液晶ナノ周期フォトニクス材料の電子・光物性と機能応用に関する研究

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本年度は、ナノ周期構造中に光学異方性を有する液晶を導入したチューナブルフォトニック結晶を作製し、波長可変レーザー素子などの光機能デバイスへの応用に関する研究を行った。本年度の研究で得られた知見と業績の要約を以下に述べる。ナノ周期構造を有する一次元フォトニック結晶として誘電体多層膜を用い、その中央部にネマチック液晶層を導入して、液晶欠陥層を有する一次元フォトニック結晶を作製した。作製した素子の透過スペクトルには、光の禁止帯であるフォトニックバンドギャップと禁止帯中に局在準位に基づくピークが観測された。また、素子への電圧を印加することによって、局在準位ピークのシフトが観測された。実験と計算の両面から、これが、欠陥層の液晶分子が電圧印加によって再配列し、欠陥層の光学距離が変化するためであることを明らかとした。これらの結果より、液晶をナノ周期構造に導入することで、光が局在する波長を制御することが可能であることを明らかとした。次に、欠陥層に液晶だけでなく、導電性高分子や色素などのレーザー活性媒質を導入し、波長可変レーザーへの応用を検討した。作製した素子をNd : YAGレーザーで励起することで、レーザー発振することに成功した。更に、数ボルト程度の電圧を印加することで、レーザー発振波長を制御にも成功した。一方、液晶欠陥層を有する一次元フォトニック結晶の光学特性の欠陥層面内での配向依存性についても検討した。まず、液晶分子を欠陥層面内で配向制御するためにインプレーン型の電極を作製した。透過光の偏光特性を調べると、偏光は、液晶分子の配向方向に依存して変化した。これらの実験結果は、マトリクス法や時間領域差分法などの数値解析結果とも一致した。したがって、液晶欠陥層を有する一次元フォトニック結晶は電圧によって制御可能な偏光制御素子となることを明らかとした。