波长变换光发生装置及发生方法

专利名称：波长变换光发生装置及发生方法
技术领域：
本发明涉及通过将激发光入射到波长变换元件上而发生并输出波 长已变换的变换光的波长变换光发生装置和发生方法。
背景技术：
一直以来，作为进行以红外光作为入射光并以比红外光波长短的 可见光作为输出光的、波长变换的光学元件，已知预先将照明光等的 可见光的能量积蓄在物质中，通过红外光的入射刺激该物质，使积蓄
的能量作为可见光的荧光输出的元件(参照非专利文献1， NewFocus 会社制造IR SENSOR CARD: Model#5842)。
此外，作为同样将红外光波长变换为可见光的光学元件，已知利 用二次谐波发生等的非线性光学现象，使红外光短波长化，波长变换 为可见光的元件(参照非专利文献2)。
专利文献h日本特开2007-95859号公报
专利文献2:日本特开2004-235574号公报
专利文献3:日本特开2003-13236号公报
专利文献4:日本特开2004-107744号公报
非专禾1」文献1 : B.O'Brien，"Development of Infra-Red Sensitive Phosphors", J. Opt. Soc, Am. Vol.36 No.7 (1946) pp.369-371
非专禾U文献2: P. A. Franken et al""Generation of Optical Harmonics" Phys. Rev. Lett. Vol.7 No.4 (脂)pp.118-119

发明内容
在上述光学元件中，将可见光能量积蓄在物质中的构成中，只能 发生与预先积蓄的能量相对应的可见光，如果继续红外光的照射，则 存在可见光的发光强度减少的问题。为了防止这样的可见光强度的减 少，必须实施在光学元件的使用途中再照射可见照明光的操作、或者 需要改变红外光对元件的照射位置等操作。此外，在采用二次谐波发生等的构成中，由于利用了非线性光学 现象，相对于入射的红外光的光量，可见光的发光量也发生非线性变
化。因此，如果不使用如Q开关激光器(Q-switched laser)等的具有 高峰值功率的红外脉冲光源，则不能高效地发生由二次谐波引起的可 见光，元件的用途受限。通常在使光的波长短波长化的波长变换中也 会发生同样的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供对于指定 波长的入射光，由波长变换能够发生比入射光波长短的光的波长变换 光发生装置和波长变换光发生方法。
本发明者对如上所述的发生比入射光波长短的变换光的波长变换 进行了详细讨论。发现通过利用近场光(在物质表面附近射出的电磁 波)的特殊性质(例如，参照专利文献1 4)，能够进行该波长变换， 从而完成了本发明。
艮P，本发明的波长变换光发生装置，其特征在于，具备(1)供 给指定波长的激发光的激发光供给单元和，(2)通过入射激发光而发 生波长已变换的变换光的波长变换元件，其中，用结晶支撑单元支撑 色素分子的结晶集合体；(3)上述激发光供给单元作为激发光向波长 变换元件供给比色素分子的吸收端的波长长的光，(4)通过向色素分 子的结晶集合体入射激发光，上述波长变换元件发生并输出比激发光 波长短的波长已变换的变换光。
此外，本发明的波长变换光发生方法，其特征在于，具有(1) 供给指定波长的激发光的激发光供给步骤；和，(2)波长变换步骤， 采用以结晶支撑单元支撑色素分子的结晶集合体的波长变换元件，通 过将激发光入射到波长变换元件上而发生波长已变换的变换光；(3) 在上述激发光供给步骤中，作为激发光向波长变换元件供给比色素分 子的吸收端波长长的光，(4)在上述波长变换步骤中，通过向色素分 子的结晶集合体入射激发光，发生并输出比激发光的波长短的波长己 变换的变换光。
上述波长变换光发生装置和发生方法中，将以支撑单元支撑多个 色素分子结晶以互相接近的状态集合而成的结晶集合体的元件，作为 波长变换元件。对于这样的波长变换元件，如果入射比色素分子的吸收端的波长长(低能量)、电子能级不被激发的激发光，在激发光入 射的色素分子结晶的表面附近会发生近场光。
此时，由于近场光的陡峭的电场梯度，在位于该结晶附近的结晶
内的色素分子中振动能级(Phonon)被激发，因而发生含有比激发光 的波长短的波长成分(高能量的成分)的变换光。这样，根据将色素 分子的结晶集合体作为波长变换介质的构成，通过利用近场光，在不 发生通常吸收过程中因电子能级的激发引起的荧光的前提下，能够良 好地实现波长变换，即发生比激发光的波长短的变换光。
根据上述波长变换光发生装置和发生方法，采用以支撑单元支撑 色素分子的结晶集合体的波长变换元件，将比色素分子的吸收端波长 长的激发光入射到结晶集合体上，利用近场光由激发光发生波长己变 换的变换光，能够良好地实现发生并输出比激发光的波长短的变换光 的波长变换。


图1是表示波长变换光发生装置的一实施方式的构成图。
图2是表示波长变换元件中产生的变换光的发射光谱的图表。
图3是表示波长变换光发生装置的其他实施方式的构成图。
图4是表示波长变换元件的构成例的图。
图5是表示波长变换元件的构成例的图。
图6是表示波长变换元件的构成例的图。
图7是表示波长变换元件的构成例的图。
图8是表示波长变换元件的构成例的图。
图9是表示包含波长变换光发生装置的变换光测量系统统的构成图。
图IO是表示变换光的发光强度的激发光强度依赖关系的图表。
图11是表示变换光的发射光谱的图表。
图12是表示反射膜引起的变换光的发射光谱的变化的图表。
图13是表示色素分子结晶集合体的例子的SEM图像。
图14是表示结晶形状引起的变换光的发射光谱的变化的图表。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明相关的波长变换光发生装置和波长变换 光发生方法的优选实施方式进行详细说明。另外，在

中，相 同要素标注相同的符号，并省略重复说明。并且，图纸的尺寸比率并 不一定与说明相符。
图1是表示本发明相关的波长变换光发生装置的一个实施方式的 构成图。本装置是采用指定波长的激发光来发生并输出比激发光波长 短的变换光的发生装置。在此，下面主要对以近红外光作为激发光且 以可见光作为变换光的例子进行说明，但是，本发明相关的波长变换 光发生装置及发生方法并不限定于这样的波长带。下面，对本波长变
换光发生装置1A的构成以及与本发明相关的波长变换光发生方法进 行说明。
如图1所示的波长变换光发生装置1A具备激发光源10和波长变 换元件20。波长变换元件20是用于从激发光向变换光变换波长(变换 频率)的元件，由支撑基板21和色素分子的结晶集合体22构成。色 素分子的结晶集合体(以下，也简称为结晶集合体)22是在该元件20 中实际进行光波长变换的波长变换介质，由多个色素分子结晶(结晶 粒)23以互相接近的状态集合而成。此外，支撑基板21是支撑结晶集 合体22的结晶支撑单元。在图1的构成中，基板21水平地配置，结 晶集合体22被支撑在基板21的一个表面(图1中的上表面)上。
作为对该波长变换元件20供给指定波长的激发光的激发光供给单 元，设置有近红外激发光源10。激发光源10射出比波长变换元件20 的结晶集合体22中所用的色素分子的吸收端波长长的近红外光作为激 发光LO，向波长变换元件20供给(激发光供给步骤)。此时，如上所 述，由于激发光LO的波长比色素分子的吸收端的波长长，即该波长不 被色素分子吸收，因此，即使激发光L0照向结晶集合体22，在集合体 22的色素分子中也不会发生通常的吸收过程引发的电子能级的激发以 及伴随于此的荧光的发生。
在激发光源10和波长变换元件20之间，设置有激发光供给光学 系统。本构成例中的供给光学系统由波长选择光学系统11和导光光学 系统16构成，其中，波长选择光学系统11在从激发光源10射出的光中选择照射在波长变换元件20上的波长成分作为激发光L0，导光光学 系统16在指定的照射条件下向支撑基板21上面的结晶集合体22引导 激发光L0。
具体而言，波长选择光学系统ll由透过指定下限波长以上的长波 长光的长通滤片(long-pass filter, LP) 12构成。并且，导光光学系统 16由将激发光L0聚光并照向结晶集合体22的聚光透镜17构成。并且， 在聚光透镜17和波长变换元件20之间，设置有反射镜15。通过波长 选择光学系统11及导光光学系统16的近红外的激发光LO，经反射镜 15改变光路，从斜上方照射到元件20的结晶集合体22。
在波长变换元件20中，由于该近红外的激发光L0入射到支撑在 支撑基板21上面的色素分子的结晶集合体22上，从而发生从激发光 L0的波长变换到短波长的变换光L1 (即，可见光)，该变换光L1经 反射镜30向指定的输出光路变更光路之后，作为可见光输出到外部(波 长变换步骤)。该从近红外光向可见光的光波长变换，如下所述，利 用在结晶集合体22内发生的近场光的性质进行。
如图1所示的发生装置1A中，对于从波长变换元件20输出的变 换光L1设置有变换光输出光学系统。本构成例的输出光学系统由导光 光学系统31和波长选择光学系统36构成，其中，导光光学系统31在 指定的输出条件下向外部引导经反射镜30设定了输出光路的变换光 Ll，波长选择光学系统36在所发生的变换光Ll中选择向外部输出的 波长成分。
具体而言，导光光学系统31由将变换光L1向外部聚光并输出的 聚光透镜32、 33构成。并且，波长选择光学系统36是将透过指定的 下限波长以上的光的长通滤片37、和透过指定的上限波长以下的光的 短通滤片(short-pass filtr， SP) 38组合，并以在变换光L1中选择并输 出下限波长和上限波长之间的波长带的光的方式构成。
关于上述实施方式的波长变换光发生装置和发生方法的效果进行 说明。
在如图1所示的波长变换光发生装置1A及其发生方法中，将多个 色素分子的结晶23呈互相接近的状态的结晶集合体22被支撑基板21 支撑的元件，用作波长变换元件20。如果对该波长变换元件20入射近红外的激发光LO(其波长比结晶集合体22中包含的色素分子的吸收端 的波长长(能量低)，并且不发生因通常的吸收过程引起的电子能级 激发)，则在激发光L0入射的色素分子结晶23的表面附近发生近场 光。
此时，由于近场光的陡峭的电场梯度，在位于该结晶的附近的结 晶内的色素分子中分子的振动能级(Phonon)被激发，因而发生包含 比激发光LO的波长短的成分(高能量的成分)的可见变换光Ll。这 样，根据将色素分子的结晶集合体22用作波长变换介质的构成，通过 利用近场光，在不发生通常吸收过程中因电子能级的激发引起的荧光 的前提下，能够实现发生比激发光LO的波长短的变换光Ll的波长变 换。
在这样的构成中，因为采用比色素分子的吸收端波长长的激发光， 色素分子很难发生光分解，元件的恶化极少。并且，因为是利用激发 光能量的发光过程，即使继续用激发光照射发光强度也不会减少。这 样的发光现象，如后述具体数据及其说明所示，认为不同于因激发光 的多光子吸收和非线性光学效果引起的波长变换、或者是拉曼散射的 反斯托克斯位移等的已知现象。
作为波长变换元件20中用作波长变换介质的结晶集合体22中所 用的色素分子，具体而言，可以采用例如DCM (化学名称4-(二氰基 亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃，CAS编号 51325-91-8)。并且，作为色素分子可以采用Rhodamine6G(化学名称 罗丹明6G， CAS编号989-38-8)。并且，还可以采用这两种以外的 各种色素分子作为波长变换介质。
图2是表示由于激发光L0的入射在波长变换元件20中发生的变 换光L1的发射光谱的图表。在此，用CW激光器二极管作为激发光源 10，表示以1.27W照射强度向波长变换元件20供给波长808nm的激 发光L0而得到的变换光L1的发射光谱。在图2的图表中，横轴表示 变换光L1的波长(nm)，纵轴表示发光强度(任意刻度)。
此外，在图2中，实线的图表表示用DCM作为色素分子的情况下 变换光Ll的发射光谱，虚线的图表表示用Rhodamine6G的情况下变 换光L1的发射光谱。并且，这些图表的发射光谱是采用后述图6的构成例(a)测量得到的结果。从这些图表可知，通过向波长变换元件20 供给波长为808nm的近红外的激发光LO，至少在600nm 700nm的波 长范围内发生可见的变换光L1。
在此，关于激发光(入射光)及变换光(输出光)，如上所述， 可以采用以近红外光作为激发光L0且以可见光作为变换光L1的构成。 在该情况下，关于激发光LO以及变换光Ll的具体波长带，激发光LO 优选是具有750nm 2iam范围内波长的近红外光，变换光Ll优选是具 有400nm 750nm范围内波长的可见光。因此，可以将近红外光作为 激发光，良好地实现发生比近红外光的波长短的可见光的波长变换。
此外，关于在波长变换元件20中作为波长变换介质起作用的结晶 集合体22的色素分子，优选结晶集合体22中包含的色素分子的结晶 23是具有宽度为lpm以下且长度为10pm以下的形状的结晶粒。根据 这样的构成，能够提高利用在激发光LO入射的色素分子的结晶23的 表面附近发生的近场光而进行波长变换的变换光Ll的发生效率。
关于波长变换光发生装置的构成，具体而言，除了如图1所示的 构成以外，也可以采用各种构成。图3是表示波长变换光发生装置的 其他实施方式的构成图。图3所示的波长变换光发生装置1B的构成中， 激发光源10、波长选择光学系统11、导光光学系统16、导光光学系统 31以及波长选择光学系统36的构成与图1所示的发生装置1A中的构 成相同。
与图1相同，波长变换元件20由支撑基板21和色素分子的结晶 集合体22构成。在图3的构成中，基板21被垂直地配置，且结晶集 合体22被支撑在基板21的一个表面上(图3中的右面)。并且，在 激发光供给光学系统中设置有反射镜15，通过波长选择光学系统11 及导光光学系统16的激发光LO经由反射镜15向元件20的结晶集合 体22入射。并且，在本构成例中，变换光输出光学系统中没有设置反 射镜30。这样，可以与光学系统的构成同时对波长变换元件20的设置 构成进行各种变形。
如图1及图3所示，波长变换元件20的构成优选为采用基板(基 板状的部件)21作为结晶支撑单元，且将色素分子的结晶集合体22 支撑在基板21的一个表面上。由此，可以良好地构成以结晶集合体22作为波长变换介质的元件20。并且，关于波长变换元件20的具体构成, 可以采用如图4 图8所示的各种构成。另外，在以下图4 图8中，
简略有关色素分子的结晶集合体的图示。
图4表示作为结晶支撑单元采用支撑基板21的情况下波长变换元 件20的构成例。在图4的构成例(a)中，与图1及图3所示的构成 相同，激发光L0从上方照向支撑在基板21上的结晶集合体22，并将 所得到的变换光U从同一上方输出。并且，在图4的构成例(b)中， 激发光LO从上方照向基板21上的结晶集合体22，并将所得到的变换 光L1从下方输出。该情况下，须采用由透过可见的变换光L1的材质 制成的基板作为基板21。
此外，在图4的构成例(c)中，激发光L0从下方照向基板21上 的结晶集合体22，并将所得到的变换光L1从上方输出。该情况下，须 采用由透过近红外的激发光LO的材质制成的基板作为基板21 。并且， 在图4的构成例(d)中，激发光L0从下方照向基板21上的结晶集合 体22，并将所得到的变换光L1从同一下方输出。该情况下，须采用由 透过近红外的激发光LO和可见的变换光Ll两者的材质制成的基板作 为基板21。
图5表示波长变换元件20的构成例，其采用支撑基板作为结晶支 撑单元，并且，支撑基板的构成包括反射激发光LO的反射单元。这样， 通过使支撑基板具有对激发光LO进行反射的反射单元的功能，不发生 波长变换的前提下在支撑基板上反射通过结晶集合体22的激发光LO, 能够使其再入射到结晶集合体22。
因此，可以提高波长变换元件20中的激发光LO的利用效率。
图5的构成例(a)中表示作为支撑基板采用由反射激发光LO的 基板状的反射部件制成的支撑基板24的构成。该情况下，从上方照射 到结晶集合体22的激发光L0在基板24的上面发生反射。并且，图5 的构成例(b)中表示作为支撑基板采用在支撑结晶集合体22的上面 侧形成反射膜21a的支撑基板21的构成。该情况下，激发光LO在基 板21上面侧的反射膜21a中发生反射。
此外，图5的构成例(c)中表示作为支撑基板采用在结晶集合体 22的相反侧的下面侧形成反射膜21b的支撑基板21的构成。该情况下，激发光L0透过支撑基板21后在基板21的下面侧的反射膜21b中发生 反射。并且，在这样的构成中，须采用由透过激发光LO的材质制成的 基板作为基板21。
图6及图7中表示波长变换元件20的构成例，其作为结晶支撑单 元采用2块支撑基板夹持支撑结晶集合体22。这样的构成从物理性地 保护结晶集合体22的方面考虑是有效的。图6的构成例(a)中，将 结晶集合体22支撑在支撑基板21上面，并且在其上方设置有支撑基 板25，支撑基板25与基板21—同夹持并保持结晶集合体22。并且， 在本构成例中表示激发光L0从上方照射到结晶集合体22，并将所得到 的变换光L1从同一上方输出的构成。该情况下，须采用由透过激发光 L0及变换光L1两者的材质制成的基板作为基板25。
此外，在图6的构成例(b)中，支撑基板21、 25的构成与构成 例(a)相同，但是，激发光L0从上方照射到结晶集合体22时，所得 到的变换光L1从下方输出。该情况下，须采用由透过激发光LO的材 质制成的基板作为上方的基板25，并且，须采用由透过变换光L1的材 质制成的基板作为下方的基板21。
此外，图7的构成例(a) (c)中表示对于图5的构成例(a) (c)采用2块支撑基板的构成的例。图7的构成例(a)中，将结晶 集合体22支撑在由反射部件制成的基板24上面，并且在其上方设置 有基板25。并且，图7的构成例(b)中，将结晶集合体22支撑在上 面侧形成反射膜21a的基板21上面，并且在其上方设置基板25。并且， 图7的构成例(c)中，将结晶集合体22支撑在下面侧形成反射膜21b 的基板21上面，并且在其上方设置基板25。这些构成中，须釆用由透 过激发光L0及变换光Ll两者的材质制成的基板作为基板25。
图8表示采用2种色素分子的结晶集合体作为波长变换介质的结 晶集合体的情况下的波长变换元件20的构成例。图8的构成例(a) 中，第1色素分子的结晶集合体22支撑在基板21上面，在其上方进 一步支撑第2色素分子的结晶集合体26。并且，在本构成例中，激发 光L0从上方照射结晶集合体22、 26，由各自的结晶集合体得到的变换 光L1、 L2从下方输出。这样的构成中，通过上方的结晶集合体26入射到下方的结晶集合 体22的激发光LO，在集合体22中发生具有第1发射光谱(第1发光 波长)的变换光L1，经由基板21输出该变换光L1。并且，入射到上 方的结晶集合体26的激发光LO，在集合体26中发生具有与第1发射 光谱不同的第2发射光谱(第2发光波长)的变换光L2，经由结晶集 合体22及基板21输出该变换光L2。该情况下，须采用由透过变换光 Ll、 L2的材质制成的基板作为基板21。并且，作为下方的结晶集合体 22，优选采用不吸收由上方的结晶集合体26发生的变换光L2的色素 分子的结晶集合体。
图8的构成例(b)中，将第2色素分子的结晶集合体26支撑在 基板21上面，进一步在其上方支撑第1色素分子的结晶集合体22。并 且，本构成例中，激发光L0从上方照射结晶集合体26、 22，由各自结 晶集合体得到的变换光L2、 Ll从同一上方输出。
这样的构成中，由入射到上方的结晶集合体22的激发光L0，在集 合体22中发生具有第1发射光谱的变换光L1，并输出该变换光L1。 并且，由通过上方的结晶集合体22入射到下方的结晶集合体26的激 发光LO，在集合体26中发生具有第2发射光谱的变换光L2，经由结 晶集合体22输出该变换光L2。该情况下，作为上方的结晶集合体22， 优选采用不吸收在下方的结晶集合体26中发生的变换光L2的色素分 子的结晶集合体。
图8的构成例(c)中，将第1色素分子的结晶集合体22支撑在 基板21上面，在其上方设置基板25，进一步在其上方支撑第2色素分 子的结晶集合体26。并且，在本构成例中，激发光LO从上方照射结晶 集合体22、 26，由各自结晶集合体得到的变换光L1、 L2从下方输出。
这样的构成中，由通过上方的结晶集合体26及基板25入射到下 方的结晶集合体22的激发光LO，在集合体22中发生具有第1发射光 谱的变换光L1，再经由基板21输出该变换光L1。并且，由入射到上 方的结晶集合体26的激发光LO，在集合体26中发生具有第2发射光 谱的变换光L2，再经由基板25、结晶集合体22和基板21输出该变换 光L2。该情况下，作为基板21必须采用由透过变换光L1、 L2的材质 制成的基板，并且，作为基板25必须采用由透过激发光LO及变换光L2的材质制成的基板。并且，作为下方的结晶集合体22，优选采用不 吸收在上方的结晶集合体26中发生的变换光L2的色素分子的结晶集 合体。
如上所述，在波长变换元件20中，通过将多种色素分子的结晶集 合体用作波长变换介质，能够对于激发光LO的入射而发生具有各种发 射光谱的变换光。另外，根据这样的构成还可以提高激发光LO的利用 效率。另外，关于色素分子，上述的构成例中表示了使用的2种色素 分子的构成，但是也可以采用3种以上的色素分子。
关于图1所示的波长变换光发生装置1A，参照具体数据等进行进 一步的说明。图9是表示包含波长变换光发生装置的变换光测量系统 的构成图。在本测量系统中，波长变换光发生装置1A的构成基本上与 图l所示的构成相同。
图9的测量系统中，关于发生装置1A的具体构成，在激发光供给 光学系统中，采用透过波长720nm以上光的长通滤片作为滤片12，并 且，采用焦距100mm的聚光透镜作为透镜17。此外，在变换光输出光 学系统中，分别采用焦距50mm、 200mm的聚光透镜作为透镜32、 33， 采用透过波长550nm以上的光的长通滤片作为滤片37，并且，采用透 过波长700nm以下的光的短通滤片作为滤片38。
作为供给激发光LO的近红外激发光源10，采用CW振荡的钛蓝 宝石激光器或半导体激光器。钛蓝宝石激光器是能使振荡波长变化的 激光光源。测量中，作为钛蓝宝石激光器供给的激发光，采用波长 753nm、 780nm、 805nm的3种激发光。并且，作为半导体激光器供给 的激发光，采用波长808nm的激发光。关于射入波长变换元件20的激 发光LO的照射强度，通过调整减光滤片或注入电流，将照射强度设定 在2.2mW 1270mW范围。就射入于波长变换元件20的照射位置而言， 激发光LO的聚光尺寸大概是4> 5mm左右。
此外，关于波长变换元件20，作为结晶支撑单元的基板，采用合 成石英制的厚度为lmm的基板或光路长度为lmm的合成石英元件。 并且，在作为结晶支撑单元而采用形成反射膜的基板的情况下，采用 蒸镀形成厚度为50nm的Cr反射薄膜的石英基板。并且，就色素分子 的结晶集合体22而言，采用上述DCM或Rhodamine6G用作色素分子。对于这种构成的波长变换光发生装置1A，在如图9所示的测量系 统中设置有分光器50、光检测器5K信号处理装置52和测量控制装 置55。并且，图9的构成中，相对于测量控制装置55连接有，用于输 入与测量相关的必要的指示和信息的输入装置56，和用于显示测量条 件和测量结果等信息的显示装置57。在这样的构成中，由波长变换元 件20发生的经由变换光输出光学系统输出的变换光Ll，在分光器50 中被分光。然后，用光检测器51检测出经分光器50分出的变换光L1 的波长成分，并发生与检测光量对应的电信号。
作为光检测器51釆用光电倍增管(浜松光子学株式会社制造， H7421-40)，将其和上述分光器50—起按照分光光子计数法测量变换 光Ll。该光检测器51具有，通过内装电路与所检测出的每一个光子 (Photon)对应地输出一个电脉冲信号的功能。
在信号处理装置52中对一定时间内从该光检测器51输出的电脉 冲信号的个数进行计数，将所得到的电脉冲信号数(检测出的光子数) 的信息以及分光器50中的分光波长信息等的必要信息输入到由计算机 组成的测量控制装置55中，以进行测量的控制、分析、数据的记录等 操作。作为对电脉冲信号进行计数的信号处理装置52，可以组合采用 日本株式会社NF回路设计制造的多功能信号发生器(Multifunction generator) WF1973和岩通计测株式会社制造的通用计数器(Universal counter) SC-7205。
关于采用DCM或者Rhodamine6G的波长变换元件20，可以根据 下述2种方法进行元件的制作。第l制作方法中，首先，加入一定量 乙醇使色素分子成为过饱和状态。该情况下的乙醇的量为，例如，相 对于22mg的DCM，乙醇是lcc。并且，相对于36mg的Rhodamine6G， 乙醇是lcc。对于装有这种溶液的容器，釆用超声波清洗器等搅拌溶液， 使色素分子分散在乙醇溶液中。然后，将该溶液滴在用作结晶支撑单 元的石英基板上、或石英元件内，干燥乙醇。由此，能够得到用支撑 单元支撑色素分子的结晶集合体的波长变换元件20。
并且，在第2制作方法中，将DCM用作色素分子，并且将DCM 完全溶解在丙酮中。该情况下的溶液的量为，例如，相对于12mg的 DCM，丙酮是lcc。将lcc该溶液与0.5cc水混合时，DCM的色素分子结晶并析出。然后，通过将该析出的色素分子结晶滴在用作结晶支 撑单元的石英基板上、或者石英元件内，从而能够得到用支撑单元支
撑DCM的结晶集合体的波长变换元件20。
采用这种构成的波长变换元件20、波长变换光发生装置1A和变 换光测量系统，对通过入射激发光L0而在波长变换元件20中发生的 变换光L1的特性进行测量。其结果是，得到的测量数据显示，在采用 色素分子的结晶集合体的波长变换元件20中观测到的发光现象(波长 变换现象)，不同于由激发光的多光子吸收和非线性光学效果引起的 波长变换、或者是拉曼散射(Raman scattering)的反斯托克斯位移 (Anti-Stoke，s shift)等已知现象。下面，关于得到的测量结果以及变 换光L1的特性等进行说明。 (第1测量)
第1测量中，用半导体激光器作为激发光源10，用振荡波长808nm 的激光作为激发光。并且，关于波长变换元件20，采用石英元件作为 结晶支撑单元，用DCM作为色素分子，用第1制作方法制作得到的波 长变换元件作为测量试样。然后，其具体测量内容是，通过减光滤片 调整由近红外激发光源10供给的激发光L0的射入到波长变换元件20 的照射强度，在使激发光强度发生变化的同时进行测量。
图10是表示在波长变换元件20中发生的变换光的发光强度的激 发光强度依赖关系的图表。在图10的图表(a)中，横轴表示变换光 Ll的波长(nm)，纵轴表示发光强度(count/sec)。该图表(a)中表 示有在激发光强度分别为2.2mW、 5.8mW、 15.2mW、 72.3mW、 133mW、 392mW、 1170mW情况下所得到的变换光Ll的发射光谱。
此外，图10的图表(b)中表示变换光Ll中波长为650nm的波 长成分的发光强度对激发光强度的依赖关系。在该图表(b)中，横轴 表示激发光强度(mW)，纵轴表示波长650nm处的变换光的发光强 度(count/sec)。
从这些图表(a) 、 (b)可知，在上述构成的波长变换光发生装 置1A中，相对于激发光L0的照射强度，所得到的变换光L1的发光 强度线性地发生变化。S卩，本发生装置1A中的发光现象具有与非线性 光学现象引起的发光现象不同的特性。该情况下，例如如采用二次高次谐波发生的波长变换那样，不要求峰值功率高的红外脉冲光源等作 为激发光源，即使在采用连续动作(CW动作)的激发光的情况下，也
可以实现向可见光的波长变换(上转换，up-conversion)。
(第2测量)
在第2测量中，用钛蓝宝石激光器作为激发光源10，采用振荡波 长为805nm、强度为1000mW的激光作为激发光。并且，关于波长变 换元件20，用石英基板作为结晶支撑单元，用DCM作为色素分子， 用通过第1制作方法制作得到的波长变换元件作为测量试样。然后， 除采用上述波长为805nm的激发光测量变换光发生以外，还采用波长 为532nm的激发光测量荧光发生，比较它们的测量结果。
图11的图表(a)表示在波长变换元件20中发生的变换光的发射 光谱，横轴表示变换光Ll的波长(nm)，纵轴表示用各谱的峰值归 一化的发光强度。并且，该图表(a)中表示，采用波长为805nm的激 发光的情况下的变换光的发射光谱，和采用波长为532nm的激发光的 情况下的荧光的发射光谱。从这些发射光谱可知，在波长变换元件20 中利用近场光由近红外的激发光LO发生的可见的变换光Ll，不同于 由电子能级的激发而引发的荧光的发射光谱。
在第3测量中，用钛蓝宝石激光器作为激发光源10，用强度为 1000mW的激光作为激发光。并且，关于波长变换元件20，用石英基 板作为结晶支撑单元，用DCM作为色素分子，用第1制作方法制作得 到的波长变换元件作为测量试样。然后，使激发光的波长分别变化为 753nm、 780nm、 805nm，分别进行变换光的测量。
图11的图表(b)与图表(a)同样，表示在波长变换元件20中 发生的变换光的发射光谱。并且，该图表(b)中，表示由波长为753nm、 780nm、 805nm的激发光分别得到的变换光的发射光谱。从这些发射光 谱可知，即使改变激发光LO的波长，在波长变换元件20中发生的变 换光L1发射光谱的波谱形状也不发生变化。
从第1 第3测量的结果可以推测，在上述构成的波长变换元件 20中发生的从近红外光向可见光的波长变换现象不同于已知的现象。 此外，如上所述，其基本发光原理推测如下由于入射激发光LO的色素分子结晶23的表面附近发生的近场光的陡峭的电场梯度，位于其结 晶附近的结晶内的色素分子中振动能级被激发，因此发生比激发光LO 波长短的变换光L1。 (第4测量)
在第4测量中，用半导体激光器作为激发光源10，采用振荡波长 为808nm、强度为1270mW的激光作为激发光。并且，关于波长变换 元件20，用DCM作为色素分子，用第1制作方法制作得到的波长变 换元件作为测量试样。然后，在用石英基板作为结晶支撑单元的情况 下，以及采用在作为石英基板的结晶集合体侧面的上面蒸镀形成厚度 为50nm的Cr反射膜的支撑基板的情况下，分别测量变换光。
图12的图表表示在波长变换元件20中发生的变换光的发射光谱 因反射膜引起的变化，横轴表示变换光Ll的波长(nm)，纵轴表示 变换光的发光强度(count/sec)。并且，在图12中，实线的图表表示 采用具有Cr反射膜的基板的情况下变换光Ll的发射光谱，虚线的图 表表示采用没有Cr反射膜的基板的情况下变换光Ll的发射光谱。从 这些发射光谱可知，在波长变换元件20中，通过采用包含Cr反射膜 等反射单元构成的结晶支撑单元，可以提高波长变换中激发光的利用 效率，并且能够使变换光的发光强度增大。
在第5测量中，采用半导体激光器作为激发光源10，采用振荡波 长为808nm、强度为260mW的激光作为激发光。并且，关于波长变换 元件20，采用石英元件作为结晶支撑单元，采用DCM作为色素分子， 将该波长变换元件用作测定试样。并且，关于波长变换元件20的结晶 集合体22，采用以第1制作方法及第2制作方法制作得到的结晶集合 体，分别测量变换光。
图13是表示色素分子结晶集合体的例子的SEM图像，图像(a) 表示用第l制作方法制作得到的结晶集合体的结晶的形状(形状A)， 图像(b)表示用第2制作方法制作得到的结晶集合体的结晶的形状(形 状B)。如这些图像所示，采用第1制作方法得到的结晶形状A中， 色素分子结晶是一边为lpm左右尺寸的结晶粒。另一方面，采用第2制作方法得到的结晶形状B中，色素分子结晶的宽度是lpm左右，但 是其长度方向的长度为10pm左右，结晶形状长。
图14的图表表示在波长变换元件20中发生的变换光的发射光谱 因结晶形状引起的变化，横轴表示变换光Ll的波长(nm)，纵轴表 示变换光的发光强度(count/sec)。并且，在图14中，实线的图表表 示采用形状A的结晶集合体的情况下变换光Ll的发射光谱，虚线的图 表表示采用形状B的结晶集合体的情况下变换光L1的发射光谱。从这 些发射光谱可知，采用结晶粒呈形状A的结晶的情况下，比采用长度 方向长的形状B的结晶的情况，能得到更大的发光强度。
从这样的测量结果可知，关于近红外-可见光的波长变换中所用的 结晶集合体22，如上所述，优选色素分子结晶23是具有宽度为l|_im 以下、长度为10pm以下形状的结晶粒。其中，特别优选色素分子结晶 23是一边为liim以下尺寸的晶粒形状。通过使用该形状的结晶，能够 提高结晶集合体22中波长变换的效率。
本发明所涉及的波长变换光发生装置和波长变换光发生方法并不 限定于上述实施方式及构成例，可以有各种各样的变形。例如，关于 波长变换元件20中所用的色素分子，除采用上述DCM、 Rhodamine6G 以外，还可以采用各种色素分子。并且，关于结晶支撑单元，除支撑 基板以外，例如也可以采用上述石英元件等的各种形式的支撑单元。 此外，关于相对于波长变换元件20的激发光供给光学系统和变换光输 出光学系统的构成，图l示出了一例构成，此外也可以采用各种构成。
在此，上述实施方式的波长变换光发生装置中，具备(l)供给 指定波长的激发光的激发光供给单元；(2)通过入射激发光而发生波 长已变换的变换光的波长变换元件，其中，用结晶支撑单元支撑色素 分子的结晶集合体；(3)上述激发光供给单元作为激发光向波长变换 元件供给比色素分子的吸收端的波长长的光，(4)通过向色素分子的 结晶集合体入射激发光，上述波长变换元件发生并输出比激发光波长 短的波长己变换的变换光。
此外，上述实施方式的波长变换光发生方法中，具有(l)供给 指定波长的激发光的激发光供给步骤；(2)波长变换步骤，采用以结 晶支撑单元支撑色素分子结晶集合体的波长变换元件，通过将激发光入射到波长变换元件上而发生波长已变换的变换光；(3)在上述激发 光供给步骤中，作为激发光向波长变换元件供给比色素分子的吸收端 的波长长的光，(4)在上述波长变换步骤中，通过向色素分子的结晶 集合体入射激发光，发生并输出比激发光的波长短的波长已变换的变 换光。
关于波长变换元件的具体构成，在波长变换元件中，结晶支撑单 元是基板(基板状的部件)，优选在基板的一的表面上支撑色素分子 的结晶集合体。由此，可以适当地构成以色素分子的结晶集合体作为
波长变换介质的上述元件。并且，该情况下，关于用作结晶支撑单元 的基板，其构成可以包含反射激发光的反射单元。
此外，关于激发光及变换光的利用价值特别高的波长带，优选激 发光是具有750nm 2(im范围内的波长的近红外光，变换光是具有 400nm 750nm范围内的波长的可见光。因此，能够良好地实现波长变 换，即，能够将近红外光作为激发光，并且发生比近红外光波长短的 可见光。
此外，关于成为波长变换介质的色素分子，色素分子的结晶集合 体中包含的色素分子结晶优选是具有宽度为l|im以下、长度为10pm 以下的形状的结晶粒。根据这样的构成，可以提高在色素分子的结晶 集合体中利用近场光的波长变换的效率。
本发明可用作对于指定波长的入射光(例如红外光)通过波长变 换能够良好地发生比入射光波长短的光(例如可见光)的波长变换光 发生装置和波长变换光发生方法。
权利要求
1. 一种波长变换光发生装置，其特征在于，具备供给指定波长的激发光的激发光供给单元；通过入射所述激发光而发生波长已变换的变换光的波长变换元件，其中，用结晶支撑单元支撑色素分子的结晶集合体；所述激发光供给单元作为所述激发光向所述波长变换元件供给比所述色素分子的吸收端的波长长的光，通过向所述色素分子的结晶集合体入射所述激发光，所述波长变换元件发生并输出比所述激发光波长短的波长己变换的所述变换光。
2. 如权利要求l所述的波长变换光发生装置，其特征在于， 所述波长变换元件中，所述结晶支撑单元是基板，在所述基板的一个表面上支撑所述色素分子的结晶集合体。
3. 如权利要求2所述的波长变换光发生装置，其特征在于， 所述基板包括反射所述激发光的反射单元而构成。
4. 如权利要求1 3中的任意一项所述的波长变换光发生装置， 其特征在于，所述激发光是具有750nm 2Hm范围内的波长的近红外光，所述 变换光是具有400nm 750nm范围内的波长的可见光。
5. 如权利要求1 3中的任意一项所述的波长变换光发生装置， 其特征在于，所述色素分子的结晶集合体中包含的所述色素分子结晶是具有宽 度为lpm以下、长度为lO)iim以下形状的结晶粒。
6. —种波长变换光发生方法，其特征在于，具有供给指定波长的激发光的激发光供给步骤；波长变换步骤，采用以结晶支撑单元支撑色素分子的结晶集合体 的波长变换元件，通过将所述激发光入射到所述波长变换元件上而发生波长已变换的变换光；在所述激发光供给步骤中，作为所述激发光向所述波长变换元件 供给比所述色素分子的吸收端的波长长的光，在上述波长变换步骤中，通过向所述色素分子的结晶集合体入射 所述激发光，发生并输出比所述激发光波长短的波长已变换的所述变 换光。
7. 如权利要求6所述的波长变换光发生方法，其特征在于， 所述波长变换元件中，所述结晶支撑单元是基板，在所述基板的一个表面上支撑所述色素分子的结晶集合体。
8. 如权利要求7所述的波长变换光发生方法，其特征在于， 所述基板包括反射所述激发光的反射单元而构成。
9. 如权利要求6 8中的任意一项所述的波长变换光发生方法， 其特征在于，所述激发光是具有750nm 2)am范围内的波长的近红外光，所述 变换光是具有400nm 750nm范围内的波长的可见光。
10. 如权利要求6 8中的任意一项所述的波长变换光发生方法， 其特征在于，所述色素分子的结晶集合体中包含的所述色素分子结晶是具有宽 度为l)am以下、长度为10pm以下形状的结晶粒。
全文摘要
本发明涉及一种波长变换光发生装置和发生方法，该波长变换光发生装置(1A)具备供给指定波长的激发光(L0)的激发光源(10)；通过入射激发光(L0)而发生波长已变换的变换光(L1)的波长变换元件(20)，其中，用支撑基板(21)支撑色素分子的结晶集合体(22)。激发光源(10)向波长变换元件(20)供给比色素分子的吸收端的波长长的激发光(L0)。并且，通过向结晶集合体(22)入射激发光(L0)，波长变换元件(20)发生并输出比激发光(L0)(例如近红外光)波长短的波长已变换的变换光(L1)(例如可见光)。由此，实现了对于指定波长的入射光通过波长变换能够良好地发生比入射光波长短的光的波长变换光发生装置和波长变换光发生方法。
文档编号G02F1/37GK101546088SQ20091012953
公开日2009年9月30日 申请日期2009年3月26日 优先权日2008年3月26日
发明者大津元一, 川添忠, 藤原弘康 申请人:浜松光子学株式会社;国立大学法人东京大学