または無機材料から
なり、有機高分子としてはスチレンなどの透明微粒子が
用いられ、無機材料としては各種ガラス、シリカなどの
無機系光学材料が用いられる。なお、図示を省略してい
るが、第1導波路61と第2導波路62の端部には、励
起光を出力するためのGaN系の発光素子がそれぞれ設
けられており、GaN系の発光素子からの励起光によっ
て当該発光装置は作動する。
第2導波路62のサイズは、幅Wであって厚みtの薄型
である。幅Wと厚みtは、一例として前述の光場計算で
用いたものと同じ幅0.3mmであり、厚み0.1μm
に設定できる。これら2つの第1導波路61と第2導波
路62に励起光を同時に入射させた時に、第1導波路6
1と第2導波路62の交差部に位置するレーザー構造体
63で、レーザー発振の閾値を越えることになり、その
結果、外部に光を射出できる。また、この構成によっ
て、図17の発光装置は光論理回路や光演算素子として
も機能させることができ、ここでは2入力のAND回路と
して機能する。励起光の調整から3入力やそれ以上の入
力も可能である。
表示装置を示す概略斜視図である。図中、垂直方向に延
在する帯状の導波路67が複数本平行に形成され、それ
と垂直に交差するように水平方向に延在される帯状の導
波路68が複数本平行に形成されている。導波路67、
68は光を伝播するための帯状領域であり、合成樹脂若
しくはガラス製の光ファイバーなども使用できるが、高
屈折率のコア層を低屈折率のクラッド層で挟み込んだ図
示のように薄膜型の光導波路を用いても良い。これらの
導波路67、68に挟まれる形で、各導波路67、68
の交差部にはレーザー構造体69R、69G、69Bが
設けられており、各レーザー構造体69R、69G、6
9Bは、複数の微粒子を面心立方格子構造または最密六
方格子構造となるように周期的に配列させ、該微粒子に
おけるブラッグ反射の回折光を励起光としてレーザー発
振させる機能を有する。各レーザー構造体69R、69
G、69Bはそれぞれ異なるブラッグ反射の回折光を利
用するため、用いられる微粒子は異なるサイズとなって
いる。ここではレーザー構造体69Rの微粒子サイズは
280nmであり、レーザー構造体69Gの微粒子サイ
ズは240nmであり、レーザー構造体69Bの微粒子
サイズは210nmである。
はそれぞれ微粒子の間の隙間に色素を充填した構造を有
している。レーザー構造体69Rの色素はローダミン1
01インナーサルト(C32H30N2O3)である。
ローダミン101インナーサルトの化学構造式を化1と
して次にしめす。
体69Rは、その発振波長が620nmであり、赤色発
光を生ずる。レーザー構造体69Gの色素はローダミン
B(C28H31ClN2O3)であり、ローダミンB
の化学構造式を化2として次に示す。
振波長が540nmであり、緑色発光を生ずる。レーザ
ー構造体69Bの色素はクマリン7(C20H 19N3
O2)であり、クマリン7の化学構造式を化3として次
に示す。
波長が470nmであり、緑色発光を生ずる。このよう
に図18の画像表示装置は、3原色の発光波長を有する
レーザー構造体69R、69G、69Bが並べて配置さ
れた構造とされ、垂直方向に延在される導波路67で
は、それぞれ共通の発光色を呈するように構成される。
従って、一例として水平方向に並んだ3本の導波路67
の3つの交差部が1つの画素を構成するように制御され
る。
路67、68の端部には、励起光の供給手段としてそれ
ぞれGaN系の半導体レーザー65、66が各導波路毎
に設けられている。これらGaN系の半導体レーザー6
5、66は青紫発光の波長410nmの発光素子であ
り、画像情報に応じて各GaN系の半導体レーザー6
5、66の出力光が導波路67、68の端部から入射し
て、各レーザー構造体69R、69G、69Bを励起さ
せる。この各レーザー構造体69R、69G、69Bの
励起時の動作については、図17の発光装置と同様に、
これら導波路67と導波路68に、半導体レーザー6
5、66から励起光を同時に入射させた時に、導波路6
7と導波路68の交差部に位置するレーザー構造体69
R、69G、69Bでレーザー発振の閾値を越えること
になり、その結果、外部に光を射出できることになる。
なお、レーザー構造体を色素が微粒子間の隙間に存在す
る構造としたが、微粒子自体に色素を含有させること、
若しくは色素を微粒子に含有させ且つ微粒子間の隙間に
存在させることも可能である。
表示装置を示す概略斜視図である。図中、垂直方向に延
在する帯状のAl−Li電極72が複数本平行に形成さ
れ、それと垂直に交差するように水平方向に延在される
帯状のITO電極71が複数本平行に形成される。これ
らAl−Li電極72とITO電極71の交差部には、
これらAl−Li電極72とITO電極71に挟まれる
形でレーザー構造体73R、73G、73Bが設けられ
ている。レーザー構造体73Rは赤色発光する有機エレ
クトロルミネセンス材料を含有して構成され、レーザー
構造体73Gは緑色発光する有機エレクトロルミネセン
ス材料を含有して構成され、レーザー構造体73Bは青
色発光する有機エレクトロルミネセンス材料を含有して
構成される。各レーザー構造体73R、73G、73B
は、Al−Li電極72のライン毎に分けられて配置さ
れており、それぞれ異なる色の発光を行う。
は、微粒子を周期的に配列させた構造に加えて正孔輸送
層と電子輸送層の2層構造が微粒子の隙間に形成された
構造とされており、次に挙げる有機エレクトロルミネセ
ンス材料を好ましくは使用することができる。
構造とすることも可能であるが、図20に示すように、
陰極線管のような構造の画像表示装置を構成することも
できる。図20に示すように、中空部が真空に維持され
るガラスチューブ81の一端側に電子銃84が配置さ
れ、図示しない偏向ヨークによって電子銃84からの電
子ビームは走査され、当該ガラスチューブ81の他端側
に設けられた面状部82に到達する。この面状部82の
ガラスチューブ81の内壁側には、微粒子レーザーアレ
イ85として、前述のように、3原色の発光波長を有す
るレーザー構造体83R、83G、83Bがそれぞれ複
数個並べられて赤、緑、青の順に繰り返し配置されてい
る。各レーザー構造体83R、83G、83Bは、それ
ぞれ内部に複数の微粒子を面心立方格子構造または最密
六方格子構造となるように周期的に配列させ、該微粒子
におけるブラッグ反射の回折光を励起光としてレーザー
発振させる機能を有する。各レーザー構造体83R、8
3G、83Bはそれぞれ異なるブラッグ反射の回折光を
利用するため、用いられる微粒子は異なるサイズとなっ
ている。各レーザー構造体83R、83G、83Bに
は、それぞれ微粒子の間の隙間に色素を充填した構造を
有している。一例としてレーザー構造体83Rの色素は
ローダミン101インナーサルトであり、その発振波長
が620nmである。レーザー構造体83Gの色素はロ
ーダミンBであり、その発振波長が540nmである。
レーザー構造体83Bの色素はクマリン7であり、その
発振波長が470nmである。
管のように、レーザー構造体83R、83G、83Bに
電子ビームが照射されて、ブラッグ反射を利用した励起
が生じ、各色素をレーザー媒体としてレーザー発振が発
生する。赤、青、緑色の3原色に対応した微粒子レーザ
ーを、たとえば0.2mmピッチでストライプ状に形成
することでレーザーディスプレイが作成できる。
る。平板状のガラス板部材91上に微粒子レーザーアレ
イ95として3原色の発光波長を有するレーザー構造体
93R、93G、93Bがそれぞれ赤、緑、青の順に繰
り返し並べて配置される。各レーザー構造体93R、9
3G、93Bは、それぞれ内部に複数の微粒子を面心立
方格子構造または最密六方格子構造となるように周期的
に配列させており、該微粒子におけるブラッグ反射の回
折光を励起光としてレーザー発振させる機能を有する。
各レーザー構造体93R、93G、83Bには、それぞ
れ微粒子の間の隙間に色素を充填した構造とされ、互い
に異なる径の微粒子によって周期的に配列が構成され
る。
G、93Bには、図20の電子銃84の代わりにGaN
系半導体レーザー94が設けられ、このGaN系半導体
レーザー94を励起光源とし、レンズ96とミラー97
によってドット毎の各レーザー構造体93R、93G、
93Bが照射される。GaN系半導体レーザー94は画
像信号に応じてオン、オフ動作し、レーザー構造体93
R、93G、93Bの励起状態が画像情報に応じたもの
となる。なお、ガラス板部材91の出力側に光学系を配
し、高輝度なプロジェクターなどを構成することも可能
である。
あり、光ファイバーアンプの例を示す。光ファイバーア
ンプ101は、透明合成樹脂又はガラスからなる光ファ
イバーの途中にレーザー構造体104を形成した構造を
有する。レーザー構造体104の入力側には、入力側フ
ァイバー105が接合されており、レーザー構造体10
4の出力側には、出力側ファイバー106が接合されて
いる。レーザー構造体104はこれら入力側ファイバー
105及び出力側ファイバー106と略同径の円筒形で
あるが、形状はこれに限定されるものではない。レーザ
ー構造体104の内部には、複数の微粒子102が周期
的に配列されてブラッグ反射を生ずるように構成されて
おり、これらの複数の微粒子102の間の隙間には色素
103が充填されている。これら微粒子102の径と色
素103は入力する入力光信号Iinに応じて選択さ
れ、入力光信号Iinと同じ波長で発振するようにこれ
ら微粒子102の径と色素103が選ばれる。
ーザー構造体104には外部より励起光が照射され、レ
ーザー構造体104は閾値直前の状態とされる。この状
態で、入力光信号Iinを入力側ファイバー105から
レーザー構造体104に導入すると、そのパルス光が入
射した時だけその光が増幅されることになり、入力光信
号Iinを増幅した出力光信号Ioutが出力側ファイ
バー105から出力されることになる。
1は、遠くから来ることで減衰した光信号を再び増幅さ
せることができ、遠距離の光ファイバー通信に適用でき
る。また、ファイバー中で発振させることで、信号光を
発生させる素子としても利用できる。また、外部から導
入する励起光を調整することで、非線形光学部品として
応用させることも可能である。レーザー構造体104自
体は極めて小型で軽量であることから、その応用分野も
広いものとなる。
の微粒子を周期的に配列させ該微粒子におけるブラッグ
反射によってレーザー発振させることから、軽量で微細
な構造から先鋭性のあるレーザー発振を取り出すことが
できる。そのレーザー発振の応用分野は広く、発光装
置、画像表示装置、光増幅器などの種々の機器に適用で
きる。特に、微粒子の周期的配列は、その形成場所を自
由に選ぶことができ、さらに微粒子のサイズを選択する
ことで、広範囲の波長の光に適用可能となる。
述のレーザー構造体によるレーザー発振を利用して、高
輝度で軽量な装置を作成することが可能となる。
堆積によって自己組織的に合成することができ、量産な
ども比較的に簡単に進めることができるものであり、低
コストでのレーザー構造体の量産も可能である。
的配列の一例を示す模式図である。
造を示す模式図である。
粒子の堆積工程を示す工程図である。
粒子の周期的な配列構造を形成した際の電子顕微鏡写真
に基づく構造図である。
粒子の周期的な配列構造を形成した際の電子顕微鏡写真
に基づく構造図であって、図4の拡大図である。
粒子の周期的な配列構造を形成した際の電子顕微鏡写真
に基づく構造図であって、低倍率で観察した場合の構造
図である。
などのレーザー媒体を微粒子間の隙間に充填した構造の
模式断面図である。
反射スペクトルである。
反射スペクトルであり、該レーザー構造体を20°傾け
た場合の反射スペクトルである。
反射スペクトルである。
する発光強度を示す特性図である。
する発光強度を示す特性図である。
る。
基礎となるエレメントとして導波路のサイズを示す図で
ある。
しての前記発光装置の各部位置と光強度の関係を示す図
である。
ある。
斜視図である。
斜視図である。
構造斜視図である。
す概略断面図である。
を示す概略断面図である。
略図であって、(a)は概略断面図であり、(b)は概
略斜視図である。
からなる無機物は、例えばケイ酸ガラス(SiO2)、
リン酸ガラス(P2O5)、フッ化リン酸ガラス(Li
F,Al(PO3)2)等のガラスに例えば10重量%
以下、通常約3重量%の前記希土類元素酸化物を含むも
のである。これらのガラスは原料組成物を1500℃程
度で、一般的には溶融促進剤を加えることにより700
〜1000℃で溶融してガラスカレットとした後、粉
砕,分級をへてガラス破片を火焔フレーム中で再溶融す
る吹上法で球形化し、ガラスからなる透明微粒子とする
ことができる。
ド屈折率(n〜1.3)であり、Λは回折格子の周期、
mは次数である。このようなブラッグ条件を満たすよう
な波長の光が励起光として、本実施形態のレーザー構造
体に利用される。
体を形成する方法を説明するための図であり、容器23
に入れられる液体としては水20が使用され、この中に
多数の微粒子21が導入され分散される。微粒子21は
シリカからなり例えばその径が280nm程度である。
当初、水20中で微粒子21はブラウン運動で分散され
るが、微粒子21はその水20に対する比重からゆっく
りと容器23の底部22に堆積する。上述のような面心
立方格子構造と最密六方格子構造は安定な構造であるこ
とから、時間をかけた堆積により特に特殊な制御を必要
とせずに最密構造が得られることになる。
ザー媒体を微粒子間の隙間に充填することもできる。図
7は色素などのレーザー媒体を微粒子間の隙間に充填し
た構造の模式断面図である。基板31上に周期的に配列
された複数の微粒子32が形成され、これら微粒子32
の隙間に色素33が充填される。微粒子32は面心立方
格子構造又は最密六方格子構造などの最密構造とされ、
この最密構造でブラッグ反射の回折光が生成される。微
粒子のバンドギャップを発振波長に対応したエネルギー
より大きくすることで、光の吸収が避けられることにな
る。この場合、レーザー媒体の励起源として光や電子線
が使用される。
結果が図9の反射スペクトルである。この結果から、ス
ペクトル全体の反射率そのものが垂直のときのスペクト
ルに比べて低下しているが、逆に620nm付近で反射
率が最も低いことが示される。この図9のように、レー
ザー構造体のサンプルを傾斜させて配置して測定する
と、図9の右側に描かれている様に主に散乱光を測定し
ていることになるので、620nmの波長付近でスペク
トルが逆に落ち込んでいるのは、強いブラッグ反射のた
めに散乱光が抑えられているためと考えられる。
を微粒子間の隙間に配した発光装置の例である。この発
光装置は、一対の対向電極としてp型電極55とn型電
極56を有し、それら電極55、56の中間部分に複数
の微粒子52を面心立方格子構造または最密六方格子構
造となるように周期的に配列させて該微粒子52におけ
るブラッグ反射の回折光を励起光としてレーザー発振さ
せるレーザー構造体を有しており、複数の微粒子52間
の隙間には有機蛍光色素の代わりに、有機エレクトロル
ミネセンス材料が充填されている。有機エレクトロルミ
ネセンス材料は2種類からなり、p型電極55側の微粒
子52間の隙間にp型有機エレクトロルミネセンス材料
53が充填され、n型電極56側の微粒子52間の隙間
にn型有機エレクトロルミネセンス材料54が充填され
る。p型有機エレクトロルミネセンス材料53はジアミ
ン、TPD、PPVなどの正孔輸送材料であり、n型有
機エレクトロルミネセンス材料54はアルミニウム錯体
Alq3やCN−PPVなどの電子輸送材料である。この
場合は2層型(シングルへテロ)構造となるが、3層型
(ダブルへテロ)構造となるように構成することも可能
である。2層型構造の場合、電子輸送材料層が発光層と
なり、3層型構造の場合、発光層が正孔輸送材料層と電
子輸送材料層の間に形成され、その発光層としては白金
ポリオレフィン錯体やIr錯体などをドープした有機材
料(CBP)などが使用される。前記微粒子52は、前
述の微粒子と同様に、有機高分子材料または無機材料か
らなり、有機高分子としてはスチレンなどの透明微粒子
が用いられ、無機材料としては各種ガラス、シリカなど
の無機系光学材料が用いられる。発光性色素を正孔輸送
材料層や電子輸送材料層にドーピングすることで、発光
効率の向上も可能である。このような構造とすること
で、半導体レーザーと同じようにバイアスを電極間にか
けることでキャリア注入され、反転分布が生じてレーザ
ー発振が可能となる。
振波長が540nmであり、緑色発光を生ずる。レーザ
ー構造体69Bの色素はクマリン7(C20H 19N3
O2)であり、クマリン7の化学構造式を化3として次
に示す。
波長が470nmであり、青色発光を生ずる。このよう
に図18の画像表示装置は、3原色の発光波長を有する
レーザー構造体69R、69G、69Bが並べて配置さ
れた構造とされ、垂直方向に延在される導波路67で
は、それぞれ共通の発光色を呈するように構成される。
従って、一例として水平方向に並んだ3本の導波路6
7、68の3つの交差部64R、64G、64Bが1つ
の画素を構成するように制御される。
する光強度を示す特性図である。
Claims (20)
- 【請求項1】 複数の微粒子を周期的に配列させ、該微
粒子におけるブラッグ反射の回折光を励起光としてレー
ザー発振させることを特徴とするレーザー構造体。 - 【請求項2】 前記微粒子間の隙間には該微粒子におけ
るブラッグ条件を満たす波長で発光する発光性材料を充
填してなることを特徴とする請求項1記載のレーザー構
造体。 - 【請求項3】 前記発光性材料は色素材料であることを
特徴とする請求項2記載のレーザー構造体。 - 【請求項4】 前記発光性材料は有機エレクトロルミネ
センス材料であり、前記有機エレクトロルミネセンス材
料に電場を与える電極を有することを特徴とする請求項
2記載のレーザー構造体。 - 【請求項5】 前記微粒子は発光性材料を含み、前記発
光性材料は該微粒子におけるブラッグ条件を満たす波長
で発光することを特徴とする請求項1記載のレーザー構
造体。 - 【請求項6】 前記微粒子は前記波長に対応したバンド
ギャップを有する半導体微粒子であることを特徴とする
請求項1記載のレーザー構造体。 - 【請求項7】 前記微粒子は有機高分子材料と無機材料
のうちのどちらか一方若しくはこれらの複合材からなる
ことを特徴とする請求項1記載のレーザー構造体。 - 【請求項8】 複数の微粒子を周期的に配列させ該微粒
子におけるブラッグ反射の回折光を励起光としてレーザ
ー発振させるレーザー構造体と、該レーザー構造体に接
する一対の導波路とを配設してなることを特徴とする請
求項8記載の発光装置。 - 【請求項9】 前記レーザー構造体は、レーザー媒体を
前記微粒子間の隙間若しくは前記微粒子内に有すること
を特徴とする発光装置。 - 【請求項10】 マトリクス状に配列される導波路と、
前記導波路の各交差部に設けられ、複数の微粒子を周期
的に配列させ該微粒子におけるブラッグ反射の回折光を
励起光としてレーザー発振させるレーザー構造体とを有
することを特徴とする表示装置。 - 【請求項11】 前記レーザー構造体はそれぞれ三原色
のいずれかの色で発光をする装置であり、互いに異なる
発光をする前記レーザー構造体の組が画素を構成するこ
とを特徴とする請求項10記載の表示装置。 - 【請求項12】 前記三原色の発光は前記微粒子にドー
プされ若しくは前記微粒子の周囲に充填される色素を異
ならせて行われることを特徴とする請求項10記載の表
示装置。 - 【請求項13】 マトリクス状に配列される電極と、前
記電極の各交差部に設けられ、複数の微粒子を周期的に
配列させ且つ該微粒子間の隙間には前記ブラッグ反射の
ブラッグ条件を満たす波長で発光する有機エレクトロル
ミネセンス材料が充填される複数のレーザー構造体とを
有することを特徴とする表示装置。 - 【請求項14】 前記レーザー構造体はそれぞれ三原色
のいずれかの色で発光をする装置であり、互いに異なる
発光をする前記レーザー構造体の組が画素を構成するこ
とを特徴とする請求項13記載の表示装置。 - 【請求項15】 透明支持面上に複数の微粒子を周期的
に配列させ該微粒子におけるブラッグ反射の回折光を励
起光としてレーザー発振させるレーザー構造体を複数個
形成し、前記透明支持面上の前記レーザー構造体に電子
線を走査しながら照射することを特徴とする表示装置。 - 【請求項16】 透明支持面上に複数の微粒子を周期的
に配列させ該微粒子におけるブラッグ反射の回折光を励
起光としてレーザー発振させるレーザー構造体と、前記
透明支持面上の前記レーザー構造体にレーザー光が照射
されることを特徴とする表示装置。 - 【請求項17】 導波路に複数の微粒子を周期的に配列
させ該微粒子におけるブラッグ反射の回折光を励起光と
してレーザー発振させるレーザー構造体を配設し、該レ
ーザー構造体によって前記導波路を通過する光を増幅さ
せることを特徴とする光増幅器。 - 【請求項18】 前記導波路は光ファイバーからなるこ
とを特徴とする請求項17記載の光増幅器。 - 【請求項19】 液体中に複数の微粒子を分散させ、前
記液体の底部に前記複数の微粒子を堆積させて周期的に
配列させたレーザー構造体を形成することを特徴とする
レーザー構造体の製造方法。 - 【請求項20】 液体中に帯電した複数の微粒子を分散
させ、前記帯電した微粒子を電気泳動させることで該微
粒子を前記液体の底部に堆積させ周期的に配列させたレ
ーザー構造体を形成することを特徴とするレーザー構造
体の製造方法。
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