專利名稱：光波二倍頻的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波二倍頻的方法與裝置，在這種方法和裝置中，基頻光波通過一種非線性光學(xué)介質(zhì)后，即可形成二次諧波。
這樣的方法與裝置曾以平面波導(dǎo)的形式在歐洲專利申請EP254921中予以描述過，其基頻光波是借助于諸如波長為1060nm(納米)的紅外半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的;此時，非線性光學(xué)介質(zhì)為晶質(zhì)有機材料薄片，通過這一裝置可獲得波長為530nm(納米)的高強度綠光。
從理論上講，按照電偶極子的處理方法，一般都認為中心對稱的介質(zhì)是不適宜用于二倍頻的，例如，可參見D.J.Williams(威廉斯)在AngewandteChemie1984年第96期第637～651頁(更具體的在第638頁)中的闡述。當采用晶體時，通常是在分子中引入非對稱性以得到非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu);如果應(yīng)用諸如氨基酸一類的空間螺旋分子時，則必須只使用左旋的或右旋的旋光異構(gòu)體，而不能是其兩者的混合物。
K·E·Rieckhoff(里克霍夫)和W·L·Peticolas(彼特科拉斯)在Science1965年第147期第610～611頁的一篇文章指出d型和l型旋光異構(gòu)體的外消旋混合物是不能用以產(chǎn)生二倍頻的，除非該dl混合物以非中心對稱的形式結(jié)晶。然而，這種情況對氨基酸而言是十分罕見的。
P·S·Pershan(佩森)在PhysicalReview1963年第130期(第3卷)第919～929頁的理論闡述中表明可以利用四極矩在中心對稱介質(zhì)中產(chǎn)生強度很低的二次諧波。R·W·Terhune(特休恩)、P·D·Maker(馬克)和C·M·Savage(薩維奇)也曾用方解石演示過這一現(xiàn)象，這可參閱Phys·Rev·Lett·1962年第8期第404～406頁的報導(dǎo)。
本發(fā)明之目的是提供一種利用另一種非線性光學(xué)介質(zhì)以供進行光波二倍頻的方法與裝置，按此方法，不必分離旋光異構(gòu)體，也不必使有機材料取特殊的取向。本發(fā)明還希望以簡單的方式實現(xiàn)激光的二倍頻，以便應(yīng)用于，例如，光纖的長途通訊和信息的光學(xué)存儲。當采用短波光時，可增加信息密度，信息的寫入與消除功能也隨之增強。
按照本發(fā)明所述，可以由開頭階落中所描述類型的裝置來達到提供光波倍頻裝置的目的，該裝置包括用于使基頻光波圓偏振化的裝置，其中，非線性光學(xué)介質(zhì)是由其分子或分子微粒具有空間螺旋結(jié)構(gòu)特性的中心對稱材料所組成的。證明分子呈現(xiàn)空間螺旋特性的例證是具有空間螺旋或有非對稱的碳原子的分子，具有諸如螺旋形結(jié)構(gòu)的固有非對稱性的分子，具有凍結(jié)的空間螺旋構(gòu)象、內(nèi)消旋復(fù)合物為具有空間螺旋分子基團以及具有內(nèi)部鏡面對稱或內(nèi)部點對稱性的分子。
非線性光學(xué)的中心對稱介質(zhì)可由，例如，液晶材料或Langmuir-Blodgett薄片(蘭米爾-布洛杰特)組成。在本發(fā)明裝置的一個特別適用的實施例中中心對稱材料是一種單晶材料。
在本說明書以后的闡述中，我們必須認為圓偏振光至少也意味著是部分偏振光，例如，是橢圓偏振光。
可以使基頻光波通過適當?shù)钠駷V波器和四分之一波片(λ/4波片)而圓偏振化。在按本發(fā)明裝置的實施例中，中心對稱晶體材料是雙折射材料，可以得到圓偏振的基頻光波。舉例說，雙折射是在各向異性晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)生的。
在本發(fā)明所述的一個適當?shù)膶嵤├校行膶ΨQ晶體材料是內(nèi)消旋化合物，這就是說，在這種材料中，兩組互為鏡象的旋光異構(gòu)體基團處于分子之對稱位置上。適合這一結(jié)構(gòu)特征的材料有α-吐昔酸(α-2，4-二苯環(huán)丁烷二羧酸)和α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯環(huán)丁烷酰胺)。
在本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實施例中，中心對稱晶體材料系由dl配對的外消旋化合物所組成，例如，適用的材料為dl-N-乙?；i氨酸和dl-絲氨酸。
按本發(fā)明所述，可以由開頭段落中所闡述的那種方法來達到提供光波倍頻方法的目的，其中，基頻光波至少是部分圓偏振的，且非線性光學(xué)介質(zhì)可以由其分子基團具有空間螺旋結(jié)構(gòu)特性的中心對稱單晶材料組成。
在一個具體實施例中，由于中心對稱晶體材料具有雙折射效應(yīng)，基頻光波以不與晶體光軸平行的方式入射，因而是橢圓偏振的。
本發(fā)明所使用的內(nèi)消旋化作合物是中心對稱的。外消旋混合物在形態(tài)上經(jīng)常是析晶的，在這種晶體結(jié)構(gòu)的單位晶格內(nèi)，d型和l型旋光異構(gòu)體處于對稱位置上，因此這種晶體結(jié)構(gòu)具有中心對稱性。按本發(fā)明所述，由于采用了圓偏振光，它與兩種旋光異構(gòu)體中的一種的分子或分子團發(fā)生較好的相互作用，所以這類中心對稱材料能用以產(chǎn)生二次諧波。這種作用破壞了晶體的中心對稱性，發(fā)生了非線性的相互作用。換言之，本發(fā)明利用了磁偶極矩，也利用了電偶極矩。
有機材料經(jīng)常被用以產(chǎn)生二次諧波。為得到高效率，利用具有較高偶極矩的分子是有好處的，但是，這些分子正是因為具有高偶極矩而成對地晶體常常呈現(xiàn)中心對稱排列，由此而產(chǎn)生的平均效應(yīng)的結(jié)果，使得這些材料一般是不適宜使用的。本發(fā)明目前利用了圓偏振光在內(nèi)消旋化合物或成對的dl-旋光異構(gòu)體的選擇性，從而提供了在有用的范圍內(nèi)仍能獲得二倍頻的可能性。
本發(fā)明將借助于實施例和相應(yīng)附圖給予更詳細的說明。其中，

圖1是本發(fā)明的光路示意圖，而圖2給出了α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯環(huán)丁烷酰胺)的結(jié)構(gòu)分子式。
例1，圖1所示，激光源10，在這里所描述的實驗中，是NdYAG激光器(摻釹的釔鋁石榴石激光器)，所產(chǎn)生的激光波12，波長為1064nm(納米)，光波通過偏振濾波器14和四分之一波片16以得到圓偏振的基頻光波，借助于透鏡裝置18聚焦于晶體20上。
在光波二倍頻裝置中，如果確實需要的話，還可以借助于諸如石英玻璃纖維等光纖維輸光波;如果不用NdYAG激光器，也可選擇使用其它類型的激光器，如半導(dǎo)體激光器等。
在這一實施例中，晶體20是由dl-N-乙?；i氨酸晶體所構(gòu)成，它可從溶于乙醇的外消旋溶液中析晶而得到。該晶體是中心對稱的，晶體結(jié)構(gòu)的空間點集是P21/c。
基頻光波經(jīng)圓偏振化后，垂直入射到bc-晶面上，產(chǎn)生波長為532nm的二次諧波，其光強度與基頻光強成平方關(guān)系。當基頻光平行于c-軸入射時，二次諧波為沿單晶b-軸的平面偏振光。根據(jù)P21/c晶體點陣的對稱性，其它方向的偏振彼此相互抵消。
按照這一實施例，二次諧波的光強度比同一光路中平面偏振光平行于晶體c-軸入射時所得到的二次諧波的光強高9倍;當用橢圓偏振光入射這一裝置時，可產(chǎn)生二次諧波，其光強度與橢圓偏振光的圓偏振特性成比例。
例2，該實驗如例1所述，然而是使平面偏振光波聚焦到晶體上，光波與晶體C-軸成偏振角θ垂直照射bc-晶面上，當θ等于45°時，得到最大的光強輸出。此時，二次諧波光強度比平面偏振光平行C-軸(θ＝0)入射時的二次諧波光強高7倍。
該實驗解釋如下由于晶體是單斜的，因而具有各向異性的晶體結(jié)構(gòu)，會呈現(xiàn)雙折射效應(yīng)。如果光波不以與光軸平行的方向入射，則光波將完全圓偏振或部分圓偏振(橢圓偏振)，從而可能與空間螺旋結(jié)構(gòu)的材料發(fā)生非線性相互作用。
例3，實驗如例1所述，圓偏振基頻光波以相位匹配的角度入射，這就是說，該角度使得基頻光波及二次諧波在晶體中具有相同的折射率。按照這一實施例，晶體將為此目的而在ab-晶面內(nèi)旋轉(zhuǎn)+11°。
這導(dǎo)至了二次諧波沿b-軸成平面偏振，其光強比例1和例2的高10倍。
例4，基頻光波沿C-軸成平面偏振光(θ＝0)，聚焦到晶體上，選擇適應(yīng)的相位匹配角使之響應(yīng)雙折射以便在晶體中得到圓偏振度和相位匹配的最佳組合。按這一例子，晶體將對應(yīng)于垂直入射光在ab-晶面內(nèi)旋轉(zhuǎn)+30°。
這一結(jié)果將獲得沿b-軸偏振的平面偏振二次諧波，其光強度比例1及例2的高10倍。
例5，光路如同例1所示，但晶體是由dl-絲氨酸所形成的單晶，其晶體結(jié)構(gòu)為P21/a。
所產(chǎn)生的二次諧波光強度為上述同樣情況下使用磷酸二氫鉀無機晶體時的3%。
例6，光路如例1所示，但晶體由內(nèi)消旋化合物所形成。α-吐昔酸(α-2，4-二苯環(huán)丁烷二羧酸)是一種較適用的內(nèi)消旋化合物，可以通過肉桂酸(苯基-2-丙烯酸)的光化二聚性作用而獲取。參見圖2，本例所用的是α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯環(huán)丁烷酰胺)，從中可產(chǎn)生更簡單的單晶。
在其它條件相同的情況下，其二次諧波光強度近似為使用磷酸二氫鉀(KDP)的5%。
權(quán)利要求
1.一種使基頻光波通過非線性光學(xué)介質(zhì)而產(chǎn)生二次諧波的光波二倍頻裝置，其特征在于，本裝置包括了對基頻光波圓偏振化的裝置，其中，非線性光學(xué)介質(zhì)是由其分子或分子基團具有空間螺旋特性的中心對稱材料所形成的非線性光學(xué)介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該中心對稱材料是單晶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述中心對稱晶體材料是雙折射材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述中心對稱晶體材料是內(nèi)消旋化合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)消旋化合物是α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯環(huán)丁烷酰胺)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述中心對稱晶體材料系由dl偶的內(nèi)消旋混合物所組成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述中心對稱晶體材料是dl-N-乙?；i氨酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述中心對稱晶體由dl-絲氨酸所組成。
9.一種使基頻光波通過非線性光學(xué)介質(zhì)而產(chǎn)生二次諧波的光波二倍頻方法，其特征在于，基頻光波至少是部分偏振的，其中，非線性光學(xué)介質(zhì)是由其分子或分子基團具有空間螺旋特性的中心對稱單晶材料所構(gòu)成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，由于中心對稱晶體材料具有雙折射效應(yīng)，且基頻光波不平行于光軸入射至本發(fā)明的裝置上，因而基頻光波為橢圓偏振光。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種光波二倍頻的方法和裝置，由此可將激光器產(chǎn)生的，例如，紅外光轉(zhuǎn)換成綠光。為此目的，使基頻光波圓偏振化并令其通過非線性光學(xué)介質(zhì)，則可形成二次諧波。該非線性光學(xué)介質(zhì)系由其分子或分子基團呈現(xiàn)空間螺旋特征的中心對稱材料所構(gòu)成的。
文檔編號G02F1/355GK1044859SQ9010058
公開日1990年8月22日 申請日期1990年2月7日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月10日
發(fā)明者埃格伯特·威廉·梅杰, 埃德斯科·恩諾·哈文加, 杰拉達斯·拉迪斯勞斯·約翰內(nèi)斯·安德烈斯·理肯 申請人:菲利浦光燈制造公司