フォトニック液晶

フォトニック液晶とは

フォトニック液晶とは、液晶分子が規則的に配列することで、誘電率が周期的に変化する構造を持つ液晶のことです。この周期的な構造により、光の波長程度の周期で屈折率が変化し、特定の波長帯の光の伝搬を制御するフォトニックバンド構造が形成されます。この構造を用いることで、光の回折、散乱、干渉といった現象を制御し、光の波長レベルで光の振る舞いを操作することが可能になります。

通常のフォトニック結晶は、ナノリソグラフィーなどの技術を用いて、200nm程度の周期構造を人工的に作成する必要があります。しかし、コレステリック液晶のように、分子がらせん状に配列する液晶では、そのらせん構造が光の波長程度の周期を持つ場合、液晶自身の誘電異方性により、1次元のフォトニック効果を示すことが知られています。この特性を利用することで、共振器としての応用が期待され、より簡便な方法で周期的な微細構造を作成できるため、研究開発が進められています。

フォトニック液晶の応用

フォトニック液晶は、その特性から様々な分野への応用が期待されています。主な応用例として、以下のものが挙げられます。

レーザー

コレステリック液晶にレーザー色素を添加し、励起させることで、発光の閉じ込めが起こり、スペクトルが狭線化します。これにより、連続発振レーザー光源の構築が可能となります。自己組織化による有機・高分子フォトニックナノ構造は、コロイド結晶構造や超分子らせん構造といった複数の構造を組み合わせることで、より高度な制御が可能になります。
キラルネマティック液晶にレーザー色素を添加し、ピッチを調整することで、発振する事例も報告されています。これらの自己組織化フォトニックナノ構造は、目的に応じて使い分けることができ、微小共振器としての機能や、発光媒体、散乱媒体としての機能を持たせることが可能です。

非線形光学素子

フォトニック液晶は、非線形光学特性を示すことも知られており、様々な分野への応用が期待されています。特に、光の波長を変換したり、光の強度を制御したりする素子としての応用が期待されています。また、耐久性においても固体色素レーザーと比較して遜色のない値が得られることが確認されており、実用化に向けた研究が進められています。

研究開発の動向

フォトニック液晶に関する研究は、基礎研究とともに応用開発が盛んに行われています。特に、自己組織化によるフォトニックナノ構造の形成や、新たな機能性材料の開発が進められています。また、商業的な応用も進められており、より高性能なデバイスの開発が期待されています。

参考文献

山本潤, 西山伊佐, 横山浩、「3C14 フォトニック液晶-液晶秩序の欠陥が作る秩序 (生体関連・リオトロピック液晶)」 『日本液晶学会討論会講演予稿集』 2003年 日本液晶学会討論会 セッションID:3C14, 日本液晶学会, doi:10.11538/ekitou.2003.0_283
山本潤, et al. "1C06 フォトニック液晶: メゾとミクロの階層構造 (2004 年日本液晶学会討論会)." 日本液晶学会討論会講演予稿集 2004 (2004): 270-271.
小林親司, 高西陽一, 山本潤、「界面活性剤分子を用いた液晶におけるフォトニック効果の検討」 『日本液晶学会討論会講演予稿集』 2009年 日本液晶学会討論会 セッションID:PB30、日本液晶学会, doi:10.11538/ekitou.2009.0.193.0
熊谷孝幸, 伊東良太, 竹家啓 ほか、「ネマティック液晶欠陥層を含む一次元 THz フォトニック結晶における欠陥モード制御」 『日本液晶学会討論会講演予稿集』 2009年 日本液晶学会討論会 セッションID:PB26、日本液晶学会, doi:10.11538/ekitou.2009.0.189.0

関連項目

フォトニックバンド
メタマテリアル
フォトニック結晶
磁性フォトニック結晶
構造色
有機フォトニクス

外部リンク

* 竹添・石川研究室

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