CN100434973C - 空间光调制元件及空间光调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即使作为调制驱动光使用极短脉冲的高功率激光，光调制特性也不会劣化，使用寿命长，且使用1.55μm等的波长的光的响应速度快的空间光调制元件。该空间光调制元件的特征是，在棱镜2和由因光照射而复折射率发生变化的光功能性材料形成的光功能性材料层3之间，存在折射率低于棱镜2的折射率的透明材料形成的低折射率层4，作为光功能性材料采用纳米碳管。

Description

空间光调制元件及空间光调制方法
技术领域
本发明涉及被用于显示装置、光信息处理装置等的空间光调制元件及空间光调制方法。更具体涉及作为使被调制光反射的层，采用由低折射率材料形成的层替代以往的金属层，且用由以纳米碳管为必须成分的光功能性材料形成的层替代含色素的光功能性材料层的空间光调制元件。本发明还涉及使用该空间光调制元件，利用波导模封入被调制光或使其反射，籍此实现使用寿命长、调制响应度高、高速的光调制的空间光调制方法。
背景技术
以往，作为使用了表面等离激元共振的空间光调制元件，已知的有在棱镜的一面层积金属层和通过光照射折射率发生变化的物质形成的光功能性膜(也称为含色素膜)而构成的元件。据报道，需进行调制的被调制光通过棱镜入射至该元件，利用金属膜将其封入或使其反射后从棱镜出射时，如果根据需要对光功能性膜照射调制驱动光，则能够通过调制驱动光的开/关使被调制光的封入条件发生变化，从而实现高速光调制(例如，参照专利文献1～3)。
已知纳米碳管可作为光功能性材料使用。据报道，纳米碳管的光响应特性高，且可在1～2μm的波长范围内发挥这些特性(例如，参照专利文献4，非专利文献1～3)。
专利文献1：日本专利特开平5-273503号公报
专利文献2：美国专利6611367号公报
专利文献3：日本专利特开2002-258332号公报
专利文献4：日本专利特开2003-121892号公报
非专利文献1：Y.C.Chen等，Applied Physics Letters，81，p.975-977(2002)
非专利文献2：M.Ichida等，Physica B，323，p.237-238(2002)
非专利文献3：S.Tatsuura等，Advanced Materials，15，p.534-537(2003)
发明的揭示
以往的空间光调制元件，作为调制驱动光如果使用毫微微秒激光等极短脉冲的高功率激光，则金属层会受到损伤，被调制光的光调制特性可能会劣化。此外，存在元件的寿命短的问题。
本发明是鉴于上述情况完成的发明，其目的是提供作为调制驱动光即使使用极短脉冲的高功率激光，光调制特性也不会劣化的长寿命、且使用1.55μm等波长的光的响应速度快的空间光调制元件。
本发明提供空间光调制元件，该元件的特征是，在电介质层和由因光照射而复折射率发生变化的光功能性材料形成的光功能性材料层之间，存在折射率低于前述电介质的透明材料形成的低折射率层，该光功能性材料层是由以纳米碳管为必须成分的光功能性材料形成的层。
本发明的空间光调制元件中，电介质层是由电介质形成的层，较好的是由透明的电介质形成的层。作为透明电介质，可例举光学玻璃(例如BK7等)、石英玻璃、高折射率玻璃或聚碳酸酯等电介质材料。
作为光功能性材料层，较好的是纳米碳管形成的层或纳米碳管和其它材料形成的层。作为其它材料，较好的是折射率低于本发明中的电介质的折射率的透明材料。该透明材料可以是与用于形成该低折射率层的透明材料相同的材料，也可以是与其不同的材料。光功能性材料层更好的是纳米碳管和与形成该低折射率层的透明材料相同的透明材料形成的层。纳米碳管较好为单壁(singlewall)纳米碳管。
低折射率层较好由有机材料形成，特好的是由含氟树脂形成。较好的是该含氟树脂由不具有C-H键的非结晶性含氟聚合物形成。
本发明还提供空间光调制方法，该方法的特征是，采用空间光调制元件，通过调制驱动光对在所述电介质层和低折射率层之间的界面透过该电介质层而入射的被调制光的反射进行控制；该空间光调制元件中，在电介质层与光照射下复折射率会发生变化的光功能性材料形成的光功能性材料层之间，存在折射率低于前述电介质的透明材料形成的低折射率层，所述光功能性材料层由以纳米碳管为必须成分的光功能性材料形成。
较好的是本发明的空间光调制方法中，利用调制驱动光对被调制光的反射所进行的控制通过被调制光的反射和利用波导模的被调制光的封入的组合而进行。
本发明的空间光调制元件具备透明的低折射率层以替代以往的金属层，使被调制光在电介质层和低折射率层的界面反射，根据需要对光功能性材料照射调制驱动光，籍此利用调制驱动光的开/关实现被调制光的调制和控制。因此，能够获得被照射至光功能性材料层的调制驱动光及被调制光对元件造成的损伤有所减弱、即使使用毫微微秒激光等高功率激光也可长期稳定地工作、耐久性良好、使用寿命长的元件。
特别是作为光功能性材料使用纳米碳管，能够获得采用波长1.55μm等近红外波长范围的光的响应速度快的空间光调制元件。即，直接使用现有的通信体系中采用的光学系，可设计出具有高速的响应特性的光路。
此外，通过用透明的低折射率层替代金属层，可利用调制驱动光的开/关使被调制光的反射率以更高灵敏度发生变化，从而使调制响应灵敏度极大地提高。其结果是，可实现更高速度的调制，能够获得具有微微秒级的响应速度的空间光调制元件。
此外，利用透明的低折射率层替代金属层的构成，可使被调制光的入射角和出射角变大，减弱因调制驱动光在出射侧泄漏被检测而产生的杂波。
附图的简单说明
图1为表示本发明的空间光调制元件的实施方式1的示意图。
图2为表示本发明的空间光调制元件的实施方式2的示意图。
符号说明：1和7表示空间光调制元件，2表示棱镜(介质)，3表示光功能性材料层，4表示低折射率层，5表示被调制光，6表示调制驱动光，8表示玻璃片(介质)
实施发明的最佳方式
图1是表示本发明的空间光调制元件的实施方式1的图。该空间光调制元件1的构成中，在电介质形成的棱镜2(介质)和由因光照射而折射率发生变化的光功能性材料形成的光功能性材料层3之间，存在其折射率(n2)低于构成棱镜2的电介质的折射率(n1)的透明材料形成的低折射率层4，在棱镜2和低折射率层4的界面，透过棱镜2入射的被调制光5的反射利用调制驱动光6控制。
本发明中，入射被调制光5的电介质层的形状并不限定于棱镜2，可以是板状、厚板状、块状等其它形状。通过使用截面为三角形的棱镜2，易于构筑在其第1个面层积低折射率层4和光功能性材料层3、从棱镜2的另一面入射被调制光5、使反射的光从棱镜2的剩下的那一面出射的结构，所以比较理想。
棱镜2由对于被调制光5的波长呈现透明的介质形成。特好的是介质由对被调制光的波长的折射率在1.4～3的范围内的材质形成。具体来讲可例举光学玻璃(例如，BK7等)、石英玻璃、高折射率玻璃、聚碳酸酯等。棱镜2和低折射率层4的折射率之差(n1-n2)较好在0.05～0.9的范围内。
构成前述低折射率层4的材料只要是其折射率(n2)小于构成棱镜2的电介质的折射率(n1)(即，具有n2＜n1的关系)的透明材料即可，较好的是对被调制光的波长的耐光性良好的无机材料或有机材料。作为无机材料，可例举氟化物结晶、含氟石英玻璃等。作为有机材料，可例举含氟树脂。
由无机材料形成的低折射率层4可通过溅射法、CVD法、蒸镀法等成膜。由有机材料形成的低折射率层4可通过旋涂法等将树脂溶液成膜。从制造成本、制造的难易度等方面考虑，作为用于本发明的空间光调制元件1的低折射率层4，较好为有机材料形成的层，特好为含氟树脂形成的层。
该低折射率层4的厚度为100～1000nm，较好为200～1000nm，更好为300～800nm。较好的是低折射率层的厚度根据入射至本发明的空间光调制元件的被调制光的波长改变。通常，如果低折射率层4的厚度在前述范围内，则被调制光5的调制能够很好地进行，获得足够的耐久性，可制得使用寿命长的空间光调制元件。
本发明的较好实施方式中，低折射率层4较好由含氟树脂形成。该含氟树脂较好是由不具有C-H键的非结晶性含氟聚合物形成。该含氟聚合物中具有C-F键(即，碳-氟键)以替代C-H键。
作为含氟聚合物，可使用四氟乙烯树脂、全氟(乙烯-丙烯)树脂、全氟烷氧基树脂、1，1-二氟乙烯树脂、乙烯-四氟乙烯树脂、三氟氯乙烯树脂等。但是，由于这些含氟树脂具有结晶性，所以会引发光的散射，使透明性劣化，在被调制驱动光6照射时会发生熔解等，耐久性可能会变差。
对应于此，非结晶性的含氟聚合物由于不会发生结晶导致的光散射，所以透明性良好。作为该含氟聚合物，只要是不具有C-H键的非结晶性的含氟聚合物即可，无特别限定，较好的是主链具有环结构的含氟聚合物。作为主链具有环结构的含氟聚合物，较好的是具有含氟脂肪族环结构、含氟酰亚胺环结构、含氟三嗪环结构或含氟芳族环结构的含氟聚合物。作为具有含氟脂肪族环结构的含氟聚合物，更好的是具有含氟脂肪族醚环结构的聚合物。
作为具有含氟脂肪族环结构的聚合物，较好的是具有含氟环结构的单体聚合而得的聚合物，具有至少2个(较好的是2个)聚合性双键的含氟单体环化聚合而得到的主链具有含氟脂肪族环结构的聚合物。
日本专利特公昭63-18964号公报等中记载了具有含氟脂肪族环结构的单体聚合而得的主链具有含氟脂肪族环结构的聚合物。即，通过全氟(2，2-二甲基-1，3-间二氧杂环戊烯)等具有含氟脂肪族环结构的单体的均聚，或者通过该单体与四氟乙烯、三氟氯乙烯、全氟(甲基乙烯基醚)等自由基聚合性单体的共聚而获得的主链具有含氟脂肪族环结构的聚合物。
另外，日本专利特开昭63-238111号公报和特开昭63-238115号公报等中记载了具有至少2个(较好的是2个)聚合性双键的含氟单体环化聚合而得到的主链具有含氟脂肪族环结构的聚合物。即，通过全氟(烯丙基乙烯基醚)或全氟(丁烯基乙烯基醚)等单体的环化聚合，或者通过上述单体与四氟乙烯、三氟氯乙烯、全氟(甲基乙烯基醚)等自由基聚合性单体的共聚而获得的主链具有含氟脂肪族环结构的聚合物。
前述聚合物中，作为全氟(丁烯基乙烯基醚)环化聚合而获得的主链具有脂肪族环结构、不具有C-H键的非结晶性的含氟聚合物的例子，可例举旭硝子株式会社制的商品名为サイトップ(折射率1.34)的产品。
此外，通过全氟(2，2-二甲基-1，3-间二氧杂环戊烯)等具有含氟脂肪族环结构的单体和全氟(烯丙基乙烯基醚)或全氟(丁烯基乙烯基醚)等具有至少2个聚合性双键的含氟单体的共聚，也可获得主链具有含氟脂肪族环结构的聚合物。
作为前述具有含氟脂肪族环结构的聚合物，具体可例示具有选自以下的(I)～(IV)式的重复单元的聚合物。这些具有含氟脂肪族环结构的聚合物中，氟原子的一部分可被氯原子取代。
Figure C20048003598000091
前述(I)～(IV)式中，k为0～5，m为0～4，n为0～1，k+m+n为1～6，u、p及q独立地表示0～5，u+p+q为1～6，R为F或CF3，R1为F或CF3，R2为F或CF3，X1为F或Cl，X2为F、Cl、ORf或Rf(Rf为碳原子数1～3的全氟烷基)。
具有含氟脂肪族环结构的聚合物较好为主链具有环结构的聚合物，从透明性和机械特性等方面考虑，较好的是含有大于等于20摩尔％的具有环结构的重复单元的聚合物，更好的是大于等于40摩尔％。
作为本发明的光功能性材料，纳米碳管是必须的。从响应特性方面考虑，作为纳米碳管，最好的是单壁纳米碳管。
已知纳米碳管通过光照射折射率会发生变化，吸收紫外线～可见～近红外线的范围内的波长的光、特别是1～2μm(更具特征的是1.3～1.6μm)范围内的波长的光，可作为光功能性材料使用。
本发明的空间光调制元件可作为紫外线～可见～近红外线范围内的光调制元件使用。即，即使使用目前的光通信中所用的1.55μm的波长的光，本发明的空间光调制元件也可驱动。此外，即使使用紫外线～可见范围内的光，本发明的空间光调制元件也可驱动，从而获得在该通信波长范围内的高速的响应特性。另外，可用于本发明的空间光调制元件的透明材料是指在入射该元件的光，即紫外线～可见～近红外线的范围内的光的波长下呈现透明的材料。
本发明中的光功能性材料层是由以纳米碳管为必须成分的光功能性材料形成的层，它可以是仅由纳米碳管形成的层，也可以是纳米碳管和其它材料形成的层，更好的是后一种层。作为前一种层，可例举层积纳米碳管而形成的层。作为后一种层，较好的是纳米碳管和透明材料形成的层或纳米碳管包含于透明材料而形成的层。纳米碳管包含于透明材料而形成的层是指纳米碳管均匀地分散于透明材料中而形成的层。
形成光功能性材料层的透明材料可以是和设置于前述电介质层和光功能性材料层之间的透明材料层中所用的透明材料相同的材料，也可以是与之不同的材料。该透明材料特好为在近红外范围内几乎无吸收的材料。
此外，如果将光功能性材料层的折射率记为n3，则该n3和低折射率层的折射率(n2)的关系满足n3≥n2，更好的是n3＞n2。特好的是光功能性材料层和低折射率层的折射率之差(n3-n2)在0.04～0.9的范围内。
作为本发明的元件的构成的具体例，可例举设置了电介质层和由特定透明材料形成的低折射率层、还设置了由含纳米碳管的同样的特定透明材料形成的层的元件的例子。作为更详细的例子，可例举在玻璃基体上设置透明的含氟树脂等形成的低折射率层、还设置了分散有纳米碳管的相同的透明的含氟树脂形成的层的例子。
特别是透明的含氟树脂作为溶液供给时，在电介质层上设置树脂层时可采用旋涂法等方法，且能够使纳米碳管容易地分散于树脂中，因此较为理想。作为其它的具体构成例，可例举含纳米碳管的透明材料使用与用于低折射率层的透明材料不同的其它透明材料(并不限定于含氟树脂)、与上述同样操作而获得的元件的例子。
本发明的空间光调制元件1中，光功能性材料层3的厚度为100～1000nm，较好为150～1000nm，更好为250～800nm。光功能性材料层3的厚度如果在前述范围内，则被调制光5的调制可以很好地进行，能够获得足够的耐久性，从而获得使用寿命长的空间光调制元件1。
以下，对该空间光调制元件1中的光调制动作特性进行说明。
作为采用该空间光调制元件1进行光调制的方法的例子，可例举图示例。图1中，在形成为截面三角形的棱镜2的1个面上层积低折射率层4和光功能性材料层3，从与棱镜2的层积面不同的面入射被调制光5。被调制光5在入射角θ为规定范围内时在棱镜2和低折射率层4的界面被反射，从棱镜2的剩下的那个面出射。此时的入射角θ的范围较好为40度～85度。特好的是与将调制驱动光6照射至光功能性材料层3时，生成波导模，封入被调制光5的角度一致。对入射棱镜2的被调制光5的波长无特别限定。
如果根据需要对空间光调制元件1的光功能性材料层3照射调制驱动光6，则光功能性材料层3的消光系数(k)增加。随着该消光系数(k)的增加，前述被调制光5的反射率会发生敏锐变化，通过调制驱动光6的开/关进行从棱镜2出射的被调制光5的调制。与在将调制驱动光6照射至光功能性材料层3时，生成波导模，封入被调制光5的角度一致，入射了被调制光5的情况下，当处于未照射调制驱动光6的关闭状态(OFF)时，被调制光5的反射率未发生变化，几乎全部的入射光在棱镜2和低折射率层4的界面被反射，从棱镜2的出射面出射。另一方面，如果对光功能性材料层3照射调制驱动光6(打开状态，ON)，则光功能性材料层3的消光系数(k)增加，随着该消光系数(k)的增加，被调制光5的反射率急剧下降，从棱镜2的出射面出射的被调制光5急剧减弱或者实质上为无出射状态。这里，被调制光5的反射率的急剧下降是因为在从棱镜2和低折射率层4的界面开始到低折射率层4、光功能性材料层3为止的范围内驻波作为波导模生成，其结果是，未发现反射。因此，通过调制驱动光6的开/关，可实现被调制光5的光开关或强度调制。
由调制驱动光6的开/关的转换而产生的反射率变化在开时小于等于0.2微微秒，在关时小于等于1微微秒，利用该空间光调制元件1可实现极高速的光调制。
空间光调制元件1通过具备透明的低折射率层4以替代以往的金属层，使被调制光5在棱镜2和低折射率层4的界面反射，根据需要对光功能性材料层3照射调制驱动光6而进行工作。即，由于通过调制驱动光6的开/关进行被调制光5的调制，因此本发明能够获得被照射至光功能性材料层3的调制驱动光6及被调制光5对元件造成的损伤得到减弱、即使使用毫微微秒激光等高功率激光也可长期稳定地工作、耐久性良好、使用寿命长的元件。
此外，通过用透明的低折射率层4替代金属层，可利用调制驱动光6的开/关使被调制光5的反射率以更高灵敏度发生变化，从而使调制响应灵敏度极大地提高，从而实现更高速度的调制，能够获得具有微微秒级的响应速度的空间光调制元件。
另外，利用透明的低折射率层4替代金属层的构成，可使被调制光5的入射角和出射角变大，减弱因调制驱动光6在出射侧泄漏被检测而产生的杂波。
图2是表示本发明的空间光调制元件的实施方式2的图。该空间光调制元件7具备与图1所示的实施方式1的空间光调制元件几乎同样的构成要素而构成，对相同的构成要素标记相同的符号。该空间光调制元件7与实施方式1的空间光调制元件1的不同点如下所述，即，使用具有与棱镜2相同的折射率(n1)的玻璃片8，在该玻璃片8的一面层积低折射率层4和光功能性材料层3，在玻璃片8的另一面固定棱镜2，使从棱镜2入射的被调制光5在玻璃片8和低折射率层4的界面被反射。棱镜2和玻璃片8最好用折射率与它们相同的接合试剂或透明树脂粘合剂固定。
空间光调制元件7与图1所示的实施方式1的空间光调制元件1相同，可通过调制驱动光6的开/关高速调制被调制光5，可获得与实施方式1的空间光调制元件1同样的效果。另外，空间光调制元件7是在玻璃片8的一面层积了低折射率层4和光功能性材料层3的元件，所以易通过旋涂法等形成低折射率层4和光功能性材料层3，使制造变得容易。
作为其它实施方式，可例举用衍射光栅替代棱镜构成空间光调制元件的例子。
产业上利用的可能性
本发明提供即使使用毫微微秒激光等高功率激光也可长期稳定地工作、耐久性良好、使用寿命长的空间光调制元件。对于现有的1.3～1.6μm的波长的光源可获得高速的响应特性。

Claims (9)

1.空间光调制元件，其特征在于，在电介质层和由因光照射而复折射率发生变化的光功能性材料形成的光功能性材料层之间，存在折射率低于前述电介质的透明材料形成的低折射率层，该光功能性材料层是由以纳米碳管为必须成分的光功能性材料形成的层，并且所述的空间光调制元件通过调制驱动光对被调制光的反射进行控制，所述被调制光在所述电介质层和低折射率层之间的界面透过该电介质层而入射，所述利用调制驱动光对被调制光的反射所进行的控制通过被调制光的反射和利用波导模的被调制光的封入的组合而进行。
2.如权利要求1所述的空间光调制元件，其特征还在于，形成低折射率层的透明材料为有机材料。
3.如权利要求1所述的空间光调制元件，其特征还在于，形成低折射率层的透明材料为含氟树脂。
4.如权利要求1所述的空间光调制元件，其特征还在于，形成低折射率层的透明材料是由不具有C-H键的非结晶性的含氟聚合物形成的材料。
5.如权利要求1～4中任一项所述的空间光调制元件，其特征还在于，光功能性材料层是由纳米碳管和折射率低于电介质的透明材料形成的层，该透明材料是与形成低折射率层的透明材料相同或不同的材料。
6.如权利要求5所述的空间光调制元件，其特征还在于，光功能性材料层由纳米碳管和与形成前述低折射率层的透明材料相同的材料形成。
7.如权利要求1所述的空间光调制元件，其特征还在于，纳米碳管为单壁纳米碳管。
8.如权利要求1所述的空间光调制元件，其特征还在于，电介质层是由透明材料形成的层。
9.空间光调制方法，其特征在于，采用空间光调制元件，通过调制驱动光对被调制光的反射进行控制，所述被调制光在电介质层和低折射率层之间的界面透过该电介质层而入射，所述利用调制驱动光对被调制光的反射所进行的控制通过被调制光的反射和利用波导模的被调制光的封入的组合而进行；该空间光调制元件中，在电介质层与光照射下复折射率会发生变化的光功能性材料形成的光功能性材料层之间，存在折射率低于前述电介质的透明材料形成的低折射率层，所述光功能性材料层由以纳米碳管为必须成分的光功能性材料形成。
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