RISU_TOP.GIF - 4,722BYTES   江本顕雄

博士論文:「光架橋性高分子液晶を用いた偏光回折格子」

博士論文要旨

 本論文は、光架橋性高分子液晶中での偏光回折格子の形成とその回折特性について論じたものである。本論文は5章からなり、第1(序論)では、異方性回折格子の研究背景や動向について概説すると共に、本研究の意義について述べている。第2章では理論的背景として、光学異方性、ジョーンズ法、偏光干渉、ホログラフィー、回折現象等について記述している。特に、異方性回折格子(偏光回折格子)のジョーンズ行列表現とその格子からの回折光の計算に関しては本研究の理論解析の最も重要な部分であり詳細に記述している。第3章では実験に使用した材料、格子形成方法及び評価手順などを明確に記述している。第4章では実際に格子形成を行い、種々の異方性回折格子の回折特性を実験的に調べ、理論的な解析によって、それらを説明している。まず、光架橋性高分子液晶フィルム中での偏光ホログラム記録を行い、すでに実験的・理論的に明らかにされている回折光の偏光変換特性を観測することで照射偏光に応じた屈折率異方性を誘起できることを明らかにしている。また、本題の液晶高分子とは光反応部が異なる高効率の偏光ホログラム記録材料を用いて、高次回折光における偏光変換特性を実験的・理論的に明らかにしている。次に、その偏光ホログラムの重ね書き(クロスグレーティングの記録)を行い、その回折特性を詳細に調べ、複数の回折光において同時に多様な偏光変換機能を得ることに成功している。一方で、偏光マスク露光法による簡便な手法を用いて大面積の異方性回折格子の形成にも成功している。更に、3光束干渉計を用いた2次元異方性回折格子についても多くの実験結果を得ている。互いに偏光状態の等しい3光束を用いて、六方最密状の表面レリーフ構造と照射偏光に一致した屈折率異方性を有する2次元異方性回折格子を作製し、その回折特性を実験的・理論的に明らかにしている。また、干渉条件を調整し、正方形状や三角形状などの表面レリーフ構造を有する異方性回折格子の作製にも成功しており、それらの回折特性も実験的・理論的に明らかにしている。第5章では結果をまとめ、研究成果を明確に示している。以上のように光架橋性高分子液晶を用いて様々な偏光回折格子に関して調査を行っており、多様な異方性分布からの偏光回折特性に関する多くの有用な知見を得ている。よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士(工学)の学位論文として十分な価値を有するものと認める。


博士課程研究計画

 1.背景および目的
 液晶は、高い誘電率・屈折率異方性と液体流動性が共存したユニークな性質を有しており、表示素子、センサー、機能的光素子、などに幅広く応用されている。また、近年の情報処理技術の高度な進展への要請に伴って、光で情報を制御・処理する技術への期待が高まっている。光で種々の情報を処理するためには、高効率な非線形光学機能を有する材料を組み込んだ情報の高速並列処理システムの構築が必要である。液晶は、その特異な性質から、光などの外場に対する感受性が高く、高効率非線形光学材料の有力な候補であると言える。このような背景を踏まえ、博士後期課程では「液晶の光学的非線形性と光情報処理応用」と題し、液晶の光制御型位相変調機能、実時間ホログラフィ機能などを応用した光情報処理への多彩な応用を提案し、実証することを目的とする。

2.準備状況
 現在までに、液晶の光機能として、(1)光電界による液晶分子配列の光制御、(2)液晶分子再配列型フォトリフラクティブ効果、(3)光化学反応に起因する分子配列制御、(4)光熱効果による液晶オーダーパラメーターの制御、などが検討されてきており、我々の研究室でも、これらの機能の高性能化とメカニズム解明について一定の成果を挙げてきた。また、現在、修士課程でのテーマの一貫として、「液晶フォトリフラクティブ材料を用いた2光波結合による2次元画像増幅」「フーリエ変換ホログラフィ光学系におけるRaman-Nath回折と画像空間周波数の光選択」といった2つのテーマを行い、液晶の光情報処理応用の実証を行ってきている。これらの研究成果については、投稿論文の準備を進めると同時に、7月中旬に米シアトルで開催予定の国際会議(SPIE主催)での発表を予定している。

3.目的達成のための計画
 液晶の光機能性の応用は、上記の画像処理分野だけに留まらないと考えられ、光計測、光演算などの分野への展開が考えられる。これらの分野への応用実証のために、(1)光干渉計の光波による位相制御による計測応用、(2)同干渉計を用いた光演算、といった研究を計画している。光干渉計に液晶の光機能を組み込むことによって、干渉計の位相を光によって制御することが可能となり、種々の干渉計測の高度化・高精度化が可能になることが期待できるだけでなく、光によるアナログ・デジタル変換など光演算の要素技術を構築できる可能性があると考えられる。

修士論文:「液晶の高効率非線形光学特性を用いた光情報処理」

論 文 概 要

 液晶は外場に対する感受性の高い異方性媒質であり、その光学的非線形性の応用は多岐に渡って期待されている。光に情報を与えて伝播させ、光機能性液晶によって情報処理を行うという提案は多く、変調や広くフィルタリングあるいはコンピューティングへの応用等がある。これらの応用は、主として液晶分子の再配列あるいは異方性の増減を用いるものであり、その屈折率変化による位相の変化と振幅の変化によって情報処理をおこなうこととなる。空間的に連続な強度分布をもつコヒーレント光を用いた場合には位相が揃っているため、光機能性液晶を用いた位相空間での情報処理を行うことは難しい。そこで、ホログラフィ技術に見られるように、フーリエ変換光学系を組み合わせたシステムが用いられる場合が多い。これにより、画像などの空間的強度分布を持つ光に対して、位相情報を変化させることが可能となる。

 本研究では、2種類の光機能性液晶を用いて、光画像処理を中心にその処理系を提案し実証を行った。1つ目の光機能性液晶材料として、高分子・低分子複合体フォトリフラクティブ液晶中でのリアルタイムホログラフィを用いた光画像処理について調査した。はじめに、2光波結合による光画像増幅を試みた。これは、フォトリフラクティブ材料中で観測される2光波結合と呼ばれる2つのコヒーレント光の間のエネルギの移動を利用したもので、すでに本研究室で実験的に観測されていた。今回、その実験結果の再生像に対して、フォトリフラクティブ効果の物理を用いて理論的に再生像を計算した。結果として、実験結果を説明することができた。次に、このフォトリフラクティブ材料のリアルタイムホログラフィの特性に着目して、フーリエ変換型ホログラフィを用いたRaman-Nath回折領域での光画像の空間周波数の選択的再生を試みた。これは、フーリエ変換型ホログラフィの再生特性とRaman-Nath回折領域での高次多重回折を利用したもので、入力画像光のフーリエ変換像とリファレンス光の干渉稿で高分子・低分子複合体フォトリフラクティブ液晶中にホログラムを書き込む実験を行った。リファレンス光の照射領域や強度を変化させることで、入力画像光の空間周波数成分の選択的再生を試みた。入力画像に正方形を用い、結果として、その正方形画像光のエッジ部や中心部を選択的に再生することができた。また、フーリエ変換光学に基づいてシミュレーションを行い実験結果と比較して一致する結果を得た。

 2つ目の光機能性液晶材料として、ネマチック液晶に光吸収色素をドープしたゲスト・ホスト液晶を用い、光画像の反転効果について4fシステム実験系を用いて調査を行った。これは、光吸収に伴う材料内部での発熱による液晶分子の再配列によって生じる自己位相変調を利用したもので、入射画像光の位相が変調され明暗が反転する効果である。今回、有限要素法を用いた熱伝導解析により内部での屈折率変化量を計算し、位相変化量を求め出力光強度分布を計算し実験結果と比較を行った。結果として両者は良く一致し画像反転効果に関して理論的に説明することができた。

 本研究では、2種類の光機能性液晶材料を用いて、いくつかの光画像処理を試みたが、これらの結果は今後の光機能性液晶の実用的な研究の基礎と位置付けられる。将来的には、フィルム状の液晶材料を光路に挿入するだけで、様々な機能性を発揮することが期待される。

(査読論文)

1. Photorefractive mesogenic composites for optical image processing.
A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuk
Proceedings of SPIE 45rd Annual Meeting at Seatle, 4802 (2002) 76-84.
2. Self-organized phase gratings in photoreactive polymer liquid crystals.
H. Ono, A. Emoto, N. Kawatsuki and T. Hasegawa
Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 1359-1361.
3.

Photorefractive liquid crystal-polymer dispersion with different morphology.
H. Ono, H. Shimokawa, A. Emoto and N. Kawatsuki
J. Appl. Phys. 94 (2003) 23-30.

4.

Highly stable polarization gratings in photo-cross-linkable polymer liquid crystals.
H. Ono, A. Emoto, F. Takahashi, N. Kawatsuki and T. Hasegawa
J. Appl. Phys. 94 (2003) 1298-1303.

5. Special frequency selective reconstruction using Fourier transform holograms generated in functionalzied mesogenic composites.
A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuki
Liq. Cryst. 30 (2003) 1201-1206.
6. Multiplex diffraction from functionalized polymer liquid crystals and polarization conversion.
H. Ono, A. Emoto, N. Kawatsuki and T. Hasegawa
Optics Express, 11 (2003) 2379-2384.
7. Effects of droplet size on photorefractive properties of polymer dispersed liquid crystals.
H. Ono, H. Shimokawa, A. Emoto and N. Kawatsuki
Polymer, 44 (2003) 7971-7978.
8. Higher order diffraction from polarization gratings in photoreactive polymer liquid crystals.
A. Emoto, H. Ono, N. Kawatsuki and E. Uchida
Jpn. J. Appl. Phys. 43 (2004) L293-L296.
9. New fabrication method for anisotropic gratings formed in photocrosslinkable polymer liquid crystals.
H. Ono, A. Emoto, N. Kawatsuki, E. Uchida, and M. Kuwabara
Appl. Phys. A-Materials Science & Processing, 79 (2004) 1725-1727.
10. Polarization conversion in polarization holographic gratings formed in photocrosslinkable polymer liquid crystals.
A. Emoto, H. Ono, N. Kawatsuki, E. Uchida and M. Kuwabara
Advances in Technology of Materials and Materials Processing, 6 (2004) 124-129.
11. Pure polarization gratings from photocrosslinkable polymer liquid crystals.
N. Kawatsuki, M. Kuwabara, Y. Matsuura, A. Emoto and H. Ono
Transactions of the Materials Research Society of Japan, 29 (2004) 781-784.
12. Control of thermally enhanced photoinduced reorientation direction of photocrosslinkable copolymer liquid crystals and application to polarization gratings using linearly polarized ultraviolet light.
N. Kawatsuki, M. Kuwabara, Y. Matsuura, H. Ono, and A. Emoto
Jpn. J. Appl. Phys. 43 (2004) 5447-5450.
13. Polarization gratings in photocrosslinkable polymer liquid crystals prepared by two-step ultraviolet exposure.
A. Emoto, E. Uchida, H. Ono and N. Kawatsuki
Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005) 535-538.
14. Extremely large degree photoinduced in-plane reorientation in azobenzene-containing polymer liquid crystal film using 633nm light.
E. Uchida, N. Kawatsuki, H. Ono and A. Emoto
Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005) 570-574.
15. Two-dimensional crossed polarization gratings in photocrosslinkable polymer liquid crystals.
H. Ono, A. Hatayama, A. Emoto, N. Kawatsuki and E. Uchida
Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005) L306-L309.
16. Polarization holograms in azo dye-doped polymer dissolved liquid crystal composites.
H. Ono, F. Takahashi, A. Emoto and N. Kawatsuki
J. Appl. Phys., 97 (2005) 053508-1 - 053508-8.
17. Photorefractivity in polymer dissolved liquid crystal composites composed of low-molecular-weight nematic liquid crystals and copolymer comprising mesogenic side groups.
N. Kawatsuki, H. Norisada, T. Yamamoto, H. Ono and A. Emoto
Science and Technology of Advanced Materials, 6 (2005) 158-164.
18. Polarization gratings in twisted-nematic liquid crystal composites doped with azobenzene dye.
H. Ono, T. Sasaki, A. Emoto, N. Kawatsuki, E. Uchida
Opt. Lett., 30 (2005) 1950-1952.
19. Optical image correlation in photorefractive mesogenic composites.
A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuki
Advances in Technology of Materials and Materials Processing 7 (2005) 215-217.
20. Two-dimensional anisotropic gratings formed in photocrosslinkable polymer liquid crystals by means of multiple interference.
A. Emoto, H. Ono, N. Kawatsuki and E. Uchida
Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 1705-17-9.
21.

One-dimensional multiplexed anisotropic gratings in photoreactive polymer liquid crystals.
A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuki
Advanced Materials Research, 11 (2006) 355-358.

22. Anisotropic photonic gratings formed in photocrosslinkable polymer liquid crystals.
H. Ono, A. Emoto and N. Kawatsuki
J. Appl. Phys. 100 (2006) 013522.
23. Surface relief formation with molecular orientation in photoreactive liquid crystalline polymer film.
N. Kawatuski, K. Fujio, T. Hasegawa, A. Emoto and H. Ono
J. Photopolym. Sci. Technol. 19 (2006) 151-156.
24. Simple detection of light polarization by using crossed polarization gratings, T. Sasaki, A. Hatayama, A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuki, J. Appl. Phys. 100 (2006) 063502.
25. Migration induced reorientation and anisotropic grating formation in photoreactive polymer liquid crystals, H. Ono, A. Hatayama, A. Emoto and N. Kawatsuki, Opt. Mater. 30 (2007) 248-254.
26. Molecular reorientation in cross polarization gratings formed in thin photoreactive-polymer-liquid-crystal films, H. Ono, A. Hatayama, A. Emoto and N. Kawatsuki, Thin Solid Films, 516 (2008) 4178-4183.

(口頭発表)

1. 2001年9月 液晶学会討論会予稿集 393-394
液晶フォトリフラクティブ材料中の2光波結合を用いた光画像増幅
江本顕雄、川村智巳、小野浩司、川月喜弘、中嶋久幸、山本統平
2. 2001年12月 応用物理学会北陸・信越支部学術講演会講演予稿集 42
液晶フォトリフラクティブ2光波結合による2次元光画像再生
江本顕雄、小野浩司、中嶋久幸、川月喜弘
3. 2002年3月 第49回応用物理学関係連合講演会予稿集(第3分冊)1171
液晶フォトリフラクティブ材料を用いたRaman-Nath回折領域での画像相関
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
4. 1999年10月 電子情報通信学会信学技報 OME99-8999, 99 (1999) 19-23
高分子・低分子複合体液晶のフォトリフラクティブ効果
小野浩司、川村智巳、則定英樹、川月喜弘
5. 2002年7月 SPIE Annual meeting at Seatle (USA)
Photorefractive mesogenic composites for optical image processing
A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuki
6. 2002年9月 第63回応用物理学会学術講演会予稿集(第3分冊)1124
ゲスト・ホスト液晶を用いた非線形フーリエ変換光学系を用いた全光型画像反転の詳細解析
江本顕雄、小野浩司
7. 2002年10月 液晶学会討論会予稿集 455-456
液晶フーリエ変換型実時間ホログラフィと空間周波数選択再生
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
8. 2002年11月 非線形・線形情報処理シンポジウム 予稿集239-244
光機能性液晶と光情報処理応用の試み
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
9. 2003年8月 第64回応用物理学会学術講演会予稿集(第3分冊)1158
光架橋性液晶高分子を用いた熱安定偏光回折格子
小野浩司、江本顕雄、川月喜弘、長谷川貴子
10. 2003年9月 第52回高分子学会討論会
光架橋性高分子液晶による表面レリーフ形成および偏光ホログラムの作製
川月喜弘、長谷川貴子、小野浩司、江本顕雄
11. 2003年10月 電子情報通信学会信学技報 OME20038091 (2003) 23-27
光反応性低分子・高分子複合体による表面レリーフ及び位相格子の同時記録
田本誉、小野浩司、江本顕雄、川月喜弘
12. 2003年10月 電子情報通信学会信学技報 OME20038091 (2003) 29-34
光架橋性液晶高分子を用いた偏光変換回折素子
小野浩司、江本顕雄、川月喜弘、長谷川貴子
13. 2003年10月 IUMRS-ICAM 2003 (Yokohama, Japan)
Pure Polarization Gratings from Photo-cross-linkable Polymer Liquid Crystals
N. Kawatsuki, M. Kuwabawa, Y. Matsuura, A. Emoto and H. Ono
14. 2003年12月 The 9th International Conference on Radiation Curing (RadTech Asia '03), Yokohama, Japan
Formation of polarization sensitive surface gratings in photo-cross-linkable polymer liquid crystal.
N. Kawatsuki, T. Hasegawa, A. Emoto and H. Ono
15. 2004年1月 The 4th International Symposium on the 21th Century COE Program of Nagaoka University of Technology, Nagaoka, Japan.
Polarization conversion in polarization holographic gratings formed in photocrosslinkable polymer liquid crystals.
Akira Emoto, Hiroshi Ono, Nobuhiro Kawatsuki, Emi Uchida and Masaomi Kuwabara
16. 2004年3月 第51回応用物理学関連講演会予稿集(第3分冊)1398
偏光マスク露光法による光架橋性高分子液晶を用いた偏光回折素子形成
江本顕雄,小野浩司,川月喜弘,内田江美,桑原将臣
17. 2004年6月International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnology (EM-NANO), Niigata, Japan.
Polarization gratings in photocrosslinkable polymer liquid crystals prepared by two-step ultraviolet exposure
Akira Emoto, Hiroshi Ono, Nobuhiro Kawatsuki, and Emi Uchida
18. 2004年6月 International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnology (EM-NANO), Niigata, Japan.
Extremely large degree photoinduced in-plane reorientation in azobenzene-containing polymer liquid crystal film using 633 nm light.
Emi Uchida, Akira Emoto, Hiroshi Ono and Nobuhiro Kawatsuki.
19. 2004年9月 第65回応用物理学会学術講演会予稿集(第3分冊)1123
液晶高分子を用いた偏光クロスグレーティングの偏光顕微鏡観察
畑山晃、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘、内田江美
20. 2004年9月 Abstract of The 2nd Japanese-Italian Workshop on Liquid Crystals, Mie, Japan, 2-14.
Surface relief formation and self-induced molecular reorientation in photocrosslinkable polymer liquid crystal and resultant polarization gratings.
N. Kawatsuki, K. Fujio, T. Hasegawa, H. Ono and A. Emoto
21. 2004年9月 2004 Japan-Korea international symposium on advanced display materials and devices (ADMD04) 61.
Surface relief formation and molecular reorientation in photocrosslinkable polymer liquid crystal films and application to polarization sensitive gratings.
K. Fujio, T. Hasegawa, N. Kawatsuki, A. Emoto and H. Ono
22. 2004年10月 日本液晶学会討論会予稿集
光反応性液晶高分子を用いた偏光回折格子の高次回折光の偏光解析
江本顕雄、畑山晃、小野浩司、川月喜弘、内田江美
23. 2004年10月 日本液晶学会討論会予稿集 464
アゾ色素ドープ高分子複合体液晶の光誘起カイラル構造形成と偏光回折格子
佐々木友之、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
24. 2004年12月 Abstract of The 6th International Symposium on the 21th Century COE Program of Nagaoka University of Technology, Guanaphat, Mexco.
Optical image correlation in photorefractive mesogenic composites.
A. Emoto, H. Ono and N. Kawatsuki
25. 2005年1月 生体機能・情報処理シンポジウム 205-210
高分子・低分子複合体フォトリフラクティブ液晶中での光画像相関
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
26. 2005年1月 生体機能・情報処理シンポジウム予稿集 211-216
アゾ色素ドープ高分子複合体液晶の偏光回折格子
佐々木友之、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
27. 2005年1月 生体機能・情報処理シンポジウム予稿集 217-222
液晶高分子を用いた偏光クロスグレーティングの光学特性と分子配向観察
畑山晃、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘、内田江美
28. 2005年3月 第52回応用物理学関係連合講演会予稿集 第3分冊 1423
光反応性液晶高分子中での3光束干渉による表面レリーフを伴う異方性グレーティング
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘、内田江美
29. 2005年3月 第52回応用物理学関係連合講演会予稿集 第3分冊 1423
アゾ色素ドープ高分子複合体液晶を用いたTN セルでの偏光回折格子
佐々木友之、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
30. 2005年3月 第52回応用物理学関係連合講演会予稿集 第3分冊 1424
円偏光干渉露光による光架橋性液晶高分子への異方性回折格子形成
畑山 晃、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘、内田江美
31. 2005年5月 第54回高分子学会年次大会 1Pd164 p1683
光配向膜を用いた偏光回折格子の作製と光学特性
桑原将臣、川月喜弘、小野浩司、江本顕雄、佐々木友之
32. 2005年10月 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
光反応性液晶高分子中での偏光干渉法による2次元周期構造の形成
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘
33. 2005年12月 Pacifichem 2005 at Hawaii (USA)
Influence of the composition on photoinduced optical anisotropy in copolymers containing 4-methoxyazobenzene side groups and methyl methacrylate units using linearly polarized 633nm light.
E. Uchida, N. Kawatsuki, H. Ono and A. Emoto
34. 2005年12月 Pacifichem 2005 at Hawaii (USA)
Photoinduced reorientation and polarization holography of azobenzene-cotaining liquid crystalline polyster with 633nm He-Ne lazer.
N. Ohtsuki, N. Fujioka, E. Uchida, N. Kawatsuki, A. Emoto, and H. Ono
35. 2006年3月 第53回応用物理学関係連合講演会予稿集 第3分冊 1344
光架橋性高分子液晶中での1 次元異方性格子の多重ホログラム記録
江本顕雄、小野浩司、川月喜弘、内田江美
36.

2006年11月 電子情報通信学会有機光エレクトロニクス研究会 技術研究報告 7-13
光誘起異方性材料における楕円偏光ホログラムの形成
中村学、江本顕雄、小野浩司、川月喜弘

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