DE4219439A1 - Nonlinear optical mixtures - Google Patents

Nonlinear optical mixtures

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DE4219439A1 DE19924219439 DE4219439A DE4219439A1 DE 4219439 A1 DE4219439 A1 DE 4219439A1 DE 19924219439 DE19924219439 DE 19924219439 DE 4219439 A DE4219439 A DE 4219439A DE 4219439 A1 DE4219439 A1 DE 4219439A1
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Abstract

Described are NLO mixtures whose matrix is made up of polymeric organo-silicon compounds as obtained by the so-called sol-gel method and which have embedded in the matrix an NLO compound.

Description

Die Erfindung betrifft Mischungen mit nichtlinear optischen (NLO-)Eigenschaften, bestehend aus einer NLO-aktiven Verbin­ dung und einer SiO2-Matrix. Die Herstellung der SiO2-Matrix erfolgt über das sogenannte Sol-Gel-Verfahren ausgehend von reinen bzw. organisch modifizierten Si-Alkoxiden bzw. Mischungen der beiden.The invention relates to mixtures with non-linear optical (NLO) properties, consisting of an NLO-active connec tion and an SiO 2 matrix. The SiO 2 matrix is produced using the so-called sol-gel process, starting from pure or organically modified Si alkoxides or mixtures of the two.

Die nichtlineare Optik beschäftigt sich ganz allgemein mit der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder und Materie und kann zu einem Brechungsindex führen, der von der Licht­ intensität abhängig ist. Ausführliche Informationen hierzu können z. B. R.N. Prasad, D.J. Williams, Introduction to non­ linear optical effects in moleculs and polymers, New York. entnommen werden.Nonlinear optics is generally concerned with the interaction of electromagnetic fields and matter and can lead to a refractive index that is different from the light intensity is dependent. Detailed information on this can e.g. B. R.N. Prasad, D.J. Williams, Introduction to non linear optical effects in molecular and polymers, New York. be removed.

Zusammengefaßt ist das nachstehende von Bedeutung: Ein Stoff emittiert Licht, wenn in ihm Dipole schwingen, wobei die Frequenz der emittierten Lichtwelle gleich der Schwingungs­ frequenz der Dipole ist. Erzeugen die schwingenden Dipole mehrere Frequenzen, kommen diese in dem vom betreffenden Stoff emittierten Licht gemeinsam vor. Sofern die räumliche Ausdehnung des Stoffes größer als die Wellenlänge des emit­ tierten Lichts ist, sollten die im Stoff schwingenden iden­ tischen Dipole möglichst in gleicher Richtung und mit einer Phasendifferenz schwingen, die dafür sorgt, daß das von ei­ nem Volumenelement emittierte Licht nicht durch Interferenz mit dem von einem anderen Volumenelement emittierten Licht ausgelöscht wird.In summary, the following is important: A substance emits light when dipoles vibrate in it, the Frequency of the emitted light wave equal to the vibration frequency of the dipoles. Generate the vibrating dipoles multiple frequencies, these come in the of the concerned Fabric emitted light together before. Provided the spatial Expansion of the substance greater than the wavelength of the emit the light vibrating in the fabric should be iden dipoles in the same direction and with one Swing phase difference, which ensures that the egg No light emitted by a volume element due to interference with the light emitted by another volume element is wiped out.

In einem polarisierbaren Stoff wird durch ein von außen an­ gelegtes Feld E eine makroskopische Polarisation bewirkt, welche als Dipolmoment pro Volumeneinheit definiert ist.In a polarisable substance, it is from the outside placed field E causes macroscopic polarization, which is defined as the dipole moment per unit volume.

Enthält das polarisierte Material keine permanenten moleku­ laren Dipole, resultiert das Dipolmoment und damit die makroskopische Polarisation P aus der Verschiebung der Elek­ tronen um den Betrag d aus ihrer Ruhelage, d. h. dem Schwer­ punkt der positiven Ladung heraus. Sind dagegen permanente Dipole enthalten, ändert sich durch das angelegte Feld E das permanente Dipolmoment nach demselben Mechanismus.The polarized material does not contain permanent molecules laren dipoles, the dipole moment results and thus the macroscopic polarization P from the shift of the elec tron by the amount d from their rest position, d. H. the heavy point of positive charge out. In contrast, are permanent  Containing dipoles, the field E changes that permanent dipole moment according to the same mechanism.

Solange die Verschiebung d proportional zum elektrischen Feld bleibt, ist auch die Polarisation P proportional zum elektrischen Feld E, was in der bekannten linearen Gleichung 1As long as the displacement d is proportional to the electrical Field remains, the polarization P is also proportional to electric field E, which in the known linear Equation 1

P = ε₀ * chi * E (Gl. 1)P = ε₀ * chi * E (Eq. 1)

zum Ausdruck kommt. In der Gleichung bezeichnet ε0 die absolute Dielektrizitätszahl und chi (χ) die dielektrische Suszeptibilität.is expressed. In the equation, ε 0 denotes the absolute dielectric constant and chi (χ) the dielectric susceptibility.

Wird das von außen angelegte Feld verstärkt, muß naturgemäß jeder Stoff oberhalb einer für ihn spezifischen Feldstärke eine Abweichung vom linearen Gesetz gemäß der Gleichung 1 zeigen. Das mechanische Analogon ist die Abweichung vom Hooke′schen Gesetz bei Überbelastung einer Feder. Solche Ab­ weichungen von der Linearität werden mathematisch durch Ent­ wicklung in eine Potenzreihe behandelt, d. h. man entwickelt die nichtlineare Funktion nach Potenzen der Variablen E, woraus Gleichung 2, die grundlegende Gleichung der nicht­ linearen Optik resultiert.If the field created from the outside is reinforced, it must of course any substance above a specific field strength a deviation from the linear law according to equation 1 demonstrate. The mechanical analogue is the deviation from Hooke's law when a spring is overloaded. Such Ab Deviations from linearity are mathematically represented by Ent treated in a power series, d. H. one develops the nonlinear function according to powers of the variable E, from which equation 2, the basic equation of not linear optics result.

P = ε₀ * (chi(1) * E + chi(2) * E² + chi(3) * E³) (Gl. 2)P = ε₀ * (chi (1) * E + chi (2) * E² + chi (3) * E³) (Eq. 2)

Dabei bedeutet:
chi(1) die dielektrische Suszeptibilität erster Ordnung, welche letztlich für lineares Verhalten des betreffenden Materials verantwortlich ist, d. h. Brechungsindex und Absorptionskonstante sind feldunabhängig,
chi(2) die dielektrische Suszeptibilität zweiter Ordnung, welche das nichtlineare optische Verhalten zweiter Ordnung des betreffenden Stoffs verantwortlich ist, und
chi(3) die dielektrische Suszeptibilität dritter Ord­ nung, auf welche das nichtlineare optische Verhalten dritter Ordnung des betreffenden Stoffes zurückgeht.
chi(2) und chi(3) sind Materialkonstanten, die von der Mole­ külstruktur, von der Kristallstruktur, von der Frequenz des Lichts und im allgemeinen von der Temperatur abhängig sind. Sie können bekannterweise mit Hilfe der Frequenzverdopplung (SHG) oder der Bestimmung des Pockels-Effektes (chi(2)) oder der "Vier-Wellen-Mischmethode" (Degenerate Four Wave Mixing, DFWM) oder dem Frequenzverdreifachungsexperiment (Third Har­ monic Generation, THG; chi(3)) ermittelt werden. Diese Methoden werden in dem Buch von Prasad a. a. O. grundsätz­ lich beschrieben.
Here means:
chi (1) the dielectric susceptibility of the first order, which is ultimately responsible for the linear behavior of the material in question, ie refractive index and absorption constant are independent of the field,
chi (2) the second order dielectric susceptibility, which is responsible for the second order nonlinear optical behavior of the substance in question, and
chi (3) the dielectric susceptibility of the third order, on which the non-linear optical behavior of the third order is based.
chi (2) and chi (3) are material constants that depend on the molecular structure, on the crystal structure, on the frequency of light and generally on temperature. As is known, you can use frequency doubling (SHG) or the determination of the Pockels effect (chi (2) ) or the "four-wave mixing method" (Degenerate Four Wave Mixing, DFWM) or the frequency tripling experiment (Third Har monic Generation, THG ; chi (3) ) can be determined. These methods are described in principle in the book by Prasad op. Cit.

Stoffe mit einer nichtverschwindenden dielektrischen Suszep­ tibilität chi(3) [chi(3) ≠ 0] besitzen einen intensitätsabhän­ gigen Brechungsindex und eignen sich unter anderem zur Her­ stellung rein optischer Schalter und damit zur Verwendung in optisch arbeitenden Computern. Weitere Anwendungsmöglichkei­ ten für derartige Materialien werden von D-R. Ulrich unter dem Titel "Nonlinear Optical Polymer Systems and Devices" in Molecular Crystals and Devices, Band 180, Seiten 1 bis 31, 1988, beschrieben.Substances with a non-vanishing dielectric susceptibility chi (3) [chi (3) ≠ 0] have an intensity-dependent refractive index and are suitable, among other things, for the manufacture of purely optical switches and thus for use in optically operating computers. Further application possibilities for such materials are described by DR. Ulrich under the title "Nonlinear Optical Polymer Systems and Devices" in Molecular Crystals and Devices, Volume 180, pages 1 to 31, 1988.

Für die Anwendung von nichtlinear optischen Materialien (hier: Materialien, die auf einem hohen chi(3) basieren) in optischen Bauelementen ist eine Kombination von verschiede­ nen Stoffeigenschaften notwendig. So genügt ein hohes chi(3) allein keineswegs den Anforderungen an ein optisches Bau­ teil. Zusätzlich sollte die Relaxation und damit die Schalt­ zeit sehr klein sein (im Bereich von Femtosekunden), die op­ tischen Verluste durch Absorption, Streuung etc. sollten minimal sein und zuletzt sollte eine gute Verarbeitbarkeit der Materialien in Form von Schichten z. B. in optischen Lichtleitern gegeben sein.For the use of nonlinear optical materials (here: materials based on a high chi (3) ) in optical components, a combination of different material properties is necessary. A high chi (3) alone is by no means sufficient for the requirements of an optical construction. In addition, the relaxation and thus the switching time should be very short (in the range of femtoseconds), the optical losses due to absorption, scattering, etc. should be minimal and, lastly, the materials should be easy to process in the form of layers, e.g. B. be given in optical fibers.

Die derzeitige Entwicklung von chi(3)-Materialien behandelt vor allem die Optimierung des Betrages von chi(3) und der Relaxationszeit; gute Verarbeitbarkeit der Materialien bei kleinen optischen Verlusten spielt aber eine immer größere Rolle. Die bisher bekannten Materialien mit NLO-Eigenschaf­ ten gehören sowohl der Klasse der niedermolekularen organi­ schen Verbindungen als auch den Polymeren an. The current development of chi (3) materials mainly deals with the optimization of the amount of chi (3) and the relaxation time; good processability of the materials with small optical losses plays an increasingly important role. The previously known materials with NLO properties belong to both the class of low molecular weight organic compounds and the polymers.

So sind z. B. aus D.R. Ulrich, Polymers for Nonlinear optical Applications, Mol, Cryst. Lig., Cryst. 1990, 189, 3-38 die folgenden Stoffklassen als NLO-aktiv bekannt:
Benzthiazole z. B.:
So z. B. from DR Ulrich, Polymers for Nonlinear optical Applications, Mol, Cryst. Lig., Cryst. 1990, 189, 3-38 the following substance classes are known as NLO active:
Benzthiazoles e.g. B .:

Stilbenderivate z. B.:Stilbene derivatives e.g. B .:

N-Phenylbenzimidazolderivate z. B.:N-phenylbenzimidazole derivatives e.g. B .:

Als NLO-aktive Polymere sind bekannt: Polyacetylen, Polyene, Polyphenylen, Polythiophene, Polyphenylenvinylidene.The following are known as NLO-active polymers: polyacetylene, polyenes, Polyphenylene, polythiophene, polyphenylene vinylidenes.

Auf dem Gebiet der NLO-aktiven Polymeren, die im wesent­ lichen solche mit konjugierten π-Elektronensystemen sind, ist die Verarbeitbarkeit zu dünnen transparenten Schichten bislang noch nicht oder nicht befriedigend gelöst. So sind die hochmolekularen Polymersysteme, die die größten chi(3)-Effekte zeigen, in Lösungsmitteln sehr schwer löslich und können daher aus Lösung durch sog. Spincoating nicht verarbeitet werden. Auch die optischen Verluste durch eine Kristallisation der Schichten verschlechtern ihre Anwendbar­ keit (vgl. Prasad, a.a.O.). In the field of NLO-active polymers, which are essentially those with conjugated π-electron systems, the processability to thin transparent layers has not yet been solved or has not been satisfactorily solved. The high molecular weight polymer systems, which show the greatest chi (3) effects, are very poorly soluble in solvents and can therefore not be processed from solution by so-called spin coating. The optical losses due to crystallization of the layers also impair their applicability (see Prasad, loc. Cit.).

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit ist der Einsatz von gut filmbildenden Polymeren, die als Hilfs­ stoffe zur Schichtherstellung eingesetzt werden. Die bislang dafür verwendeten Polymeren sind jedoch nicht an die Chemie des NLO-Materials angepaßt und bewirken daher sozusagen eine Verdünnung des nichtlinear optischen Effektes. Außerdem wer­ den langsam ablaufende Kristallisationsvorgänge in den Schichten beobachtet, so daß die optischen Verluste ur­ sprünglich befriedigender Materialien sich später ver­ schlechtern.One way to improve workability is the use of good film-forming polymers as auxiliary materials are used to produce layers. The so far Polymers used for this are not chemistry adapted to the NLO material and therefore cause, so to speak Dilution of the nonlinear optical effect. Besides, who slow crystallization processes in the Layers observed so that the optical losses ur materials that were originally satisfactory will later change worse.

Erfindungsgegenstand sind NLO-aktive Mischungen (composi­ tes), deren Matrix aus polymeren siliciumorganischen Verbin­ dungen aufgebaut ist, wie sie nach dem sog. Sol-Gel-Verfah­ ren erhalten werden und die - eingelagert in die Matrix - NLO-aktive Verbindungen enthalten.The subject of the invention are NLO-active mixtures (composi tes), whose matrix of polymeric organosilicon compound is constructed as it is according to the so-called sol-gel process and are stored in the matrix. Contain NLO active connections.

Diese Verbindungen können niedermolekular oder hochmolekular (Polymere) sein.These compounds can be of low or high molecular weight (Polymers).

Als Materialien mit nichtlinear optischen Eigenschaften kommen z. B. Poly- bzw. Oligoheteroarene der allgemeinen Formel Ia, deren Herstellung u. a. in Houben-Weyl, Band 32, S. 1152, beschrieben wird. Bevorzugt werden dotierte Heteroarene der allgemeinen Formeln Ia und IbAs materials with non-linear optical properties come z. B. poly- or oligoheteroarenes of the general Formula Ia, their preparation u. a. in Houben-Weyl, volume 32, P. 1152. Doped are preferred Heteroarenes of the general formulas Ia and Ib

wobei n den Polymerisationsgrad bedeutet und X = NR1, wobei R1 = H, Alkyl, Phenyl, -SO2-Arylwhere n is the degree of polymerization and X = NR 1 , where R 1 = H, alkyl, phenyl, -SO 2 aryl

R2 = R3 = H oder
R2 = -Alkyl, -Cycloalkyl, -Phenyl, -Halogen, -Diphenylamin, -Ester, -NH-phenyl oder
X = S,
A⊖ =ClO4⊖, AsF6⊖, BF4⊖, FeCl3⊖, SbF6⊖.
R 2 = R 3 = H or
R 2 = -alkyl, -cycloalkyl, -phenyl, -halogen, -diphenylamine, -ester, -NH-phenyl or
X = S,
A⊖ = ClO 4 ⊖, AsF 6 ⊖, BF 4 ⊖, FeCl 3 ⊖, SbF 6 ⊖.

Als Materialien mit NCO-Eigenschaften können auch Poly- bzw. Oligoindophenine, die durch oxidative Kupplung von Verbin­ dungen des Typs 11 synthetisiert werden, eingesetzt werden.As materials with NCO properties, poly or Oligoindophenins produced by the oxidative coupling of Verbin Type 11 are synthesized.

Weiterhin lassen sich NLO-aktive Verbunde auf Polyterpheny­ lenen der allgemeinen Formel IIIa bzw. IIIb, wie sie z. B. von Naarmann in Synthetic Metals, 44 (1991), 247-257, be­ schrieben werden, aufbauen.Furthermore, NLO-active composites can be run on Polyterpheny Lenen of the general formula IIIa or IIIb, as z. B. by Naarmann in Synthetic Metals, 44 (1991), 247-257, be be written, build up.

wobei R1, R2, R3 und R4 die folgenden Bedeutungen haben:where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 have the following meanings:

  • a) R1 = R2 = H; R3 = R4 = Phenyla) R 1 = R 2 = H; R 3 = R 4 = phenyl
  • b) R1 = R2 = H; R3 = R4 = Biphenylb) R 1 = R 2 = H; R 3 = R 4 = biphenyl
  • c) R1 = R2 = R3 = R4 = Phenylc) R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = phenyl
  • d) R1 = R2 = Thiophen; R3 = R4 = Phenyld) R 1 = R 2 = thiophene; R 3 = R 4 = phenyl
  • e) R1 = R2 = H; R3 = R4 = p-Methoxyphenyle) R 1 = R 2 = H; R 3 = R 4 = p-methoxyphenyl

Durch Verwendung von Oligo- oder Polymeren der allgemeinen Formel IV, die durch wittiganaloge Umsetzung bifunktioneller Aldehyde mit monofunktionellen Carbonylverbindungen erhalten werden, gelingen ebenfalls Verbunde mit guten nichtlinear optischen Eigenschaften:By using oligomers or polymers of the general Formula IV, which is bifunctional through wittiganalogous implementation Aldehydes obtained with monofunctional carbonyl compounds composites with good nonlinear optical properties:

mit R1 = Phenyl, p-Aminophenyl, p-Nitrophenyl, Biphenyl, p-Methoxyphenyl, Thiophen, Pyrrol
und R2 = H oder Alkyl
with R 1 = phenyl, p-aminophenyl, p-nitrophenyl, biphenyl, p-methoxyphenyl, thiophene, pyrrole
and R 2 = H or alkyl

Insbesondere von Bedeutung sind folgendermaßen substituierte Polyenderivate (Me = Methyl):Substituted as follows are of particular importance Polyene derivatives (Me = methyl):

Ebenso eignen sich Carotinoidderivate mit ausgedehnter Konju­ gation entsprechend den Formeln V-VII als in die Si-Matrix einzulagernde Verbindungen.Carotenoid derivatives with extensive konju are also suitable gation according to the formulas V-VII as in the Si matrix connections to be stored.

Gute nichtlinear optische Effekte werden ferner durch den Einsatz verschiedener Phthalocyanine der allgemeinen Formel VI erzielt:Good nonlinear optical effects are further enhanced by the Use of various phthalocyanines in general Formula VI achieved:

mit R = Alkyl mit Me =Al, Pb, Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Sn, Znwith R = alkyl  with Me = Al, Pb, Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Sn, Zn

Insbesondere hervorzuheben sind Phthalocyanine mit Fe, Si oder V als Zentralatom.Particularly noteworthy are phthalocyanines with Fe, Si or V as the central atom.

Weitere für SiO2/NCO-Anwendungen intressante konjugierte Sy­ steme sind Substanzklassen wie Perylene, Polyphenylenvinyli­ den und Polyacetylene.Further conjugated systems of interest for SiO 2 / NCO applications are substance classes such as perylenes, polyphenylene vinylidene and polyacetylenes.

Die NLO-aktiven Mischungen können dadurch erhalten werden, daß Lösungen von Verbindungen, die die Matrix-SiO2 aufbauen und nichtlinear optisch aktivem Stoff gemeinsam dem Spin­ coat-Verfahren unterworfen werden. Dieses Verfahren führt zu homogenen, transparenten Schichten, in denen das NLO-Mate­ rial molekular verteilt vorliegt. Die Schichtdicken können durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors beeinflußt werden und liegen zweckmäßig im Bereich zwischen 50 und 200 nm.The NLO-active mixtures can be obtained by subjecting solutions of compounds which build up the matrix SiO 2 and nonlinearly optically active substance to the spin coat process. This process leads to homogeneous, transparent layers in which the NLO material is molecularly distributed. The layer thicknesses can be influenced by the speed of rotation of the rotor and are expediently in the range between 50 and 200 nm.

Die Matrix wird zweckmäßig in-situ durch das Sol-Gel-Verfah­ ren als chemisch-synthetischem Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren zur Erzeugung von Schichten aus anorganischen Po­ lymeren (z. B. Silikaten, Gläsern) bzw. anorganisch-organi­ schen Polymeren (z. B. organisch-modifizierte Silicate) ist an sich bekannt und z. B. von C.J. Brinker, G.W. Scherer "Sol-Gel-Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Pro­ cessing", Academic Press, 1990 beschrieben. Das Matrixpoly­ mer kann an die Erfordernisse des NLO-Materials angepaßt werden. Durch eine chemische Modizierung des anorganischen Sol-Gel-Materials wird eine Anbindung möglich, die zu einer verbesserten Langzeitstabilität und einer homogenen moleku­ laren Verteilung und so zu geringen optischen Verlusten führt. Durch den Einbau von fremden Metallatomen (etwa Er­ satz von Si durch Ti oder Zr) kann die Brechzahl des Sol- Gel-Materials den optischen Erfordernissen angepaßt werden.The matrix is expediently made in situ by the sol-gel method ren produced as a chemical-synthetic process. This Process for the production of layers of inorganic Po lymeric (e.g. silicates, glasses) or inorganic-organic polymers (e.g. organically modified silicates) known per se and z. B. by C.J. Brinker, G.W. clipper "Sol-Gel-Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Pro cessing ", Academic Press, 1990. The matrix poly mer can be adapted to the requirements of the NLO material will. By chemical modification of the inorganic Sol-gel material becomes a link that leads to a improved long-term stability and a homogeneous moleku laren distribution and so to low optical losses leads. By installing foreign metal atoms (e.g. Er substitution of Si by Ti or Zr) the refractive index of the sol Gel material can be adapted to the optical requirements.

Im allgemeinen werden die Beschichtungssole durch gezielte Hydrolyse und Kondensation von reaktiven Si-Alkoxiden herge­ stellt. Allgemein eignen sich reine Alkoxide, wie z. B. Tetraethoxysilan (TEOS) oder organisch modifizierte Alkoxide, in denen eine Alkoxidfunktion durch einen orga­ nischen Rest substituiert wird. In general, the coating sols are targeted by Hydrolysis and condensation of reactive Si alkoxides poses. In general, pure alkoxides, such as. B. Tetraethoxysilane (TEOS) or organically modified Alkoxides in which an alkoxide function by an orga African radical is substituted.  

Die organisch modifizierten Si-Alkoxide werden durch die allgemeine Formel VII beschrieben:The organically modified Si alkoxides are by the general formula VII described:

R1-(CH2)n-Si(OR2)3,R 1 - (CH 2 ) n -Si (OR 2 ) 3 ,

mit R1 = -Me, -CN, -NH2 -NCO, -SH,
R2 = Alkyl wie z. B. -Et, -Me, -n-Propyl, -i-Propyl und n = 1-8.
with R 1 = -Me, -CN, -NH 2 -NCO, -SH,
R 2 = alkyl such as B. -Et, -Me, -n-propyl, -i-propyl and n = 1-8.

Besonders geeignete organisch modifizierte Alkoxide sind z. B. n-Propyltrimethoxysilan (PTNS) oder Cyanopropyltrietho­ xysilan (CNTPES). Durch sauer oder alkalisch katalysierte Hydrolyse und Kondensation der Siliziumalkoxide oder von Mi­ schungen derselben lassen sich in verschiedenen Lösungsmit­ teln SiO2-haltige Beschichtungssole herstellen. Geeignete Lösungsmittel sind ganz allgemein Alkohole, Alkane, cycli­ sche tertiäre Amine, sekundäre aliphatische Amine, schwefel­ haltige Lösungsmittel, Etherdiole oder Mischungen davon. Be­ sonders hervorzuheben ist EtOH, MeOH, N-Methylpyrrolidon, Dimethylamid, Sulfolan, Diethylenglykoldiethylether oder auch Toluol. Ist ein Lösungsmittel für die Sol-Gel-Reaktion ungeeignet, ist die Durchführung der Reaktion in einem typi­ schen "Sol-Gel-Lösungsmittel" (EtOH o. ä.) denkbar. Nach Ab­ schluß der Reaktion kann dann ein Lösungsmittelaustausch er­ folgen, womit der Einbau der nichtlinear optischen Substanz in die SiO2-Matrix wieder möglich ist.Particularly suitable organically modified alkoxides are e.g. B. n-propyltrimethoxysilane (PTNS) or cyanopropyltriethoxysilane (CNTPES). By means of acidic or alkaline-catalyzed hydrolysis and condensation of the silicon alkoxides or mixtures thereof, SiO 2 -containing coating sols can be produced in various solvents. Suitable solvents are very generally alcohols, alkanes, cyclic tertiary amines, secondary aliphatic amines, sulfur-containing solvents, ether diols or mixtures thereof. Particularly noteworthy is EtOH, MeOH, N-methylpyrrolidone, dimethylamide, sulfolane, diethylene glycol diethyl ether or toluene. If a solvent is unsuitable for the sol-gel reaction, the reaction can be carried out in a typical "sol-gel solvent" (EtOH or the like). After the end of the reaction, a solvent exchange can then follow, with which the incorporation of the nonlinear optical substance into the SiO 2 matrix is possible again.

Bedingt durch die Variationsbreite der Lösungsmittelpolari­ tät ist bei der homogenen Einbringung der NLO-Materialien, die in gängigen Lösungsmitteln oft nur schlecht löslich sind, hohe Flexibilität gegeben.Due to the range of variation of the solvent polar activity is the homogeneous introduction of the NLO materials, which are often only poorly soluble in common solvents are given great flexibility.

Die Einbringung der NLO-Materialien in den Sol-Gel-Ansatz erfolgt entweder zu Beginn der eigentlichen Hydrolyse- u. Kondensationsreaktion oder nach Abschluß der Reaktion und anschließender Homogenisierung. Entscheidend ist die Lös­ lichkeit der NLO-Verbindung in dem Lösungsmittel des Sol- Gel-Ansatzes bzw. im ausgetauschten Lösungsmittel.The introduction of the NLO materials into the sol-gel approach takes place either at the beginning of the actual hydrolysis u. Condensation reaction or after completion of the reaction and subsequent homogenization. The decisive factor is the solution NLO compound in the solvent of the sol- Gel approach or in the exchanged solvent.

Durch die gezielte Cokondensation der Si-Alkoxide mit netz­ werkwandelnden Metallatomen, die über die entsprechenden Metallalkoxide eingebracht werden, läßt sich der Brechungs­ index der Beschichtung an die optischen Erfordernisse an­ passen.Through the targeted cocondensation of the Si alkoxides with the network work-changing metal atoms that have the corresponding Metal alkoxides can be introduced, the refraction  index of the coating to the optical requirements fit.

Beispiel 1example 1

0,025 mol CNPTES werden in 19 ml EtOH gelöst. Zu der Mischung werden 1,25·10-4 mol HCl gegeben und auf 78°C er­ wärmt. Innerhalb von 15 min werden 0,15 mol H2O zugetropft, anschließend 3 h bei 80°C nachgerührt. Unter Rühren wird innerhalb 1 h auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu der entstan­ denen Lösung wird unter Rühren 1,5 g β-Apo-8′-carotenal gegeben und 1 h homogenisiert. Das erhaltene Sol wird bei 10000 Upm auf Quarzglas mittels Spincoating aufgebracht und anschließend 12 h bei 120°C unter N2 getempert. Man erhält Schichten mit einer Stärke von 90 nm.0.025 mol CNPTES are dissolved in 19 ml EtOH. 1.25 · 10 -4 mol HCl are added to the mixture and it is heated to 78 ° C. 0.15 mol of H 2 O are added dropwise in the course of 15 minutes, and the mixture is subsequently stirred at 80 ° C. for 3 hours. The mixture is cooled to room temperature with stirring within 1 h. 1.5 g of β-apo-8'-carotenal is added to the resulting solution with stirring and homogenized for 1 h. The sol obtained is applied at 10,000 rpm to quartz glass by means of spin coating and then annealed at 120 ° C. under N 2 for 12 h. Layers with a thickness of 90 nm are obtained.

(UVmax = 283 nm; χ3 (THG) = 2,9 · 10-12esu).(UV max = 283 nm; χ 3 (THG) = 2.9 · 10 -12 esu).

Beispiel 2Example 2

0,1 mol PTMS werden in 52 ml N-Methylpyrrolidon gelöst. Zu der Mischung werden 5·10-4 ml HCl gegeben und auf 80°C er­ wärmt. Innerhalb von 15 min werden 0,3 mol H2O zugetropft, anschließend 3 h bei 80°C nachgerührt. Unter weiterem Rühren werden 4 g β-Apo-8′-carotenal zu der Lösung gegeben und 1 h bei 80°C gerührt. Unter Rühren wird auf Raumtemperatur ab­ gekühlt. Spincoating auf Glassubstrat bei 10000 Upm ergibt transparente gelbliche Schichten mit einer Schichtdicke von 95 nm0.1 mol of PTMS is dissolved in 52 ml of N-methylpyrrolidone. 5 × 10 -4 ml of HCl are added to the mixture and it is heated to 80 ° C. 0.3 mol of H 2 O is added dropwise in the course of 15 minutes, and the mixture is subsequently stirred at 80 ° C. for 3 hours. With further stirring, 4 g of β-apo-8'-carotenal are added to the solution and stirred at 80 ° C for 1 h. The mixture is cooled to room temperature with stirring. Spin coating on a glass substrate at 10000 rpm produces transparent yellowish layers with a layer thickness of 95 nm

(UVmax = 285 nm; χ3 (THG) = 4 · 10-12esu).(UV max = 285 nm; χ 3 (THG) = 4 · 10 -12 esu).

Beispiel 3Example 3

0, 025 ml CNPTES werden in 32 ml Diethylenglykoldiethylether gelöst und 0,15 mol H2O sowie 1,24·10-4 mol HCl zugegeben. Die Mischung wird 3 h bei 80°C gerührt. Anschließend werden 1,5 g Vanadiumoxidphthalocyanins zugegeben. Es wird 1 h bei 80°C nachgerührt und die Mischung abgekühlt. Durch Spincoa­ ten bei 8000 Upm auf Quarzglas erhält man eine blaugefärbte transparente Schicht (Schichtdicke: 135 nm).0.025 ml of CNPTES are dissolved in 32 ml of diethylene glycol diethyl ether and 0.15 mol of H 2 O and 1.24 · 10 -4 mol of HCl are added. The mixture is stirred at 80 ° C for 3 h. Then 1.5 g of vanadium oxide phthalocyanine are added. The mixture is stirred at 80 ° C for 1 h and the mixture is cooled. Spincoating at 8000 rpm on quartz glass gives a blue-colored transparent layer (layer thickness: 135 nm).

(UVmax = 750 nm; χ3 (THG) = 9 · 10-12esu). (UV max = 750 nm; χ 3 (THG) = 9 · 10 -12 esu).

Beispiel 4Example 4

In N2-Atmosphäre wird eine Mischung aus 0,02 mol CNPTES und 0,005 mol TEOS in N-Methylpyrrolidon (NMP) HCl-katalysiert (1,24·10-4 mol) unter Zugabe von 0,15 mol H2O innerhalb 3 h bei 80°C cokondensiert. Anschließend wurden 1,5 g eines C40-Astaxanthins in NMP gelöst zugegeben und 1 h bei 50°C nachgerührt. Man erhält nach der Beschichtung eines Quarz­ substrates transparente purpurfarbene, 135 nm dicke Schich­ ten.In a N 2 atmosphere, a mixture of 0.02 mol CNPTES and 0.005 mol TEOS in N-methylpyrrolidone (NMP) is HCl-catalyzed (1.24 · 10 -4 mol) with the addition of 0.15 mol H 2 O within 3 h co-condensed at 80 ° C. Then 1.5 g of a C 40 astaxanthin dissolved in NMP were added and the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 h. Transparent purple, 135 nm thick layers are obtained after coating a quartz substrate.

UVmax = 330 nm; χ3 (THG) = 5,9 · 10-11esu).UV max = 330 nm; χ 3 (THG) = 5.9 · 10 -11 esu).

Claims (1)

NLO-aktive Mischung, deren Matrix aus polymeren siliciumor­ ganischen Verbindungen aufgebaut ist, wie sie nach dem sog. Sol-Gel-Verfahren erhalten werden und die, eingelagert in die Matrix, eine NLO-aktive Verbindung enthalten.NLO-active mixture, the matrix of polymeric silicon or ganic connections is established, as it is after the so-called. Sol-gel processes can be obtained and stored in the matrix containing an NLO active connection.
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