有機光学デバイス、その製造方法、及び増幅又は狭線化した光を発する方法
【課題】本発明は、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を照射して発光し、その発光した光が増幅し、また狭線化する有機光学デバイス及びその製造方法を提供する。更に、本発明は、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を用いて発光させ、その発光を増幅し、狭線化した光として供給する方法を提供する。
【解決手段】（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶１１と、（Ｂ）回折格子１２を有して成る有機光学デバイスであって、（Ｂ）回折格子１２は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶１１の少なくとも一つの主平面に設けられている有機光学デバイスである。（Ｂ）回折格子１２は、誘電体材料１３の表面に形成されていることが好ましい。
【解決手段】（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶１１と、（Ｂ）回折格子１２を有して成る有機光学デバイスであって、（Ｂ）回折格子１２は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶１１の少なくとも一つの主平面に設けられている有機光学デバイスである。（Ｂ）回折格子１２は、誘電体材料１３の表面に形成されていることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成る有機光学デバイス、その製造方法、及び増幅又は狭線化した光を発する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年有機半導体材料を用いる有機電子材料及び有機光学材料が、注目されており、種々の有機光学デバイスが開発されており、種々の分野に使用されている（例えば、非特許文献１参照）。なかでも、有機半導体材料は、例えば、有機ＥＬ材料として、薄型テレビに使用されており、その開発が注目されている。
有機ＥＬ材料は、光が入射すると発光する性質を有しているが、水銀ランプ等の低エネルギーの光を使用して発光させることができたとしても、得られる発光強度が弱いため、発光の増幅や発光線幅の狭線化は認められない。これらの有機ＥＬ材料の発光の増幅や発光線幅の狭線化を起こさせるためには、通常、発光させるために照射する光は、強エネルギーのレーザー光が必要である。
【非特許文献１】Michael D. McGehee and Alan J. Heeger, Advanced Materials, 2000, 12, No. 22, November 16, P.1655-1668
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を照射して発光し、その発光した光が増幅し、また狭線化する有機光学デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。更に、本発明は、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を用いて発光させ、その発光を増幅し、狭線化した光として供給する方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、鋭意検討した結果、驚くべきことに、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の主平面の少なくとも一つに、（Ｂ）回折格子を付することによって、上記課題を解決することができることを見出して、本発明を完成するに至ったものである。ここで主平面とは、有機半導体材料の平板状結晶の一対の広い結晶面を意味する。
即ち、本発明は、一の要旨において、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成る有機光学デバイスであって、
（Ｂ）回折格子は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられている有機光学デバイスを提供する。
本発明に係る、有機光学デバイスは、光増幅又は光狭線幅用に好ましく使用することができる。
本発明の一の態様において、（Ｂ）回折格子が、誘電体材料の表面に形成されている有機光学デバイスを提供する。
【０００５】
本発明は、他の要旨において、
（１） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（２） （Ｂ）回折格子を、誘電体の表面に形成する工程、及び
（３） 誘電体表面の（Ｂ）回折格子上に、（Ａ）有機半導体平板状結晶を配置する工程
を含んで成る有機光学デバイスの製造方法を提供する。
【０００６】
本発明は、好ましい要旨において、
（ｉ） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（ii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に、（Ｂ）回折格子を設ける工程、及び
（iii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して、（Ａ）有機半導体平板状結晶に蛍光を生じさせ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、回折格子の回折格子波数ベクトルと垂直ではない方向に、その蛍光が通る工程を含む増幅又は狭線化（又は狭線幅化）した光を発する方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る有機光学デバイスは、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成り、
（Ｂ）回折格子は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられているので、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を照射して発光させて、その発光させた光を増幅し、また狭線化することができる。
（Ｂ）回折格子を、誘電体材料の表面に形成すると、更に、有機半導体材料の発光特性を損なわないという長所がある。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る有機光学デバイスは、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成り、（Ｂ）回折格子が、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられている。
本発明において、「有機半導体材料」とは、一般的に有機半導体材料と呼ばれるものであって、本発明が目的とする有機光学デバイスを得られる材料であれば特に制限されるものではない。そのような有機半導体材料として、例えば、式（Ｉ）に示す化合物：
式（Ｉ）：（Ｘ）ｍ−（Ｙ）ｎ
［ここで、
Ｘは、各々独立して、窒素、硫黄、酸素、セレン及びテルル等のヘテロ原子を有してよく、アルキル基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等）、ハロゲン、アルコキシル基（例えば、メトキシ基、エトキシ基等）、アルケニル基（例えば、エテニル基等）、シアノ基、フッ素化アルキル基（例えば、トリフルオロメチル基等）等の置換基を有してよい６員環であり、好ましくは、ベンゼン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、ｐ−ピリジルビニレン、ピラン、チオピラン環等であり、ベンゼン環がより好ましい。
ｍは、０〜２０が好ましく、１〜８がより好ましい。
Ｙは、各々独立して、窒素、硫黄、酸素、セレン及びテルル等のヘテロ原子を有してよく、アルキル基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等）、ハロゲン、アルコキシル基（例えば、メトキシ基、エトキシ基等）、アルケニル基（例えば、エテニル基等）、シアノ基、フッ素化アルキル基（例えば、トリフルオロメチル基等）等の置換基を有してよい５員環であり、好ましくは、チオフェン環、フラン環、ピロール環、セレノフェン環であり、チオフェン環がより好ましい。
ｎは、０〜２０が好ましく、１〜８がより好ましい。
ＸとＹは、ブロックで結合しても、ランダムに結合しても、交互に結合してもよい。 ＸとＹは、単結合で結合しても、二重結合で結合しても、三重結合で結合してもよい。
Ｘ同士は、縮環してもよい。
ＸとＹは、単結合で結合し、ＸとＹが交互に結合することが好ましい。］
を例示することができる。
【０００９】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（ＩＩ）に示す化合物：
式（ＩＩ）：（Ｘ）ｍ
［式（ＩＩ）は、式（Ｉ）のｎ＝０の化合物であり、Ｘ及びｍは、式（Ｉ）に記載した通りであり、Ｘ同士は、縮環した、又は単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｘは、ベンゼン環であることがより好ましい。
そのような化合物として、より具体的には、テトラセン（参照：化１）、ペンタセン（参照：化２）、クアテル−フェニル（参照：化３）、キンクエ−フェニル（参照：化４）、セキシ−フェニル（参照：化５）を例示できる。
【００１０】
【化１】
【００１１】
【化２】
【００１２】
【化３】
【００１３】
【化４】
【００１４】
【化５】
【００１５】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（ＩＩＩ）に示す化合物：
式（ＩＩＩ）：（Ｙ）ｎ
［式（ＩＩＩ）は、式（Ｉ）のｍ＝０の化合物であり、Ｙ及びｎは、式（Ｉ）に記載した通りであり、Ｙ同士は単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｙは、チオフェン環であり、チオフェン環同士は、２位と５位で結合した化合物がより好ましい。
そのような化合物として、より具体的には、クアテル−チオフェン（参照：化６）、セクシ−チオフェン（参照：化７）及びオクチ−チオフェン（参照：化８）を例示できる。
【００１６】
【化６】
【００１７】
【化７】
【００１８】
【化８】
【００１９】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（ＩＶ）に示す化合物：
式（ＩＶ）：（Ｘ）ｍ１−（Ｙ）ｎ−（Ｘ）ｍ２
［式（ＩＶ）は、式（Ｉ）において（Ｙ）ｎが分子中央部にブロックとして存在し、その両側に（Ｘ）ｍ１のブロックと（Ｘ）ｍ２のブロックが存在し得る化合物であり、式（ＩＶ）のｍ１＋ｍ２は、式（Ｉ）のｍであり、Ｘ、Ｙ及びｎは、式（Ｉ）に記載した通りであり、ＸとＹは単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｙは、チオフェン環であり、チオフェン環はＸと、２位及び５位で結合し、Ｘは置換基を有してよいベンゼン環であり、ｍ１及びｍ２は、０〜２であり、ｎ＝１〜５である化合物がより好ましい。
ｎ＝１〜３の場合、ｍ１又はｍ２＝２であることが更により好ましく、ｍ１＝ｍ２＝２であることもより好ましい。ｎ＝４以上の場合、ｍ１又はｍ２＝１であることが更により好ましく、ｍ１＝ｍ２＝１であることもより好ましい。ｎ＝１〜５であることが特に好ましい。
【００２０】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝１の場合、ＢＰ１Ｔ（参照：化９）、ＢＰ１Ｔ−Ｂｕ（参照：化１０）、ＢＰＴ１−ＯＭＥ（参照：化１１）、ＢＰ１Ｔ−ＣＮ（参照：化１２）を例示することができる。
【００２１】
【化９】
【００２２】
【化１０】
【００２３】
【化１１】
【００２４】
【化１２】
【００２５】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝２の場合、ＢＣ４（参照：化１３）、ＢＰ２Ｔ（参照：化１４）、ＢＰ２Ｔ−Ｈｅ（参照：化１５）、ＢＴ２Ｔ−ＯＭＥ（参照：化１６）、ＢＰ２Ｔ−ＣＮ（参照：化１７）を例示することができる。
【００２６】
【化１３】
【００２７】
【化１４】
【００２８】
【化１５】
【００２９】
【化１６】
【００３０】
【化１７】
【００３１】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝３の場合、ＢＰ３Ｔ（参照：化１８）を例示することができる。
【００３２】
【化１８】
【００３３】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝４の場合、ＢＰ４Ｔ（参照：化１９）及びＰ４Ｔ−ＣＦ３（参照：化２０）を例示することができる。
【００３４】
【化１９】
【００３５】
【化２０】
【００３６】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝５の場合、Ｐ５Ｔ（参照：化２１）を例示することができる。
【００３７】
【化２１】
【００３８】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（Ｖ）に示す化合物：
式（Ｖ）：（Ｘ）ｍ１−（Ｙ）ｎ１−（Ｘ）ｍ２−（Ｙ）ｎ２−（Ｘ）ｍ３
［式（Ｖ）は、式（Ｉ）のｎ＝２（即ち、ｎ１＝ｎ２＝１）、及び式（Ｉ）のｍ＝ｍ１＋ｍ２＋ｍ３であって、ｍ２＝１の化合物であり、Ｘ及びＹは、式（Ｉ）に記載した通りであり、ＸとＹは単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｙは、チオフェン環であり、チオフェン環はＸと、２位及び５位で結合し、Ｘは各々独立して、置換基を有してよいベンゼン環であり、ｍ１及びｍ３は、１又は２である化合物がより好ましく、１であることが特に好ましい。
【００３９】
そのような化合物として、より具体的には、ＡＣ５（参照：化２２）及びＡＣ５−ＣＦ３（参照：化２３）を例示することができる。
【００４０】
【化２２】
【００４１】
【化２３】
【００４２】
本発明に係る「（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶」とは、上述したような有機半導体材料の板状の結晶をいい、単結晶であることが好ましい。板の厚みが薄い場合、スラブ結晶ともいう。平板状結晶の厚さは、目的とする有機光学デバイスを得ることができる限り特に制限されるものではないが、０．００１〜１０００μｍであることが好ましく、０．０１〜１００μｍであることがより好ましく、０．１〜１０μｍであることが特に好ましい。平板状結晶の大きさ（又は面積）は、（Ｂ）回折格子の占める領域の面積より大きいことが好ましい。
【００４３】
本発明に係る有機半導体材料の平板状結晶は、目的とする平板状結晶を得られる限り、その製造方法は限定されるものではない。そのような方法として、例えば、昇華再結晶法、液相再結晶法等の方法を例示することができる。
【００４４】
本発明に係る「（Ｂ）回折格子」とは、一般的に回折格子と呼ばれるものであって、本発明が目的とする有機光学デバイスを得られるものであれば、特に制限されるものではない。回折格子の格子の長さ、回折格子の周期、回折格子の本数、回折格子の溝の深さ及び幅も、本発明が目的とする有機光学デバイスを得られるものであれば、特に制限されるものではなく、用いる有機半導体材料、照射する光の波長及び強度、照射する光の径、発光の増幅の程度、発光の狭線幅の程度等によって適宜選択することができる。一般的には、
回折格子の格子の長さは、０．１〜１０００００μｍであることが好ましく、１〜１００００μｍであることがより好ましく、１０〜１０００μｍであることが特に好ましい。
回折格子の周期は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０３〜３０μｍであることがより好ましく、１．０〜１０μｍであることが特に好ましい。
回折格子の本数は、３〜１００００００本であることが好ましく、１０〜１０００００本であることがより好ましく、３０〜１００００本であることが特に好ましい。
回折格子の溝の深さは、０．００１〜１０００μｍであることが好ましく、０．００３〜３０μｍであることがより好ましく、０．０１〜１μｍであることが特に好ましい。
回折格子の溝の幅は、０．０００１〜１００μｍであることが好ましく、０．００１〜１０μｍであることがより好ましく、０．０１〜１μｍであることが特に好ましい。
【００４５】
本発明に係る（Ｂ）回折格子は、一般的に、誘電体材料の平面に形成することが好ましい。
ここで誘電体材料とは、一般に誘電体と呼ばれるものであって、本発明が目的とする有機光学デバイスを得ることができるものであれば特に制限されるものではない。誘電体材料は、使用する光に対して透明であり、誘電体材料の屈折率は、有機半導体材料の屈折率より小さいことが好ましく、屈折率の差は、０．０１〜１０であることがより好ましく、１〜１０であることが特に好ましい。
そのような誘電体材料として、例えば、石英、ソーダガラス、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、インジウム−スズ酸化物、ケイ素等を例示することができるが、石英、ソーダガラス、インジウム−スズ酸化物等が好ましい。
【００４６】
誘電体材料の平面に、（Ｂ）回折格子を形成する方法は、本発明が目的とする有機光学デバイスを得ることができ、上述の所望の回折格子を得ることができる限り、特に制限されるものではない。そのような方法として、例えば、物理的に溝を掘る方法、化学薬品等を用いてエッチングする方法等を例示することができる。
例えば、誘電体材料が、石英基板である場合、物理的に溝を掘る方法が好ましい。
【００４７】
このようにして得られた（Ｂ）回折格子を、上述の（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の主平面に設けることで、本発明に係る有機光学デバイスを得ることができる。
（Ｂ）回折格子を、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の主表面に設ける方法は、本発明が目的とする有機光学デバイスを得ることができれば特に制限されるものではない。そのような方法として、例えば、（Ｂ）回折格子が形成された誘電体材料の平面上に、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を配置する方法等を例示できる。一般的には、（Ｂ）回折格子が形成された誘電体材料の平面上に、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を接触させることによって、物理的に接着し密着するが、必要に応じて、接着剤等を使用してよい。（Ｂ）回折格子が形成された有機半導体材料の平面上に、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を配置する方法は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶が、誘電体材料によって、全体的に支持されるので、好ましい。
【００４８】
上述のようにして得られた有機光学デバイスに、水銀ランプ等のエネルギー光を励起光として照射して、発光した蛍光スペクトルを測定したところ、驚くべきことに、蛍光の光強度が増強され又は蛍光の線幅が狭くなった。水銀ランプ等の低エネルギーの励起光によって、このような現象が認められたことは、きわめて珍しい現象である。
従って、本発明に係る有機光学デバイスを、後述するような、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を用いて発光させ、その発光を増幅し、狭線化した光として供給する方法に使用することができる。この場合、後述する光を発する方法では、（ｉ）及び（ii）工程を合わせて、本発明に係る有機光学デバイスを準備する工程とすることができる。この本発明に係る有機光学デバイスを準備する工程は、必要に応じてその都度、上述した製造方法に基づいて本発明に係る有機光学デバイスを製造して使用してもよいし、予め製造された有機光学デバイスを使用してもよい。
【００４９】
本発明に係る増幅又は狭線化した光を発する方法では、
（ｉ） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（ii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に、（Ｂ）回折格子を設ける工程、及び
（iii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して、（Ａ）有機半導体平板状結晶に蛍光を生じさせ、その蛍光の波数ベクトルが回折格子波数ベクトルと直交しないものを選び、かつ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、回折格子の格子と平行ではない方向に、その蛍光が通る工程を含む。
【００５０】
即ち、本発明に係る増幅又は狭線化した光を発する方法は、（ｉ）と（ii）の工程に加えて、（iii）の工程を含む。
（iii）工程では、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に励起光を照射して、平板状結晶内に蛍光を生じさせるが、利用しようとする、有機光学デバイスから発生した蛍光の波数ベクトルの方向は、回折格子の回折格子波数ベクトルと直交しないものを選ぶ必要がある。ここで、回折格子波数ベクトルは、回折格子の溝に垂直な方向として定義される。蛍光は励起光を照射する場所から放射状に直進し、その直進方向が蛍光の波数ベクトルの方向に一致する。従って、励起光を照射する場所は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して生じる蛍光が、その蛍光の波数ベクトルが回折格子波数ベクトルと直交せず、かつ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、その蛍光が通るという条件によって定まる。
このうち最も好ましい条件は、蛍光の波数ベクトルの方向と回折格子の回折格子波数ベクトルの方向とが平行である場合である。
尚、上述の配置である限り、励起光を照射する場所は、回折格子上であってもよいが、回折格子上は、散乱等の影響による光学ロスも起こりえるので、回折格子上でない平板状結晶上であることが好ましい。
【００５１】
励起光の照射位置は、回折格子からの距離を適宜調節することができるが、回折格子から０．０１〜１００００μｍの位置に照射することが好ましく、０．１〜１０００μｍの位置に照射することがより好ましい。
励起光は、通常、励起光として用いられるものであれば、特に限定されるものではないが、本発明においては、例えば、水銀ランプ、キセノンランプ等の低エネルギーの光であっても、使用することができる。
有機光学デバイス上に設置された有機半導体材料の平板状結晶の偏光の方向は、有機半導体材料の平板状結晶の主表面の法線方向を０度、主表面と平行な方向を９０度とすると、０度に近い方向に偏光を有する。従って、本発明に係る有機光学デバイスは、０度に近い方向の偏光を有する蛍光を発生させるために有用である。また、本発明に係る方法を用いると、０度に近い方向に強い偏光を有する光を発することができる。
【００５２】
本発明に係る有機光学デバイス、及び増幅又は狭線化した光を発する方法では、用いる回折格子の格子間隔を適宜変えることで、励起光に対して、増幅又は狭線化する蛍光の波長を変えることができる。
【００５３】
本発明に係る有機光学デバイスは、種々の分野に使用することができる。例えば、情報デバイス分野、ディスプレー分野、生体光計測分野等を例示することができる。
また、本発明に係る増幅又は狭線化した光を発する方法は、種々の分野に使用することができるが、例えば、情報デバイス分野、ディスプレー分野、生体光計測分野等を例示することができる。
【００５４】
以下、本発明を添付した図面を参照して、より具体的に説明する。但し、本発明はその要旨を逸脱しない限り以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００５５】
図１は、本発明に係る有機光学デバイスの一つの実施の形態を示す模式図である。
有機光学デバイス１は、有機発光導波路層１０を含む有機半導体結晶１１と、矩形型の回折格子１２が表面の一部に形成された石英ガラス層１３で構成されており、有機半導体結晶１１は石英ガラス層１３上に配置されることで、物理的に接着し、接触する。図１に示す有機光学デバイスは、下記のようにして製造した。
【００５６】
実施の形態１：有機光学デバイスの製造とその発光性能の評価
石英基板上に回折格子の形成
市販の石英ガラス基板（約１ｃｍ×１ｃｍ）を、有機溶媒や洗剤（アセトン、中性洗剤、２−プロパノールをこの順番で用いた）で洗浄し、酸（９６％の硫酸と３１％の過酸化水素水を４対１で混ぜた混合液）で洗浄後、蒸留水で濯いで、表面を清浄にした。次に、真空蒸着装置（内部の気圧：４．０×１０−３Ｐａ以下）を用いて、アルミニウムをタングステンの電熱線で熱して気化させ、上述の清浄にした石英ガラス基板表面に、１５ｎｍ程度の厚さのアルミ二ウムを蒸着した。これは、後述する集束イオンビーム装置（Ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ：以下ＦＩＢ装置）を用いて、ガリウムイオンを照射して石英ガラスを掘削して、回折格子を形成する際、石英ガラス基板の帯電を防止して、掘削不能となることを防ぐためである。
【００５７】
アルミニウムを蒸着した石英ガラス基板を、ＦＩＢ装置の試料台上にカーボンテープで固定し、試料台上の石英ガラス基板をＦＩＢ装置の真空を乱さないようにしながらＦＩＢ装置中の加工室に差し込んだ。
ＦＩＢ装置の加工室を真空に保ったまま（８×１０−４Ｐａ以下）、ビーム径を２０ｎｍに設定したガリウムイオンビーム（以下「ビーム」ともいう）を出射した。５０倍で観察して、石英基板上の掘削場所を決定した後、下記の掘削条件で掘削した。
ＦＩＢ装置で一つの溝を掘削するための条件として、加工モードを矩形モードに、掘削長Ｌを４０μｍに、掘削幅Ｗを４００ｎｍに、ドーズ量を１．０ｎＣ／ｃｍ２にそれぞれ設定して、石英ガラス基板上に掘削長Ｌが４０μｍの矩形型の溝を掘削した。石英基板を掘削する際に、石英基板上に蒸着したアルミニウムも一緒に掘削した。
同様の掘削条件により、同じ形状の溝を一定の間隔をおいて平行に掘削した。一つの溝の掘削開始位置から次の溝の掘削開始位置の間隔を回折格子の周期Λとすると、その値を加工画面上のピクセル数で１０ピクセルとして、引き続き合計４０本の溝を掘削して、石英基板上に回折格子を形成した。ＦＩＢ装置による掘削後、石英ガラス基板上に残ったアルミニウムは、塩酸に浸して除去した。図２に、上述のようにして得られる回折格子１２の模式図を示す。
【００５８】
図３は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察された、石英ガラス基板上の回折格子の一部の三次元イメージを示す。図４は、ＡＦＭ画像に示された回折格子の格子の方向と垂直方向の断面図を示す。
原子間力顕微鏡による観察から、得られた回折格子の格子方向の長さＬは、４０μｍ、隣接する溝の周期Λは、１３１７ｎｍ、溝の幅Ｗは、３７０ｎｍ、溝の深さＤは、８８ｎｍ、回折格子の格子方向と垂直方向の長さは、５２μｍの矩形型の回折格子が石英ガラス基板上に形成されていることを確認した。
【００５９】
有機半導体材料の昇華再結晶による平板状結晶の作製
有機発光導波路として用いる有機半導体結晶は昇華再結晶法で作製した。図５は、有機半導体材料の昇華再結晶装置を模式的に示す。図５ａは、昇華再結晶装置２０の全体の概略を模式的に示す。昇華再結晶装置２０は、内部で有機半導体材料を昇華させて再結晶させる試験管２１、有機半導体材料の劣化を防ぐために試験管２１に窒素を導入する窒素ボンベ３１と流量計３２、試験管２１内で再結晶化しなかった有機半導体材料のガスをトラップするコールドトラップ３４と流動パラフィンの入ったバブラー３５を含む。
図５ｂは、有機半導体材料を昇華再結晶化させる試験管２１を、より詳細に模式的に示す。試験管２１（外径２５ｍｍ）は、二組のステンレスリングとシール用ゴムリングによりステンレス金具（図示せず）に固定して、その内部を高気密に保った。試験管２１内に、結晶の取り出しを容易にすることを考慮して、外径２２ｍｍのガラスリング２３を入れた。試験管の奥から、長さが、２０ｍｍ、３０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍのガラスリング２３ａ〜２３ｄを、計４つ入れた。
最も奥のガラスリング２３ａに、アルミニウム箔（図示せず）にのせた粉末状の有機半導体材料２４を配置した。有機半導体材料としてＢＰ１Ｔ（２，５−ビス（４−ビフェニルイル）チオフェン：2,5-Bis(4-biphenylyl)thiophene）を選択した。流量計３２で流量を調節した窒素ガス（不活性ガス）を、ステンレス金具にゴムリングで固定した外径４ｍｍのガラス管２５を通して試験管２１の最奥部に流した。この窒素ガスは、加熱することで昇華した有機半導体材料のキャリアガス２６としても作用する。
【００６０】
粉末状有機半導体材料２４を昇華させ再結晶化させるために、ソースヒーター２７と成長ヒーター２８の２個のヒーターを用いた。ソースヒーター２７は、試験管２１の最深部のガラスリング２３ａと２３ｂの一部を覆うように、試験管２１に巻き付けた。成長ヒーター２８は、ガラスリングの２３ｂの一部と２３ｃを覆うように、試験管２１に巻き付けた。これによって、ソースヒーター２７を巻き付けた試験管２１の領域をソース領域ともいい、成長ヒーターを巻き付けた試験管２１の領域を成長領域ともいう。ソース領域で加熱されて昇華した有機半導体材料２４は、成長領域で結晶化して、有機半導体材料の結晶２９を生ずる。ソースヒーター、および成長ヒーターの設定温度をそれぞれＴ１およびＴ２とすると、Ｔ１を３１０℃、Ｔ２を２７０℃に設定し、１５時間かけて結晶を成長させた。
尚、窒素ガス２６および結晶化しなかった有機半導体材料のガスは、試験管２１から外に出て、有機半導体材料のガスはコールドトラップ３４で取り除かれ、更に窒素ガスはバブラー３５を通って、大気中へ排気される。
【００６１】
有機半導体材料の平板状結晶と石英ガラス基板を貼り合わせることによる有機光学デバイスの製造
上述の昇華再結晶法で作製した多数の有機半導体結晶２９から適切な平板状結晶１１を一つ選び出した。石英ガラス基板１３の回折格子１２を覆うように、有機半導体材料の結晶１１がたわまないように注意して、有機半導体材料平板状結晶１１を、石英ガラス基板１３上に配置することで物理的に接触させた。その結果、有機半導体材料の平板状結晶１１は、石英ガラス基板に接着し、貼り付き、有機光学デバイス１が製造された。
図６は、このようにして製造された有機光学デバイスの一例の顕微鏡写真を示す。倍率は、対物レンズが５０倍、接眼レンズが１０倍である。図６の写真は、有機光学材料１の平板状結晶１１の平面と垂直方向から撮影されたものである。写真左下に見える矩形の領域が、石英ガラス基板１３上に形成された回折格子１２の領域であり、平板状結晶１１を透けて見えている。
【００６２】
有機光学デバイスの発光測定
図７は、蛍光顕微鏡を用いる発光測定装置４０を模式的に示す。有機半導体結晶材料の平板状結晶１１を貼り付けた、回折格子１２が形成された石英基板１３（即ち、有機光学デバイス１）を蛍光顕微鏡の試料台（図示せず）上に設置した。
蛍光顕微鏡４１（Ｎｉｋｏｎ製のEclipse LV100POL 型）には、水銀ランプ４２が光源として設けられた。水銀ランプの光から、フィールドストップ４３とフィルター４４を通過して、紫外光（波長３３０〜３８０ｎｍ）が取り出された。取り出された紫外光は、鏡４５で反射して、蛍光顕微鏡４１の対物レンズを通って、図７に示すように、有機光学デバイス１の平面（平板状結晶面）に垂直な方向から照射した。尚、このとき、水銀ランプから取り出した紫外光の照射領域を、顕微鏡に設置されている絞りで制限し、５０倍の対物レンズを通して有機光学デバイス１に照射した。これは、有機光学デバイス１の特定の領域（例えば、石英ガラス基板上に形成した回折格子の領域と同等の広さを有する領域）のみに上記紫外光を照射するためである。尚、顕微鏡に設置されている絞りの形状は、六角形であるので、紫外線の照射領域の形状は、六角形となる。
【００６３】
有機光学デバイス１の平板状結晶１１の結晶面に平行な方向であって、かつ回折格子１２の回折格子波数ベクトルと平行な方向に回折格子の領域を中心として平板状結晶の端面から出射される発光４６は、シャープカットフィルター４７（４２０ｎｍ）を通り、更に光ファイバー４８に導かれて、検出器４９（４６フォトニック・マルチチャネル・アナライザー：以下「ＰＭＡ」ともいう）で観測した。シャープカットフィルター４７を、有機光学デバイス１と検出器４９の間に設置して、水銀ランプ４２から取り出された紫外光が、平板状結晶１１で散乱して、検出器４９に入り、測定を乱すことを防止した。検出器４９は、水銀ランプ４２の有機光学デバイス１に対する照射位置と有機光学デバイス１の位置を固定したときに、平板状結晶１１の端面から出てくる光４６の強度を最も強く検出できる位置に設置した。
【００６４】
上述した平均の回折格子の周期Λが１３１７ｎｍである回折格子１２を備える有機光学デバイス１に、水銀ランプ４２からの紫外光を照射して発光させ、結晶の端面から出射されるその発光を観測した。図８の１〜６は、有機光学デバイス１に上述の紫外線を照射した際の蛍光顕微鏡写真を示す。図８の１では、中央に見える六角形の形状をしている箇所に、紫外光が照射されている。紫外光は、上述したように顕微鏡４１の六角形の形状の絞りで照射領域が絞られているので、紫外光の照射領域は、六角形をしている。この六角形の領域の右に、長方形の回折格子１２（点線で囲まれている）が見える。図９に、この回折格子１２を拡大した蛍光顕微鏡写真を示す。シャープカットフィルター４７及び検知器４９等は、図８の１の写真に向かって左側、即ち、六角形の紫外光照射領域に対して回折格子１２の反対側に配置されている。検出器４９は、回折格子の回折格子ベクトルに対し並行で、かつ有機光学デバイス１の平板状結晶１１の平面に平行となる位置に設置した。従って、図８の１では、回折格子１２が貼り付けられていない有機半導体材料の結晶１１内を進んだ発光のみが、検知器４９で検知される。
【００６５】
有機光学材料１の発光の測定は、水銀ランプ４２からの紫外光の有機光学デバイス１に対する照射位置を、検出器と回折格子の中心を結ぶ直線上で、回折格子の手前の検出器により近い位置から、回折格子の領域を通って、回折格子を挟んで検出器と反対側の位置まで移動させながら行った（図８の１〜６）。
即ち、図８の１から図８の６へと、徐々に、有機光学デバイス１を写真の画面に向かって右から左へと移動させて、有機光学デバイス１の発光を検知器４９で測定した。図８の２では、回折格子１２の約左側半分に紫外光が照射されており、図８の３では、回折格子１２の全面に紫外光が照射されており、図８の４では、回折格子１２の右側約半分に紫外光が照射されており、図８の５では、回折格子１２に、もはや紫外光は照射されず、図８の６では、更に、回折格子１２と紫外光照射領域の間隔が広がっている。
この測定の間、有機光学デバイス１の回折格子１２に対する紫外光の照射位置を除き、その他の検出器や励起光強度などの測定条件は一定である。
尚、回折格子１２の格子の方向は、図８の１〜６の画面と平行かつ上下方向であるから（図９も参照）、図８の２から図８の５へと測定が進むとともに、有機光学デバイス１の発光は、回折格子１２に貼り付けられた結晶の領域１０を、より長く通る。
【００６６】
観察された発光の測定結果を図１０に示す。図１０の１〜６は、図８の１〜６の位置に、紫外線を照射したときに観察された蛍光スペクトルを示す。図１０の１〜６では、スペクトルを少しずつずらして表示しているので、ピークの位置は、図１０に表示しているほどずれてはいない。
図８の１の位置（回折格子から見て検出器に一番近い側）に紫外光を照射した場合、図１０の１に示すように、広い波長域にわたるブロードなスペクトルが観測された。図８の２の位置に紫外光を照射した場合、図１０の２に示すように、４６２ｎｍ、４６８ｎｍ、５１７ｎｍ付近に新たなピークが観測された。図８の３の位置（回折格子の真上）に光を照射した場合、図１０の３に示すように、４６３ｎｍ、４６８ｎｍ、５１９ｎｍに急激に強度が増加した鋭いピークが観測された。図８の４の位置に紫外光を照射した場合、図１０の４に示すように、図８の３の位置を照射したときに現れた鋭いピークの強度がさらに顕著に増大した。図８の５及び図８の６の位置に紫外光を照射した場合、図１０の５及び６に各々示すように、上述の鋭いピークの強度がさらに顕著に増大した。上述の観察されたピーク波長の変化を表１に示した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
以上のように本発明の有機光学デバイスでは、従来の有機半導体結晶薄膜から出る蛍光発光のブロードなピークに比べ、狭線化した（即ち、発光スペクトルの波長幅が著しく狭くなった）発光ピークを観測できた。また光照射位置を図８の４から図８の６まで移動させることで、図１０に示すように、顕著な光増幅（即ち、発光スペクトル強度の増大）が観測された。
【００６９】
実施の形態２：有機光学デバイスの発光の偏光方向の評価
水銀ランプ４２から有機光学デバイス１に対する紫外線の照射位置、回折格子１２及び検出器４９の配置を、「実施の形態１」の図８の６の照射位置及び配置と同様に設定した。有機光学デバイス１の平板状結晶１１に貼り付けられた回折格子１２と検出器４９の間にある平板状結晶１１の端面から検出器４９へ放射される発光４６を、平板状結晶１１の端面と検出器の４９間に偏光板（図示せず）を設置して観測して、有機光学デバイス１からの発光の偏光特性を評価した。図１１は、上述の実施の形態２の有機光学デバイス１に対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。紫外光の照射位置と検出器４９の間に、回折格子１２と接する平板状結晶１１の領域１０が存在する。
偏光板の偏光方向は、有機光学デバイス１の平面（即ち、回折格子１２の面）の法線方向を０度、回折格子の溝と平行な方向を９０度とした。そして、０度、３０度、６０度、９０度の偏光方向について、有機光学デバイス１からの発光の偏光特性を調べた。
【００７０】
図１２は、有機デバイス１からの発光の各偏光方向の発光スペクトルを示す。偏光板の偏光方向が０度の場合の発光スペクトルが一番鋭く、また発光強度も一番強い。偏光方向が３０度、６０度、９０度と大きくなるとともに、発光強度が著しく小さくなり、かつ、発光スペクトルの鋭さは失われる。
以上から本発明に係る有機光学デバイス１からの発光は、有機光学デバイス１の平板状結晶の主平面の法線方向に顕著に偏光している。従って、本発明に係る有機光学デバイス１からの発光は、有機光学デバイス１の平板状結晶の面の法線方向に、より強い偏光を有する光として利用できることがわかった。これは、有機光学デバイス１の有機半導体結晶１１の偏光特性を反映しており、更に、その効果が増強されたからであると考えられる。
【００７１】
実施の形態３
水銀ランプ４２からの紫外線の照射位置、回折格子１２及び検出器４９の配置を、「実施の形態１」の図８の６と同様に設定して、有機光学デバイス１の平板状結晶１１に貼り付けられた回折格子１２と検出器４９の間にある平板状結晶１１の端面から、検出器４９へ放射される発光４６を測定した。図１３は、実施の形態３の上述の有機光学デバイス１に対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。紫外光の照射位置と検出器４９の間に、回折格子１２と接する平板状結晶１１の領域１０が存在する。「実施の形態１」と同じ水銀ランプ４２から照射される紫外光の光強度を１００％として、その強度に対し５０％、２５％、１２．５％に強度を減少させた紫外光を有機光学デバイス１に照射した。より具体的には、図７の発光測定装置４０の水銀ランプ４２とフィールドストップ４３の間に、適切なＮＤフィルター（図示せず）を配置することによって、紫外光の強度を減少させて、有機光学デバイス１からの発光スペクトルを測定した。
【００７２】
図１４は、上述の実施の形態３の有機光学デバイス１に照射する紫外線の強度が、１００％、５０％、２５％及び１２．５％である場合の発光スペクトルを示す。紫外線の強度が１００％のときに、発光のピークが観察された波長（約４６８ｎｍ）における蛍光強度を１００％とすると、紫外光の強度が５０％のときの発光強度は３８．６％、紫外光の強度が２５％のときの発光強度は１５．９％、紫外光の強度が１２．５％のときは８．７％であった。
【００７３】
有機光学デバイス１に照射する紫外線の強度が強いほど、発光によって得られる蛍光強度が大きい。従って、本発明に係る有機光学デバイス１によって効率的に光増強を行うためには、照射する紫外線の強度を高めることが有用であることがわかった。これは、後述するように本発明の有機光学デバイス１の回折格子１２による発光の閉じ込め効果が光強度の増大とともに効果的に働くからであると考えられるが、このような理由によって、本発明は何ら制限されるものではない。
【００７４】
実施の形態４：別の有機光学デバイス（回折格子の格子周期の変更）の製造とその発光性能の評価
有機光学デバイス１の製造
格子間隔を１０３８ｎｍに変更したことを除いて、上述した実施の形態１と同様の方法を用いて、別の有機光学デバイス１を製造した。即ち、別の石英ガラス基板１３に、格子間隔が１０３８ｎｍの回折格子１２を形成した。上述した昇華再結晶法で作製した有機半導体平板状結晶１１を回折格子１２上に配置して物理的に貼りつけて、実施の形態１とは別の有機光学デバイス１を製造した。有機半導体結晶１１を貼り付けた石英ガラス基板１３を３℃（冷蔵庫の温度）に冷却し、その後室温に戻すことで有機半導体結晶１１を石英ガラス基板１３に、よりしっかりと密着させて、有機半導体結晶１１と石英ガラス基板１３の間の接着性を高めた。実施の形態１と同様に、有機半導体材料の平板状結晶として、ＢＰ１Ｔを使用した。
「実施の形態１」と同様の方法を用いて、水銀ランプ４２の紫外光の照射位置を、検出器４９と回折格子１２が貼り付けられた平板状結晶１０の領域を結ぶ直線上を移動させて、有機光学デバイス１の発光性能を測定した。その結果を、図１５の１〜５に示した。ここで、図１５の１〜５の紫外線の有機光学デバイスに対する照射位置は、図８の１〜５の紫外線の照射位置とおよそ対応する。（厳密には、図８の１に図１５の２が、図８の３に図１５の３が、図８の５に図１５の４が対応する。）（検出器が有機光学デバイスの左側にある場合、図１５の１では、回折格子１２の左側の離れた位置に紫外線が照射され、図１５の２では、回折格子１２の左側に紫外線が照射され、図１５の３では、回折格子１２の全面に紫外線が照射され、図１５の４では、回折格子１２の右側に紫外線が照射され、もはや紫外線は回折格子には照射されず、図１５の５では、更に回折格子１２と紫外線が照射されている領域の間隔が広がっている。）
【００７５】
図１５の１の位置に紫外光を照射した場合、広い波長域にわたるブロードなスペクトルが観測された。図１５の２の位置に紫外光を照射した場合も同様である。図１５の３の位置に紫外光を照射した場合、４９２ｎｍ付近に鋭いピークが観測された。図１５の４の位置に紫外光を照射した場合、４９２ｎｍ及び４９７ｎｍ付近に鋭いピークが観測され、強度も増大した。図１５の５の位置に紫外光を照射した場合、図１５の４の位置のスペクトルと同様に、鋭いピークが同じ波長で観測され、ピークはより鋭く高くなった。
【００７６】
実施の形態１の有機光学デバイスの発光ピークの波長は、約４６４ｎｍと約４６８ｎｍであった。これに対し実施の形態２の有機光学デバイスの発光ピークの波長は、約４９２ｎｍと約４９７ｎｍであったので、本発明の有機光学デバイスは、回折格子の格子周期を変更することで、種々の狭線化した発光ピークの波長を得られることがわかった。すなわち、本発明では種々の狭線化した発光ピーク波長を有する有機光学デバイスを容易に製造することができる。
【００７７】
尚、格子周期と発振波長（即ち、スペクトルが狭線化する上記波長）との間の関係式として下記式の関係が知られている：
Λ＝ｐλ／２ｎ
［（Λ：格子周期、λ：発振波長、ｎ：実効屈折率、p：回折次数（自然数））］。
上記式に係る回折格子の周期として１０３８ｎｍ、発振波長として４９２ｎｍと４９７ｎｍの中間の４９５ｎｍを採用し、有機半導体材料であるＢＰ１Ｔ結晶の波長４９０ｎｍ付近の屈折率４．５３（モード解析を用いて測定した値）を代入すると、回折次数として１９がえられた。
【００７８】
実施の形態５：発光に対する回折格子の格子方向の影響
図１６に、発光が回折格子１２の格子方向に平板状結晶の領域１０を通る場合の蛍光スペクトルを示す。実施の形態１で製造した格子周期が１３１７ｎｍである回折格子１２を有する有機光学デバイス１を用いて、図１６ａの３及び５に示すように検出器４９が回折格子１２の溝の方向と平行方向（主平面内で回折格子ベクトルと垂直）になるように、有機光学デバイス１を配置した以外は、「実施の形態１」と同様の方法を用いて、回折格子１２と検出器４９を結んだ線上にある平板状結晶１１の端面からの発光４６を観測した。
【００７９】
図１６ｂに、観察されたスペクトルを示す。図１６ｂの３は、有機光学デバイス１の回折格子１２と接する平板状結晶の領域１０に紫外光を照射した場合の結果を示す。図１６ｂの５は、有機光学デバイス１の回折格子１２に対して検出器４９と反対側の平板状結晶の領域１１に紫外光を照射した場合の結果を示す。いずれも波長域の広いブロードなスペクトルが観測されたが、狭線化した発光ピークは観測されなかった。
【００８０】
従って、回折格子１２の溝と平行方向に検出器４９を配置した場合、有機光学デバイス１による、鋭い発光ピークは観察されなかった。発光が回折格子１２に接する平板状結晶１０を通過する方向は、少なくとも溝と平行な方向ではない（主平面内で回折格子波数ベクトルと直角ではない）ほうがよいことがわかった。
【００８１】
本発明は、上述したような優れた効果を奏するものであるが、それは以下のような動作原理によるものと考えられる。
図１を参照して、本発明に係る有機光学デバイス１の動作原理について説明する。
有機発光導波路層１０に沿って石英ガラス層１３に矩形型の回折格子１２が備わっている。この回折格子１２の周期的な構造変化は周期的な屈折率の変化と等価で、有機発光導波路層１０を導波する光（導波光）に作用し、導波光の一部を反射する。反射された導波光と、反射されていない導波光が結合する。
その結果、有機発光導波路層１０の回折格子１２の直上において、有機発光導波路層１０内を導波する光の半波長の整数倍が回折格子の屈折率変化の空間周期に一致する場合、回折格子１２の直上の有機半導体結晶１１あるいは回折格子１２の光の閉じ込め作用によりその光が増幅されると考えられる。回折格子の周期と発振波長（スペクトルが狭線化する波長）との間の関係は、上述したように、式：Λ＝ｐλ／２ｎで示される。ここで、Λは格子周期、λは発振波長、ｎは実効屈折率、ｐは回折次数（自然数）である。
これをさらに図を用いて説明する。
【００８２】
図１７は、回折格子上に励起光を照射する場合を示す。点線で囲まれた領域は、回折格子が設けられた有機半導体材料の平板状結晶１０の領域（「回折格子領域」ともいう）を示す。また、回折格子波数ベクトルＶは、回折格子の溝に垂直な方向に示される。（回折格子波数ベクトルＶは、平板状結晶１１に平行な方向でもある。）例えば、Ｐ１にて発生した蛍光は、回折格子の端部の最も外側に位置する一対の溝Ｇ１及びＧ２にて、数回反射し、増幅・狭線化され、光線１０１として、有機光学デバイスから出て行き、利用される。
図１８及び１９は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射する場合を示す。いずれも、励起光の照射箇所Ｐ２及びＰ３と、発生し増幅・狭線化された光線２０１及び３０１を光学デバイスから取り出す箇所が、回折格子を挟んで互いに反対側にある。図１９では、光線３０１は波数ベクトルＶに平行であり、回折格子領域内部（点線で囲まれた領域）では重なるので、見やすくするため、離して記載している。図１９の場合、励起光を照射する箇所Ｐ３と、光学デバイスから発生した蛍光を取り出す箇所の位置関係として、最も有利である。
【００８３】
図２０も回折格子上以外の箇所に励起光を照射する場合を示す。Ｐ４から発生した蛍光は、Ｇ１を通過せず、回折格子波数ベクトルＶに相当斜めの方向から、回折格子領域を進行する。このような図２０に示す場合であっても、蛍光を有効に利用することができる。
尚、図１７〜２０において、蛍光が回折格子領域内部で反射される場合、反射される前の光の波数ベクトルと反射光の波数ベクトルは、回折格子波数ベクトルＶに対して線対称である。従って、偶数回の反射を生じた場合、波数ベクトルは保存させる。更に、回折格子領域に入射する蛍光は、回折格子を構成するそれぞれの溝の両側面の有機半導体材料の平板状結晶又は誘電体材料でも反射されるが、図ではこれらは省略しており、溝Ｇ１及びＧ２での反射のみを示す。
【００８４】
図１８〜図２０に示すように、照射箇所が回折格子領域の外部にある場合、照射箇所と回折格子領域との最短距離は、１０００μｍであることが好ましい。照射箇所が広がりを有する場合、照射箇所の集合として考えて、この条件が当てはまる。これは、励起状態（励起子）は、照射箇所から失活しないで、この上記最短距離を拡散して、回折格子領域に到達して誘導放射を受け、光の増幅・狭線化に寄与することができるからである。
本発明は、上述のような動作原理に基づくものと考えられるが、このような動作原理によって、本発明は、何ら制限を受けるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、有機光学デバイス、その製造方法、及び光増強又は光狭線化方法を提供する。本発明は、特に、水銀ランプ等の低エネルギーで、必ずしも単波長ではないブロードな励起光を用いて、明瞭なピークを有する発光を得るために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本発明に係る有機光学デバイスの一つの実施の形態を示す模式図である。
【図２】図２は、回折格子の模式図を示す。
【図３】図３は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察された、石英ガラス基板上の回折格子の一部の三次元イメージを示す。
【図４】図４は、ＡＦＭ画像に示された回折格子の格子の方向と垂直方向の断面図を示す。
【図５】図５は、有機半導体材料の昇華再結晶装置を模式的に示す。図５ａは、昇華再結晶装置２０の全体の概略を模式的に示す。図５ｂは、有機半導体材料を昇華再結晶化させる試験管２１を、より詳細に模式的に示す。
【図６】図６は、有機光学デバイスの一例の顕微鏡写真を示す。
【図７】図７は、蛍光顕微鏡を用いる発光測定装置４０を模式的に示す。
【図８】図８の１〜６は、有機光学デバイスに紫外線を照射した際の蛍光顕微鏡写真を示す。
【図９】図９は、図８に見える回折格子１２を拡大した蛍光顕微鏡写真を示す。
【図１０】図１０は、図８の１〜６の位置に紫外線を照射した場合に観察される、各々の蛍光スペクトルを示す。
【図１１】図１１は、実施の形態２の有機光学デバイスに対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は、実施の形態２の有機デバイスからの発光の各偏光方向の発光スペクトルを示す。
【図１３】図１３は、実施の形態３の有機光学デバイスに対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。
【図１４】図１４は、有機光学デバイスに照射する紫外線の強度が、１００％、５０％、２５％及び１２．５％である場合の発光スペクトルを示す。
【図１５】図１５は、格子間隔を変更した別の有機光学デバイスに対して紫外線を照射して、観察された蛍光スペクトルを示す。
【図１６】図１６は、発光が回折格子１２の格子方向に領域１０を通る場合の蛍光スペクトルを示す。図１６ａの３及び５は、検出器４９が回折格子１２の溝の方向と平行方向になるような、有機光学デバイス１の配置を示す。図１６ｂは、図１６の３及び５の配置によって観察されたスペクトルを示す。
【図１７】図１７は、励起光を照射する箇所が、回折格子１２上である場合に、発生した蛍光が進行する様子を模式的に示す。
【図１８】図１８は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射し、励起光の照射箇所Ｐ２と、発生し増幅・狭線化された光線２０１を光学デバイスから取り出す箇所が、回折格子を挟んで互いに反対側にある場合、光線２０１が進行する様子を模式的に示す。
【図１９】図１９は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射し、励起光の照射箇所Ｐ３と、発生し増幅・狭線化された光線３０１を光学デバイスから取り出す箇所が、回折格子を挟んで互いに反対側にある場合、光線３０１回折格子ベクトルＶに平行に進行する様子を模式的に示す。
【図２０】図２０は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射する場合、Ｐ４から発生した蛍光は、Ｇ１を通過せず、回折格子波数ベクトルＶに相当斜めの方向から、回折格子領域を進行する様子を模式的に示す。
【符号の説明】
【００８７】
１ 有機光学デバイス、
１０ 有機発光導波路層、
１１ 有機半導体結晶、
１２ 回折格子、
１３ 石英ガラス層、
２０ 昇華再結晶装置、
２１ 試験管、
２３ ガラスリング、 ２３ａ〜ｄ ガラスリング、
２４ 粉末状有機半導体材料、
２５ ガラス管、
２６ 窒素ガス、
３１ 窒素ボンベ、
３２ 流量計、
３４ コールドトラップ、
３５ バブラー、
４０ 発光測定装置、
４１ 蛍光顕微鏡、
４２ 水銀ランプ、
４３ フィールドストップ、
４４ フィルター、
４５ 鏡、
４６ 発光（又は蛍光）、
４７ シャープカットフィルター、
４８ 光ファイバー、
４９ 検出器、
１０１ 光線
２０１ 光線
３０１ 光線
４０１ 光線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成る有機光学デバイス、その製造方法、及び増幅又は狭線化した光を発する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年有機半導体材料を用いる有機電子材料及び有機光学材料が、注目されており、種々の有機光学デバイスが開発されており、種々の分野に使用されている（例えば、非特許文献１参照）。なかでも、有機半導体材料は、例えば、有機ＥＬ材料として、薄型テレビに使用されており、その開発が注目されている。
有機ＥＬ材料は、光が入射すると発光する性質を有しているが、水銀ランプ等の低エネルギーの光を使用して発光させることができたとしても、得られる発光強度が弱いため、発光の増幅や発光線幅の狭線化は認められない。これらの有機ＥＬ材料の発光の増幅や発光線幅の狭線化を起こさせるためには、通常、発光させるために照射する光は、強エネルギーのレーザー光が必要である。
【非特許文献１】Michael D. McGehee and Alan J. Heeger, Advanced Materials, 2000, 12, No. 22, November 16, P.1655-1668
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を照射して発光し、その発光した光が増幅し、また狭線化する有機光学デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。更に、本発明は、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を用いて発光させ、その発光を増幅し、狭線化した光として供給する方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、鋭意検討した結果、驚くべきことに、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の主平面の少なくとも一つに、（Ｂ）回折格子を付することによって、上記課題を解決することができることを見出して、本発明を完成するに至ったものである。ここで主平面とは、有機半導体材料の平板状結晶の一対の広い結晶面を意味する。
即ち、本発明は、一の要旨において、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成る有機光学デバイスであって、
（Ｂ）回折格子は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられている有機光学デバイスを提供する。
本発明に係る、有機光学デバイスは、光増幅又は光狭線幅用に好ましく使用することができる。
本発明の一の態様において、（Ｂ）回折格子が、誘電体材料の表面に形成されている有機光学デバイスを提供する。
【０００５】
本発明は、他の要旨において、
（１） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（２） （Ｂ）回折格子を、誘電体の表面に形成する工程、及び
（３） 誘電体表面の（Ｂ）回折格子上に、（Ａ）有機半導体平板状結晶を配置する工程
を含んで成る有機光学デバイスの製造方法を提供する。
【０００６】
本発明は、好ましい要旨において、
（ｉ） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（ii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に、（Ｂ）回折格子を設ける工程、及び
（iii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して、（Ａ）有機半導体平板状結晶に蛍光を生じさせ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、回折格子の回折格子波数ベクトルと垂直ではない方向に、その蛍光が通る工程を含む増幅又は狭線化（又は狭線幅化）した光を発する方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る有機光学デバイスは、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成り、
（Ｂ）回折格子は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられているので、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を照射して発光させて、その発光させた光を増幅し、また狭線化することができる。
（Ｂ）回折格子を、誘電体材料の表面に形成すると、更に、有機半導体材料の発光特性を損なわないという長所がある。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る有機光学デバイスは、
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成り、（Ｂ）回折格子が、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられている。
本発明において、「有機半導体材料」とは、一般的に有機半導体材料と呼ばれるものであって、本発明が目的とする有機光学デバイスを得られる材料であれば特に制限されるものではない。そのような有機半導体材料として、例えば、式（Ｉ）に示す化合物：
式（Ｉ）：（Ｘ）ｍ−（Ｙ）ｎ
［ここで、
Ｘは、各々独立して、窒素、硫黄、酸素、セレン及びテルル等のヘテロ原子を有してよく、アルキル基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等）、ハロゲン、アルコキシル基（例えば、メトキシ基、エトキシ基等）、アルケニル基（例えば、エテニル基等）、シアノ基、フッ素化アルキル基（例えば、トリフルオロメチル基等）等の置換基を有してよい６員環であり、好ましくは、ベンゼン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、ｐ−ピリジルビニレン、ピラン、チオピラン環等であり、ベンゼン環がより好ましい。
ｍは、０〜２０が好ましく、１〜８がより好ましい。
Ｙは、各々独立して、窒素、硫黄、酸素、セレン及びテルル等のヘテロ原子を有してよく、アルキル基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等）、ハロゲン、アルコキシル基（例えば、メトキシ基、エトキシ基等）、アルケニル基（例えば、エテニル基等）、シアノ基、フッ素化アルキル基（例えば、トリフルオロメチル基等）等の置換基を有してよい５員環であり、好ましくは、チオフェン環、フラン環、ピロール環、セレノフェン環であり、チオフェン環がより好ましい。
ｎは、０〜２０が好ましく、１〜８がより好ましい。
ＸとＹは、ブロックで結合しても、ランダムに結合しても、交互に結合してもよい。 ＸとＹは、単結合で結合しても、二重結合で結合しても、三重結合で結合してもよい。
Ｘ同士は、縮環してもよい。
ＸとＹは、単結合で結合し、ＸとＹが交互に結合することが好ましい。］
を例示することができる。
【０００９】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（ＩＩ）に示す化合物：
式（ＩＩ）：（Ｘ）ｍ
［式（ＩＩ）は、式（Ｉ）のｎ＝０の化合物であり、Ｘ及びｍは、式（Ｉ）に記載した通りであり、Ｘ同士は、縮環した、又は単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｘは、ベンゼン環であることがより好ましい。
そのような化合物として、より具体的には、テトラセン（参照：化１）、ペンタセン（参照：化２）、クアテル−フェニル（参照：化３）、キンクエ−フェニル（参照：化４）、セキシ−フェニル（参照：化５）を例示できる。
【００１０】
【化１】
【００１１】
【化２】
【００１２】
【化３】
【００１３】
【化４】
【００１４】
【化５】
【００１５】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（ＩＩＩ）に示す化合物：
式（ＩＩＩ）：（Ｙ）ｎ
［式（ＩＩＩ）は、式（Ｉ）のｍ＝０の化合物であり、Ｙ及びｎは、式（Ｉ）に記載した通りであり、Ｙ同士は単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｙは、チオフェン環であり、チオフェン環同士は、２位と５位で結合した化合物がより好ましい。
そのような化合物として、より具体的には、クアテル−チオフェン（参照：化６）、セクシ−チオフェン（参照：化７）及びオクチ−チオフェン（参照：化８）を例示できる。
【００１６】
【化６】
【００１７】
【化７】
【００１８】
【化８】
【００１９】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（ＩＶ）に示す化合物：
式（ＩＶ）：（Ｘ）ｍ１−（Ｙ）ｎ−（Ｘ）ｍ２
［式（ＩＶ）は、式（Ｉ）において（Ｙ）ｎが分子中央部にブロックとして存在し、その両側に（Ｘ）ｍ１のブロックと（Ｘ）ｍ２のブロックが存在し得る化合物であり、式（ＩＶ）のｍ１＋ｍ２は、式（Ｉ）のｍであり、Ｘ、Ｙ及びｎは、式（Ｉ）に記載した通りであり、ＸとＹは単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｙは、チオフェン環であり、チオフェン環はＸと、２位及び５位で結合し、Ｘは置換基を有してよいベンゼン環であり、ｍ１及びｍ２は、０〜２であり、ｎ＝１〜５である化合物がより好ましい。
ｎ＝１〜３の場合、ｍ１又はｍ２＝２であることが更により好ましく、ｍ１＝ｍ２＝２であることもより好ましい。ｎ＝４以上の場合、ｍ１又はｍ２＝１であることが更により好ましく、ｍ１＝ｍ２＝１であることもより好ましい。ｎ＝１〜５であることが特に好ましい。
【００２０】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝１の場合、ＢＰ１Ｔ（参照：化９）、ＢＰ１Ｔ−Ｂｕ（参照：化１０）、ＢＰＴ１−ＯＭＥ（参照：化１１）、ＢＰ１Ｔ−ＣＮ（参照：化１２）を例示することができる。
【００２１】
【化９】
【００２２】
【化１０】
【００２３】
【化１１】
【００２４】
【化１２】
【００２５】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝２の場合、ＢＣ４（参照：化１３）、ＢＰ２Ｔ（参照：化１４）、ＢＰ２Ｔ−Ｈｅ（参照：化１５）、ＢＴ２Ｔ−ＯＭＥ（参照：化１６）、ＢＰ２Ｔ−ＣＮ（参照：化１７）を例示することができる。
【００２６】
【化１３】
【００２７】
【化１４】
【００２８】
【化１５】
【００２９】
【化１６】
【００３０】
【化１７】
【００３１】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝３の場合、ＢＰ３Ｔ（参照：化１８）を例示することができる。
【００３２】
【化１８】
【００３３】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝４の場合、ＢＰ４Ｔ（参照：化１９）及びＰ４Ｔ−ＣＦ３（参照：化２０）を例示することができる。
【００３４】
【化１９】
【００３５】
【化２０】
【００３６】
そのような化合物として、より具体的には、ｎ＝５の場合、Ｐ５Ｔ（参照：化２１）を例示することができる。
【００３７】
【化２１】
【００３８】
式（Ｉ）に記載した化合物において、式（Ｖ）に示す化合物：
式（Ｖ）：（Ｘ）ｍ１−（Ｙ）ｎ１−（Ｘ）ｍ２−（Ｙ）ｎ２−（Ｘ）ｍ３
［式（Ｖ）は、式（Ｉ）のｎ＝２（即ち、ｎ１＝ｎ２＝１）、及び式（Ｉ）のｍ＝ｍ１＋ｍ２＋ｍ３であって、ｍ２＝１の化合物であり、Ｘ及びＹは、式（Ｉ）に記載した通りであり、ＸとＹは単結合で結合した化合物］が好ましい。
Ｙは、チオフェン環であり、チオフェン環はＸと、２位及び５位で結合し、Ｘは各々独立して、置換基を有してよいベンゼン環であり、ｍ１及びｍ３は、１又は２である化合物がより好ましく、１であることが特に好ましい。
【００３９】
そのような化合物として、より具体的には、ＡＣ５（参照：化２２）及びＡＣ５−ＣＦ３（参照：化２３）を例示することができる。
【００４０】
【化２２】
【００４１】
【化２３】
【００４２】
本発明に係る「（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶」とは、上述したような有機半導体材料の板状の結晶をいい、単結晶であることが好ましい。板の厚みが薄い場合、スラブ結晶ともいう。平板状結晶の厚さは、目的とする有機光学デバイスを得ることができる限り特に制限されるものではないが、０．００１〜１０００μｍであることが好ましく、０．０１〜１００μｍであることがより好ましく、０．１〜１０μｍであることが特に好ましい。平板状結晶の大きさ（又は面積）は、（Ｂ）回折格子の占める領域の面積より大きいことが好ましい。
【００４３】
本発明に係る有機半導体材料の平板状結晶は、目的とする平板状結晶を得られる限り、その製造方法は限定されるものではない。そのような方法として、例えば、昇華再結晶法、液相再結晶法等の方法を例示することができる。
【００４４】
本発明に係る「（Ｂ）回折格子」とは、一般的に回折格子と呼ばれるものであって、本発明が目的とする有機光学デバイスを得られるものであれば、特に制限されるものではない。回折格子の格子の長さ、回折格子の周期、回折格子の本数、回折格子の溝の深さ及び幅も、本発明が目的とする有機光学デバイスを得られるものであれば、特に制限されるものではなく、用いる有機半導体材料、照射する光の波長及び強度、照射する光の径、発光の増幅の程度、発光の狭線幅の程度等によって適宜選択することができる。一般的には、
回折格子の格子の長さは、０．１〜１０００００μｍであることが好ましく、１〜１００００μｍであることがより好ましく、１０〜１０００μｍであることが特に好ましい。
回折格子の周期は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０３〜３０μｍであることがより好ましく、１．０〜１０μｍであることが特に好ましい。
回折格子の本数は、３〜１００００００本であることが好ましく、１０〜１０００００本であることがより好ましく、３０〜１００００本であることが特に好ましい。
回折格子の溝の深さは、０．００１〜１０００μｍであることが好ましく、０．００３〜３０μｍであることがより好ましく、０．０１〜１μｍであることが特に好ましい。
回折格子の溝の幅は、０．０００１〜１００μｍであることが好ましく、０．００１〜１０μｍであることがより好ましく、０．０１〜１μｍであることが特に好ましい。
【００４５】
本発明に係る（Ｂ）回折格子は、一般的に、誘電体材料の平面に形成することが好ましい。
ここで誘電体材料とは、一般に誘電体と呼ばれるものであって、本発明が目的とする有機光学デバイスを得ることができるものであれば特に制限されるものではない。誘電体材料は、使用する光に対して透明であり、誘電体材料の屈折率は、有機半導体材料の屈折率より小さいことが好ましく、屈折率の差は、０．０１〜１０であることがより好ましく、１〜１０であることが特に好ましい。
そのような誘電体材料として、例えば、石英、ソーダガラス、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、インジウム−スズ酸化物、ケイ素等を例示することができるが、石英、ソーダガラス、インジウム−スズ酸化物等が好ましい。
【００４６】
誘電体材料の平面に、（Ｂ）回折格子を形成する方法は、本発明が目的とする有機光学デバイスを得ることができ、上述の所望の回折格子を得ることができる限り、特に制限されるものではない。そのような方法として、例えば、物理的に溝を掘る方法、化学薬品等を用いてエッチングする方法等を例示することができる。
例えば、誘電体材料が、石英基板である場合、物理的に溝を掘る方法が好ましい。
【００４７】
このようにして得られた（Ｂ）回折格子を、上述の（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の主平面に設けることで、本発明に係る有機光学デバイスを得ることができる。
（Ｂ）回折格子を、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の主表面に設ける方法は、本発明が目的とする有機光学デバイスを得ることができれば特に制限されるものではない。そのような方法として、例えば、（Ｂ）回折格子が形成された誘電体材料の平面上に、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を配置する方法等を例示できる。一般的には、（Ｂ）回折格子が形成された誘電体材料の平面上に、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を接触させることによって、物理的に接着し密着するが、必要に応じて、接着剤等を使用してよい。（Ｂ）回折格子が形成された有機半導体材料の平面上に、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を配置する方法は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶が、誘電体材料によって、全体的に支持されるので、好ましい。
【００４８】
上述のようにして得られた有機光学デバイスに、水銀ランプ等のエネルギー光を励起光として照射して、発光した蛍光スペクトルを測定したところ、驚くべきことに、蛍光の光強度が増強され又は蛍光の線幅が狭くなった。水銀ランプ等の低エネルギーの励起光によって、このような現象が認められたことは、きわめて珍しい現象である。
従って、本発明に係る有機光学デバイスを、後述するような、一般的な水銀ランプ等の低エネルギーの光を用いて発光させ、その発光を増幅し、狭線化した光として供給する方法に使用することができる。この場合、後述する光を発する方法では、（ｉ）及び（ii）工程を合わせて、本発明に係る有機光学デバイスを準備する工程とすることができる。この本発明に係る有機光学デバイスを準備する工程は、必要に応じてその都度、上述した製造方法に基づいて本発明に係る有機光学デバイスを製造して使用してもよいし、予め製造された有機光学デバイスを使用してもよい。
【００４９】
本発明に係る増幅又は狭線化した光を発する方法では、
（ｉ） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（ii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に、（Ｂ）回折格子を設ける工程、及び
（iii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して、（Ａ）有機半導体平板状結晶に蛍光を生じさせ、その蛍光の波数ベクトルが回折格子波数ベクトルと直交しないものを選び、かつ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、回折格子の格子と平行ではない方向に、その蛍光が通る工程を含む。
【００５０】
即ち、本発明に係る増幅又は狭線化した光を発する方法は、（ｉ）と（ii）の工程に加えて、（iii）の工程を含む。
（iii）工程では、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に励起光を照射して、平板状結晶内に蛍光を生じさせるが、利用しようとする、有機光学デバイスから発生した蛍光の波数ベクトルの方向は、回折格子の回折格子波数ベクトルと直交しないものを選ぶ必要がある。ここで、回折格子波数ベクトルは、回折格子の溝に垂直な方向として定義される。蛍光は励起光を照射する場所から放射状に直進し、その直進方向が蛍光の波数ベクトルの方向に一致する。従って、励起光を照射する場所は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して生じる蛍光が、その蛍光の波数ベクトルが回折格子波数ベクトルと直交せず、かつ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、その蛍光が通るという条件によって定まる。
このうち最も好ましい条件は、蛍光の波数ベクトルの方向と回折格子の回折格子波数ベクトルの方向とが平行である場合である。
尚、上述の配置である限り、励起光を照射する場所は、回折格子上であってもよいが、回折格子上は、散乱等の影響による光学ロスも起こりえるので、回折格子上でない平板状結晶上であることが好ましい。
【００５１】
励起光の照射位置は、回折格子からの距離を適宜調節することができるが、回折格子から０．０１〜１００００μｍの位置に照射することが好ましく、０．１〜１０００μｍの位置に照射することがより好ましい。
励起光は、通常、励起光として用いられるものであれば、特に限定されるものではないが、本発明においては、例えば、水銀ランプ、キセノンランプ等の低エネルギーの光であっても、使用することができる。
有機光学デバイス上に設置された有機半導体材料の平板状結晶の偏光の方向は、有機半導体材料の平板状結晶の主表面の法線方向を０度、主表面と平行な方向を９０度とすると、０度に近い方向に偏光を有する。従って、本発明に係る有機光学デバイスは、０度に近い方向の偏光を有する蛍光を発生させるために有用である。また、本発明に係る方法を用いると、０度に近い方向に強い偏光を有する光を発することができる。
【００５２】
本発明に係る有機光学デバイス、及び増幅又は狭線化した光を発する方法では、用いる回折格子の格子間隔を適宜変えることで、励起光に対して、増幅又は狭線化する蛍光の波長を変えることができる。
【００５３】
本発明に係る有機光学デバイスは、種々の分野に使用することができる。例えば、情報デバイス分野、ディスプレー分野、生体光計測分野等を例示することができる。
また、本発明に係る増幅又は狭線化した光を発する方法は、種々の分野に使用することができるが、例えば、情報デバイス分野、ディスプレー分野、生体光計測分野等を例示することができる。
【００５４】
以下、本発明を添付した図面を参照して、より具体的に説明する。但し、本発明はその要旨を逸脱しない限り以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００５５】
図１は、本発明に係る有機光学デバイスの一つの実施の形態を示す模式図である。
有機光学デバイス１は、有機発光導波路層１０を含む有機半導体結晶１１と、矩形型の回折格子１２が表面の一部に形成された石英ガラス層１３で構成されており、有機半導体結晶１１は石英ガラス層１３上に配置されることで、物理的に接着し、接触する。図１に示す有機光学デバイスは、下記のようにして製造した。
【００５６】
実施の形態１：有機光学デバイスの製造とその発光性能の評価
石英基板上に回折格子の形成
市販の石英ガラス基板（約１ｃｍ×１ｃｍ）を、有機溶媒や洗剤（アセトン、中性洗剤、２−プロパノールをこの順番で用いた）で洗浄し、酸（９６％の硫酸と３１％の過酸化水素水を４対１で混ぜた混合液）で洗浄後、蒸留水で濯いで、表面を清浄にした。次に、真空蒸着装置（内部の気圧：４．０×１０−３Ｐａ以下）を用いて、アルミニウムをタングステンの電熱線で熱して気化させ、上述の清浄にした石英ガラス基板表面に、１５ｎｍ程度の厚さのアルミ二ウムを蒸着した。これは、後述する集束イオンビーム装置（Ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ：以下ＦＩＢ装置）を用いて、ガリウムイオンを照射して石英ガラスを掘削して、回折格子を形成する際、石英ガラス基板の帯電を防止して、掘削不能となることを防ぐためである。
【００５７】
アルミニウムを蒸着した石英ガラス基板を、ＦＩＢ装置の試料台上にカーボンテープで固定し、試料台上の石英ガラス基板をＦＩＢ装置の真空を乱さないようにしながらＦＩＢ装置中の加工室に差し込んだ。
ＦＩＢ装置の加工室を真空に保ったまま（８×１０−４Ｐａ以下）、ビーム径を２０ｎｍに設定したガリウムイオンビーム（以下「ビーム」ともいう）を出射した。５０倍で観察して、石英基板上の掘削場所を決定した後、下記の掘削条件で掘削した。
ＦＩＢ装置で一つの溝を掘削するための条件として、加工モードを矩形モードに、掘削長Ｌを４０μｍに、掘削幅Ｗを４００ｎｍに、ドーズ量を１．０ｎＣ／ｃｍ２にそれぞれ設定して、石英ガラス基板上に掘削長Ｌが４０μｍの矩形型の溝を掘削した。石英基板を掘削する際に、石英基板上に蒸着したアルミニウムも一緒に掘削した。
同様の掘削条件により、同じ形状の溝を一定の間隔をおいて平行に掘削した。一つの溝の掘削開始位置から次の溝の掘削開始位置の間隔を回折格子の周期Λとすると、その値を加工画面上のピクセル数で１０ピクセルとして、引き続き合計４０本の溝を掘削して、石英基板上に回折格子を形成した。ＦＩＢ装置による掘削後、石英ガラス基板上に残ったアルミニウムは、塩酸に浸して除去した。図２に、上述のようにして得られる回折格子１２の模式図を示す。
【００５８】
図３は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察された、石英ガラス基板上の回折格子の一部の三次元イメージを示す。図４は、ＡＦＭ画像に示された回折格子の格子の方向と垂直方向の断面図を示す。
原子間力顕微鏡による観察から、得られた回折格子の格子方向の長さＬは、４０μｍ、隣接する溝の周期Λは、１３１７ｎｍ、溝の幅Ｗは、３７０ｎｍ、溝の深さＤは、８８ｎｍ、回折格子の格子方向と垂直方向の長さは、５２μｍの矩形型の回折格子が石英ガラス基板上に形成されていることを確認した。
【００５９】
有機半導体材料の昇華再結晶による平板状結晶の作製
有機発光導波路として用いる有機半導体結晶は昇華再結晶法で作製した。図５は、有機半導体材料の昇華再結晶装置を模式的に示す。図５ａは、昇華再結晶装置２０の全体の概略を模式的に示す。昇華再結晶装置２０は、内部で有機半導体材料を昇華させて再結晶させる試験管２１、有機半導体材料の劣化を防ぐために試験管２１に窒素を導入する窒素ボンベ３１と流量計３２、試験管２１内で再結晶化しなかった有機半導体材料のガスをトラップするコールドトラップ３４と流動パラフィンの入ったバブラー３５を含む。
図５ｂは、有機半導体材料を昇華再結晶化させる試験管２１を、より詳細に模式的に示す。試験管２１（外径２５ｍｍ）は、二組のステンレスリングとシール用ゴムリングによりステンレス金具（図示せず）に固定して、その内部を高気密に保った。試験管２１内に、結晶の取り出しを容易にすることを考慮して、外径２２ｍｍのガラスリング２３を入れた。試験管の奥から、長さが、２０ｍｍ、３０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍのガラスリング２３ａ〜２３ｄを、計４つ入れた。
最も奥のガラスリング２３ａに、アルミニウム箔（図示せず）にのせた粉末状の有機半導体材料２４を配置した。有機半導体材料としてＢＰ１Ｔ（２，５−ビス（４−ビフェニルイル）チオフェン：2,5-Bis(4-biphenylyl)thiophene）を選択した。流量計３２で流量を調節した窒素ガス（不活性ガス）を、ステンレス金具にゴムリングで固定した外径４ｍｍのガラス管２５を通して試験管２１の最奥部に流した。この窒素ガスは、加熱することで昇華した有機半導体材料のキャリアガス２６としても作用する。
【００６０】
粉末状有機半導体材料２４を昇華させ再結晶化させるために、ソースヒーター２７と成長ヒーター２８の２個のヒーターを用いた。ソースヒーター２７は、試験管２１の最深部のガラスリング２３ａと２３ｂの一部を覆うように、試験管２１に巻き付けた。成長ヒーター２８は、ガラスリングの２３ｂの一部と２３ｃを覆うように、試験管２１に巻き付けた。これによって、ソースヒーター２７を巻き付けた試験管２１の領域をソース領域ともいい、成長ヒーターを巻き付けた試験管２１の領域を成長領域ともいう。ソース領域で加熱されて昇華した有機半導体材料２４は、成長領域で結晶化して、有機半導体材料の結晶２９を生ずる。ソースヒーター、および成長ヒーターの設定温度をそれぞれＴ１およびＴ２とすると、Ｔ１を３１０℃、Ｔ２を２７０℃に設定し、１５時間かけて結晶を成長させた。
尚、窒素ガス２６および結晶化しなかった有機半導体材料のガスは、試験管２１から外に出て、有機半導体材料のガスはコールドトラップ３４で取り除かれ、更に窒素ガスはバブラー３５を通って、大気中へ排気される。
【００６１】
有機半導体材料の平板状結晶と石英ガラス基板を貼り合わせることによる有機光学デバイスの製造
上述の昇華再結晶法で作製した多数の有機半導体結晶２９から適切な平板状結晶１１を一つ選び出した。石英ガラス基板１３の回折格子１２を覆うように、有機半導体材料の結晶１１がたわまないように注意して、有機半導体材料平板状結晶１１を、石英ガラス基板１３上に配置することで物理的に接触させた。その結果、有機半導体材料の平板状結晶１１は、石英ガラス基板に接着し、貼り付き、有機光学デバイス１が製造された。
図６は、このようにして製造された有機光学デバイスの一例の顕微鏡写真を示す。倍率は、対物レンズが５０倍、接眼レンズが１０倍である。図６の写真は、有機光学材料１の平板状結晶１１の平面と垂直方向から撮影されたものである。写真左下に見える矩形の領域が、石英ガラス基板１３上に形成された回折格子１２の領域であり、平板状結晶１１を透けて見えている。
【００６２】
有機光学デバイスの発光測定
図７は、蛍光顕微鏡を用いる発光測定装置４０を模式的に示す。有機半導体結晶材料の平板状結晶１１を貼り付けた、回折格子１２が形成された石英基板１３（即ち、有機光学デバイス１）を蛍光顕微鏡の試料台（図示せず）上に設置した。
蛍光顕微鏡４１（Ｎｉｋｏｎ製のEclipse LV100POL 型）には、水銀ランプ４２が光源として設けられた。水銀ランプの光から、フィールドストップ４３とフィルター４４を通過して、紫外光（波長３３０〜３８０ｎｍ）が取り出された。取り出された紫外光は、鏡４５で反射して、蛍光顕微鏡４１の対物レンズを通って、図７に示すように、有機光学デバイス１の平面（平板状結晶面）に垂直な方向から照射した。尚、このとき、水銀ランプから取り出した紫外光の照射領域を、顕微鏡に設置されている絞りで制限し、５０倍の対物レンズを通して有機光学デバイス１に照射した。これは、有機光学デバイス１の特定の領域（例えば、石英ガラス基板上に形成した回折格子の領域と同等の広さを有する領域）のみに上記紫外光を照射するためである。尚、顕微鏡に設置されている絞りの形状は、六角形であるので、紫外線の照射領域の形状は、六角形となる。
【００６３】
有機光学デバイス１の平板状結晶１１の結晶面に平行な方向であって、かつ回折格子１２の回折格子波数ベクトルと平行な方向に回折格子の領域を中心として平板状結晶の端面から出射される発光４６は、シャープカットフィルター４７（４２０ｎｍ）を通り、更に光ファイバー４８に導かれて、検出器４９（４６フォトニック・マルチチャネル・アナライザー：以下「ＰＭＡ」ともいう）で観測した。シャープカットフィルター４７を、有機光学デバイス１と検出器４９の間に設置して、水銀ランプ４２から取り出された紫外光が、平板状結晶１１で散乱して、検出器４９に入り、測定を乱すことを防止した。検出器４９は、水銀ランプ４２の有機光学デバイス１に対する照射位置と有機光学デバイス１の位置を固定したときに、平板状結晶１１の端面から出てくる光４６の強度を最も強く検出できる位置に設置した。
【００６４】
上述した平均の回折格子の周期Λが１３１７ｎｍである回折格子１２を備える有機光学デバイス１に、水銀ランプ４２からの紫外光を照射して発光させ、結晶の端面から出射されるその発光を観測した。図８の１〜６は、有機光学デバイス１に上述の紫外線を照射した際の蛍光顕微鏡写真を示す。図８の１では、中央に見える六角形の形状をしている箇所に、紫外光が照射されている。紫外光は、上述したように顕微鏡４１の六角形の形状の絞りで照射領域が絞られているので、紫外光の照射領域は、六角形をしている。この六角形の領域の右に、長方形の回折格子１２（点線で囲まれている）が見える。図９に、この回折格子１２を拡大した蛍光顕微鏡写真を示す。シャープカットフィルター４７及び検知器４９等は、図８の１の写真に向かって左側、即ち、六角形の紫外光照射領域に対して回折格子１２の反対側に配置されている。検出器４９は、回折格子の回折格子ベクトルに対し並行で、かつ有機光学デバイス１の平板状結晶１１の平面に平行となる位置に設置した。従って、図８の１では、回折格子１２が貼り付けられていない有機半導体材料の結晶１１内を進んだ発光のみが、検知器４９で検知される。
【００６５】
有機光学材料１の発光の測定は、水銀ランプ４２からの紫外光の有機光学デバイス１に対する照射位置を、検出器と回折格子の中心を結ぶ直線上で、回折格子の手前の検出器により近い位置から、回折格子の領域を通って、回折格子を挟んで検出器と反対側の位置まで移動させながら行った（図８の１〜６）。
即ち、図８の１から図８の６へと、徐々に、有機光学デバイス１を写真の画面に向かって右から左へと移動させて、有機光学デバイス１の発光を検知器４９で測定した。図８の２では、回折格子１２の約左側半分に紫外光が照射されており、図８の３では、回折格子１２の全面に紫外光が照射されており、図８の４では、回折格子１２の右側約半分に紫外光が照射されており、図８の５では、回折格子１２に、もはや紫外光は照射されず、図８の６では、更に、回折格子１２と紫外光照射領域の間隔が広がっている。
この測定の間、有機光学デバイス１の回折格子１２に対する紫外光の照射位置を除き、その他の検出器や励起光強度などの測定条件は一定である。
尚、回折格子１２の格子の方向は、図８の１〜６の画面と平行かつ上下方向であるから（図９も参照）、図８の２から図８の５へと測定が進むとともに、有機光学デバイス１の発光は、回折格子１２に貼り付けられた結晶の領域１０を、より長く通る。
【００６６】
観察された発光の測定結果を図１０に示す。図１０の１〜６は、図８の１〜６の位置に、紫外線を照射したときに観察された蛍光スペクトルを示す。図１０の１〜６では、スペクトルを少しずつずらして表示しているので、ピークの位置は、図１０に表示しているほどずれてはいない。
図８の１の位置（回折格子から見て検出器に一番近い側）に紫外光を照射した場合、図１０の１に示すように、広い波長域にわたるブロードなスペクトルが観測された。図８の２の位置に紫外光を照射した場合、図１０の２に示すように、４６２ｎｍ、４６８ｎｍ、５１７ｎｍ付近に新たなピークが観測された。図８の３の位置（回折格子の真上）に光を照射した場合、図１０の３に示すように、４６３ｎｍ、４６８ｎｍ、５１９ｎｍに急激に強度が増加した鋭いピークが観測された。図８の４の位置に紫外光を照射した場合、図１０の４に示すように、図８の３の位置を照射したときに現れた鋭いピークの強度がさらに顕著に増大した。図８の５及び図８の６の位置に紫外光を照射した場合、図１０の５及び６に各々示すように、上述の鋭いピークの強度がさらに顕著に増大した。上述の観察されたピーク波長の変化を表１に示した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
以上のように本発明の有機光学デバイスでは、従来の有機半導体結晶薄膜から出る蛍光発光のブロードなピークに比べ、狭線化した（即ち、発光スペクトルの波長幅が著しく狭くなった）発光ピークを観測できた。また光照射位置を図８の４から図８の６まで移動させることで、図１０に示すように、顕著な光増幅（即ち、発光スペクトル強度の増大）が観測された。
【００６９】
実施の形態２：有機光学デバイスの発光の偏光方向の評価
水銀ランプ４２から有機光学デバイス１に対する紫外線の照射位置、回折格子１２及び検出器４９の配置を、「実施の形態１」の図８の６の照射位置及び配置と同様に設定した。有機光学デバイス１の平板状結晶１１に貼り付けられた回折格子１２と検出器４９の間にある平板状結晶１１の端面から検出器４９へ放射される発光４６を、平板状結晶１１の端面と検出器の４９間に偏光板（図示せず）を設置して観測して、有機光学デバイス１からの発光の偏光特性を評価した。図１１は、上述の実施の形態２の有機光学デバイス１に対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。紫外光の照射位置と検出器４９の間に、回折格子１２と接する平板状結晶１１の領域１０が存在する。
偏光板の偏光方向は、有機光学デバイス１の平面（即ち、回折格子１２の面）の法線方向を０度、回折格子の溝と平行な方向を９０度とした。そして、０度、３０度、６０度、９０度の偏光方向について、有機光学デバイス１からの発光の偏光特性を調べた。
【００７０】
図１２は、有機デバイス１からの発光の各偏光方向の発光スペクトルを示す。偏光板の偏光方向が０度の場合の発光スペクトルが一番鋭く、また発光強度も一番強い。偏光方向が３０度、６０度、９０度と大きくなるとともに、発光強度が著しく小さくなり、かつ、発光スペクトルの鋭さは失われる。
以上から本発明に係る有機光学デバイス１からの発光は、有機光学デバイス１の平板状結晶の主平面の法線方向に顕著に偏光している。従って、本発明に係る有機光学デバイス１からの発光は、有機光学デバイス１の平板状結晶の面の法線方向に、より強い偏光を有する光として利用できることがわかった。これは、有機光学デバイス１の有機半導体結晶１１の偏光特性を反映しており、更に、その効果が増強されたからであると考えられる。
【００７１】
実施の形態３
水銀ランプ４２からの紫外線の照射位置、回折格子１２及び検出器４９の配置を、「実施の形態１」の図８の６と同様に設定して、有機光学デバイス１の平板状結晶１１に貼り付けられた回折格子１２と検出器４９の間にある平板状結晶１１の端面から、検出器４９へ放射される発光４６を測定した。図１３は、実施の形態３の上述の有機光学デバイス１に対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。紫外光の照射位置と検出器４９の間に、回折格子１２と接する平板状結晶１１の領域１０が存在する。「実施の形態１」と同じ水銀ランプ４２から照射される紫外光の光強度を１００％として、その強度に対し５０％、２５％、１２．５％に強度を減少させた紫外光を有機光学デバイス１に照射した。より具体的には、図７の発光測定装置４０の水銀ランプ４２とフィールドストップ４３の間に、適切なＮＤフィルター（図示せず）を配置することによって、紫外光の強度を減少させて、有機光学デバイス１からの発光スペクトルを測定した。
【００７２】
図１４は、上述の実施の形態３の有機光学デバイス１に照射する紫外線の強度が、１００％、５０％、２５％及び１２．５％である場合の発光スペクトルを示す。紫外線の強度が１００％のときに、発光のピークが観察された波長（約４６８ｎｍ）における蛍光強度を１００％とすると、紫外光の強度が５０％のときの発光強度は３８．６％、紫外光の強度が２５％のときの発光強度は１５．９％、紫外光の強度が１２．５％のときは８．７％であった。
【００７３】
有機光学デバイス１に照射する紫外線の強度が強いほど、発光によって得られる蛍光強度が大きい。従って、本発明に係る有機光学デバイス１によって効率的に光増強を行うためには、照射する紫外線の強度を高めることが有用であることがわかった。これは、後述するように本発明の有機光学デバイス１の回折格子１２による発光の閉じ込め効果が光強度の増大とともに効果的に働くからであると考えられるが、このような理由によって、本発明は何ら制限されるものではない。
【００７４】
実施の形態４：別の有機光学デバイス（回折格子の格子周期の変更）の製造とその発光性能の評価
有機光学デバイス１の製造
格子間隔を１０３８ｎｍに変更したことを除いて、上述した実施の形態１と同様の方法を用いて、別の有機光学デバイス１を製造した。即ち、別の石英ガラス基板１３に、格子間隔が１０３８ｎｍの回折格子１２を形成した。上述した昇華再結晶法で作製した有機半導体平板状結晶１１を回折格子１２上に配置して物理的に貼りつけて、実施の形態１とは別の有機光学デバイス１を製造した。有機半導体結晶１１を貼り付けた石英ガラス基板１３を３℃（冷蔵庫の温度）に冷却し、その後室温に戻すことで有機半導体結晶１１を石英ガラス基板１３に、よりしっかりと密着させて、有機半導体結晶１１と石英ガラス基板１３の間の接着性を高めた。実施の形態１と同様に、有機半導体材料の平板状結晶として、ＢＰ１Ｔを使用した。
「実施の形態１」と同様の方法を用いて、水銀ランプ４２の紫外光の照射位置を、検出器４９と回折格子１２が貼り付けられた平板状結晶１０の領域を結ぶ直線上を移動させて、有機光学デバイス１の発光性能を測定した。その結果を、図１５の１〜５に示した。ここで、図１５の１〜５の紫外線の有機光学デバイスに対する照射位置は、図８の１〜５の紫外線の照射位置とおよそ対応する。（厳密には、図８の１に図１５の２が、図８の３に図１５の３が、図８の５に図１５の４が対応する。）（検出器が有機光学デバイスの左側にある場合、図１５の１では、回折格子１２の左側の離れた位置に紫外線が照射され、図１５の２では、回折格子１２の左側に紫外線が照射され、図１５の３では、回折格子１２の全面に紫外線が照射され、図１５の４では、回折格子１２の右側に紫外線が照射され、もはや紫外線は回折格子には照射されず、図１５の５では、更に回折格子１２と紫外線が照射されている領域の間隔が広がっている。）
【００７５】
図１５の１の位置に紫外光を照射した場合、広い波長域にわたるブロードなスペクトルが観測された。図１５の２の位置に紫外光を照射した場合も同様である。図１５の３の位置に紫外光を照射した場合、４９２ｎｍ付近に鋭いピークが観測された。図１５の４の位置に紫外光を照射した場合、４９２ｎｍ及び４９７ｎｍ付近に鋭いピークが観測され、強度も増大した。図１５の５の位置に紫外光を照射した場合、図１５の４の位置のスペクトルと同様に、鋭いピークが同じ波長で観測され、ピークはより鋭く高くなった。
【００７６】
実施の形態１の有機光学デバイスの発光ピークの波長は、約４６４ｎｍと約４６８ｎｍであった。これに対し実施の形態２の有機光学デバイスの発光ピークの波長は、約４９２ｎｍと約４９７ｎｍであったので、本発明の有機光学デバイスは、回折格子の格子周期を変更することで、種々の狭線化した発光ピークの波長を得られることがわかった。すなわち、本発明では種々の狭線化した発光ピーク波長を有する有機光学デバイスを容易に製造することができる。
【００７７】
尚、格子周期と発振波長（即ち、スペクトルが狭線化する上記波長）との間の関係式として下記式の関係が知られている：
Λ＝ｐλ／２ｎ
［（Λ：格子周期、λ：発振波長、ｎ：実効屈折率、p：回折次数（自然数））］。
上記式に係る回折格子の周期として１０３８ｎｍ、発振波長として４９２ｎｍと４９７ｎｍの中間の４９５ｎｍを採用し、有機半導体材料であるＢＰ１Ｔ結晶の波長４９０ｎｍ付近の屈折率４．５３（モード解析を用いて測定した値）を代入すると、回折次数として１９がえられた。
【００７８】
実施の形態５：発光に対する回折格子の格子方向の影響
図１６に、発光が回折格子１２の格子方向に平板状結晶の領域１０を通る場合の蛍光スペクトルを示す。実施の形態１で製造した格子周期が１３１７ｎｍである回折格子１２を有する有機光学デバイス１を用いて、図１６ａの３及び５に示すように検出器４９が回折格子１２の溝の方向と平行方向（主平面内で回折格子ベクトルと垂直）になるように、有機光学デバイス１を配置した以外は、「実施の形態１」と同様の方法を用いて、回折格子１２と検出器４９を結んだ線上にある平板状結晶１１の端面からの発光４６を観測した。
【００７９】
図１６ｂに、観察されたスペクトルを示す。図１６ｂの３は、有機光学デバイス１の回折格子１２と接する平板状結晶の領域１０に紫外光を照射した場合の結果を示す。図１６ｂの５は、有機光学デバイス１の回折格子１２に対して検出器４９と反対側の平板状結晶の領域１１に紫外光を照射した場合の結果を示す。いずれも波長域の広いブロードなスペクトルが観測されたが、狭線化した発光ピークは観測されなかった。
【００８０】
従って、回折格子１２の溝と平行方向に検出器４９を配置した場合、有機光学デバイス１による、鋭い発光ピークは観察されなかった。発光が回折格子１２に接する平板状結晶１０を通過する方向は、少なくとも溝と平行な方向ではない（主平面内で回折格子波数ベクトルと直角ではない）ほうがよいことがわかった。
【００８１】
本発明は、上述したような優れた効果を奏するものであるが、それは以下のような動作原理によるものと考えられる。
図１を参照して、本発明に係る有機光学デバイス１の動作原理について説明する。
有機発光導波路層１０に沿って石英ガラス層１３に矩形型の回折格子１２が備わっている。この回折格子１２の周期的な構造変化は周期的な屈折率の変化と等価で、有機発光導波路層１０を導波する光（導波光）に作用し、導波光の一部を反射する。反射された導波光と、反射されていない導波光が結合する。
その結果、有機発光導波路層１０の回折格子１２の直上において、有機発光導波路層１０内を導波する光の半波長の整数倍が回折格子の屈折率変化の空間周期に一致する場合、回折格子１２の直上の有機半導体結晶１１あるいは回折格子１２の光の閉じ込め作用によりその光が増幅されると考えられる。回折格子の周期と発振波長（スペクトルが狭線化する波長）との間の関係は、上述したように、式：Λ＝ｐλ／２ｎで示される。ここで、Λは格子周期、λは発振波長、ｎは実効屈折率、ｐは回折次数（自然数）である。
これをさらに図を用いて説明する。
【００８２】
図１７は、回折格子上に励起光を照射する場合を示す。点線で囲まれた領域は、回折格子が設けられた有機半導体材料の平板状結晶１０の領域（「回折格子領域」ともいう）を示す。また、回折格子波数ベクトルＶは、回折格子の溝に垂直な方向に示される。（回折格子波数ベクトルＶは、平板状結晶１１に平行な方向でもある。）例えば、Ｐ１にて発生した蛍光は、回折格子の端部の最も外側に位置する一対の溝Ｇ１及びＧ２にて、数回反射し、増幅・狭線化され、光線１０１として、有機光学デバイスから出て行き、利用される。
図１８及び１９は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射する場合を示す。いずれも、励起光の照射箇所Ｐ２及びＰ３と、発生し増幅・狭線化された光線２０１及び３０１を光学デバイスから取り出す箇所が、回折格子を挟んで互いに反対側にある。図１９では、光線３０１は波数ベクトルＶに平行であり、回折格子領域内部（点線で囲まれた領域）では重なるので、見やすくするため、離して記載している。図１９の場合、励起光を照射する箇所Ｐ３と、光学デバイスから発生した蛍光を取り出す箇所の位置関係として、最も有利である。
【００８３】
図２０も回折格子上以外の箇所に励起光を照射する場合を示す。Ｐ４から発生した蛍光は、Ｇ１を通過せず、回折格子波数ベクトルＶに相当斜めの方向から、回折格子領域を進行する。このような図２０に示す場合であっても、蛍光を有効に利用することができる。
尚、図１７〜２０において、蛍光が回折格子領域内部で反射される場合、反射される前の光の波数ベクトルと反射光の波数ベクトルは、回折格子波数ベクトルＶに対して線対称である。従って、偶数回の反射を生じた場合、波数ベクトルは保存させる。更に、回折格子領域に入射する蛍光は、回折格子を構成するそれぞれの溝の両側面の有機半導体材料の平板状結晶又は誘電体材料でも反射されるが、図ではこれらは省略しており、溝Ｇ１及びＧ２での反射のみを示す。
【００８４】
図１８〜図２０に示すように、照射箇所が回折格子領域の外部にある場合、照射箇所と回折格子領域との最短距離は、１０００μｍであることが好ましい。照射箇所が広がりを有する場合、照射箇所の集合として考えて、この条件が当てはまる。これは、励起状態（励起子）は、照射箇所から失活しないで、この上記最短距離を拡散して、回折格子領域に到達して誘導放射を受け、光の増幅・狭線化に寄与することができるからである。
本発明は、上述のような動作原理に基づくものと考えられるが、このような動作原理によって、本発明は、何ら制限を受けるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、有機光学デバイス、その製造方法、及び光増強又は光狭線化方法を提供する。本発明は、特に、水銀ランプ等の低エネルギーで、必ずしも単波長ではないブロードな励起光を用いて、明瞭なピークを有する発光を得るために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本発明に係る有機光学デバイスの一つの実施の形態を示す模式図である。
【図２】図２は、回折格子の模式図を示す。
【図３】図３は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察された、石英ガラス基板上の回折格子の一部の三次元イメージを示す。
【図４】図４は、ＡＦＭ画像に示された回折格子の格子の方向と垂直方向の断面図を示す。
【図５】図５は、有機半導体材料の昇華再結晶装置を模式的に示す。図５ａは、昇華再結晶装置２０の全体の概略を模式的に示す。図５ｂは、有機半導体材料を昇華再結晶化させる試験管２１を、より詳細に模式的に示す。
【図６】図６は、有機光学デバイスの一例の顕微鏡写真を示す。
【図７】図７は、蛍光顕微鏡を用いる発光測定装置４０を模式的に示す。
【図８】図８の１〜６は、有機光学デバイスに紫外線を照射した際の蛍光顕微鏡写真を示す。
【図９】図９は、図８に見える回折格子１２を拡大した蛍光顕微鏡写真を示す。
【図１０】図１０は、図８の１〜６の位置に紫外線を照射した場合に観察される、各々の蛍光スペクトルを示す。
【図１１】図１１は、実施の形態２の有機光学デバイスに対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は、実施の形態２の有機デバイスからの発光の各偏光方向の発光スペクトルを示す。
【図１３】図１３は、実施の形態３の有機光学デバイスに対する紫外光の照射位置を示す蛍光顕微鏡写真である。
【図１４】図１４は、有機光学デバイスに照射する紫外線の強度が、１００％、５０％、２５％及び１２．５％である場合の発光スペクトルを示す。
【図１５】図１５は、格子間隔を変更した別の有機光学デバイスに対して紫外線を照射して、観察された蛍光スペクトルを示す。
【図１６】図１６は、発光が回折格子１２の格子方向に領域１０を通る場合の蛍光スペクトルを示す。図１６ａの３及び５は、検出器４９が回折格子１２の溝の方向と平行方向になるような、有機光学デバイス１の配置を示す。図１６ｂは、図１６の３及び５の配置によって観察されたスペクトルを示す。
【図１７】図１７は、励起光を照射する箇所が、回折格子１２上である場合に、発生した蛍光が進行する様子を模式的に示す。
【図１８】図１８は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射し、励起光の照射箇所Ｐ２と、発生し増幅・狭線化された光線２０１を光学デバイスから取り出す箇所が、回折格子を挟んで互いに反対側にある場合、光線２０１が進行する様子を模式的に示す。
【図１９】図１９は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射し、励起光の照射箇所Ｐ３と、発生し増幅・狭線化された光線３０１を光学デバイスから取り出す箇所が、回折格子を挟んで互いに反対側にある場合、光線３０１回折格子ベクトルＶに平行に進行する様子を模式的に示す。
【図２０】図２０は、回折格子上以外の箇所に励起光を照射する場合、Ｐ４から発生した蛍光は、Ｇ１を通過せず、回折格子波数ベクトルＶに相当斜めの方向から、回折格子領域を進行する様子を模式的に示す。
【符号の説明】
【００８７】
１ 有機光学デバイス、
１０ 有機発光導波路層、
１１ 有機半導体結晶、
１２ 回折格子、
１３ 石英ガラス層、
２０ 昇華再結晶装置、
２１ 試験管、
２３ ガラスリング、 ２３ａ〜ｄ ガラスリング、
２４ 粉末状有機半導体材料、
２５ ガラス管、
２６ 窒素ガス、
３１ 窒素ボンベ、
３２ 流量計、
３４ コールドトラップ、
３５ バブラー、
４０ 発光測定装置、
４１ 蛍光顕微鏡、
４２ 水銀ランプ、
４３ フィールドストップ、
４４ フィルター、
４５ 鏡、
４６ 発光（又は蛍光）、
４７ シャープカットフィルター、
４８ 光ファイバー、
４９ 検出器、
１０１ 光線
２０１ 光線
３０１ 光線
４０１ 光線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成る有機光学デバイスであって、
（Ｂ）回折格子は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられている有機光学デバイス。
【請求項２】
（Ｂ）回折格子は、誘電体材料の表面に形成されている請求項１に記載の有機光学デバイス。
【請求項３】
光増幅又は光狭線幅用の請求項１又は２に記載の有機光学デバイス。
【請求項４】
（１） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（２） （Ｂ）回折格子を、誘電体の表面に形成する工程、及び
（３） 誘電体表面の（Ｂ）回折格子上に、（Ａ）有機半導体平板状結晶を配置する工程
を含んで成る有機光学デバイスの製造方法。
【請求項５】
（ｉ） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（ii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に、（Ｂ）回折格子を設ける工程、及び
（iii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して、（Ａ）有機半導体平板状結晶に蛍光を生じさせ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、回折格子の回折格子波数ベクトルと垂直ではない方向に、その蛍光が通る工程を含む増幅又は狭線化した光を発する方法。
【請求項１】
（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶と、（Ｂ）回折格子を有して成る有機光学デバイスであって、
（Ｂ）回折格子は、（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に設けられている有機光学デバイス。
【請求項２】
（Ｂ）回折格子は、誘電体材料の表面に形成されている請求項１に記載の有機光学デバイス。
【請求項３】
光増幅又は光狭線幅用の請求項１又は２に記載の有機光学デバイス。
【請求項４】
（１） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（２） （Ｂ）回折格子を、誘電体の表面に形成する工程、及び
（３） 誘電体表面の（Ｂ）回折格子上に、（Ａ）有機半導体平板状結晶を配置する工程
を含んで成る有機光学デバイスの製造方法。
【請求項５】
（ｉ） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶を準備する工程、
（ii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の少なくとも一つの主平面に、（Ｂ）回折格子を設ける工程、及び
（iii） （Ａ）有機半導体材料の平板状結晶に光を照射して、（Ａ）有機半導体平板状結晶に蛍光を生じさせ、（Ｂ）回折格子が設けられた（Ａ）有機半導体材料の平板状結晶の領域を、回折格子の回折格子波数ベクトルと垂直ではない方向に、その蛍光が通る工程を含む増幅又は狭線化した光を発する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−１５８７４（Ｐ２０１０−１５８７４Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７５７８２（Ｐ２００８−１７５７８２）
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者：国立大学法人京都工芸繊維大学 刊行物：平成１９年度研究発表会要旨集 発行年月日：平成２０年２月１４日
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者：国立大学法人京都工芸繊維大学 刊行物：平成１９年度研究発表会要旨集 発行年月日：平成２０年２月１４日
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【Ｆターム（参考）】
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