NL9100336A

NL9100336A - Inrichting voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf.

Info

Publication number: NL9100336A
Application number: NL9100336A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1991-02-26
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 1992-09-16
Also published as: EP0501563A1; JPH0561022A; US5257127A

Description

Inrichting voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf, waarbij een fundamentele lichtgolf door een niet-lineair optisch medium wordt geleid onder vorming van een tweede harmonische golf, waarbij het niet-lineair optisch medium is gevormd uit een polymeer netwerk en uit elementen met een grote hyperpolariseerbaarheid.

De inrichting volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld worden toegepast, samen met een halfgeleider laserlichtbron die rood licht opwekt, als compacte blauwe lichtbron voor optische opslag van informatie en voor telecommunicatie en laserprinters. Door toepassing van kortgolvig licht kan de informatiedichtheid worden vergroot en worden de mogelijkheden van schrijven en wissen van informatie verruimd door de grotere fotonenenergie.

In het Amerikaanse octrooischrift US 4886339 is een dergelijke inrichting voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf beschreven, met een niet-lineair optisch medium dat bestaat uit niet-centrosymmetrische moleculaire dipolen welke polair georiënteerd zijn in een polymeer netwerk. De moleculaire dipolen vertonen een grote hyperpolariseerbaarheid. De toepassing van een polymeer netwerk heeft het voordeel dat de chirale structuur van het medium en de oriëntatie van de hyperpolariseerbare elementen permanent vastgelegd kunnen worden, waarbij polymeer netwerken temperatuurongevoeliger zijn dan de vaak toegepaste lineaire polymeren met hyperpolariseerbare molecuulgroepen in zijketens.

In inrichtingen voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf doet zich het probleem voor, dat het niet-lineair optisch medium verschillende brekingsindices vertoont voor de fundamentele en de tweede harmonische golf, waardoor bij geleiding van het licht door het medium in toenemende mate faseverschillen tussen beide golven ontstaan. Door destructieve interferentie gaat een groot deel van de intensiteit van het opgewekte blauwe licht verloren. Een mogelijke oplossing van dit probleem ligt in het toepassen van materialen met een anomale dispersie of van een dubbelbrekend materiaal, waarbij de ordinaire brekingsindex bij één golflengte gelijk dient te zijn aan de extraordinaire brekingsindex bij de andere golflengte. Een andere op zich bekende oplossing is gelegen in het toepassen van golfgeleiders met ruimtelijk periodieke structuren. Daarbij worden de niet-lineair optische eigenschappen in afwisselende gebieden zodanig gekozen dat in gebieden waar de fundamentele lichtgolf en de tweede harmonische golf uit fase zijn, de tweede harmonische golf in verminderde mate of zelfs geheel niet wordt opgewekt, zodat geen volledige uitdoving plaatsvindt. Het is zelfs mogelijk om in dergelijke gebieden de niet-lineair optische eigenschappen zodanig te wijzigen, dat het opgewekte blauwe licht de tegengestelde fase heeft (domein inversie), zodat verdere versterking van het blauwe licht optreedt.

In de PCT octrooiaanvrage WO 90/04807 is een dergelijke (domein inversie) inrichting beschreven, waarbij in een anorganisch niet-lineair optisch materiaal door middel van uitstoken onder een maskerlaag domeinen met tegengestelde ferroelektrische polariteit worden vervaardigd. Zo’n werkwijze is minder geschikt om te worden toegepast met polymeer materialen vanwege het destructieve karakter van de werkwijze.

De uitvinding beoogt onder meer een mogelijkheid te verschaffen om phase matching te bewerkstelligen in organische niet-lineair optische materialen, in het bijzonder in polymeer netwerken. De uitvinding beoogt niet-lineair optische materialen voor frequentieverdubbeling van licht van een halfgeleider laserlichtbron te verschaffen, welke materialen temperatuurbestendig en temperatuurongevoelig dienen te zijn. De uitvinding beoogt niet-lineair optische materialen te verschaffen waarin de hyperpolariseerbare elementen permanent georiënteerd zijn, waarbij de oriëntatie wordt verkregen zonder beschadiging van de helixstructuur.

Aan deze doelstellingen wordt volgens de uitvinding voldaan door een inrichting zoals in de aanhef is beschreven, waarbij het polymeer netwerk bestaat uit een vloeibaar kristallijn materiaal met een helixstructuur, waarbij de brekingsindices en de spoed van de helixstructuur zodanig zijn ingesteld dat phase matching optreedt.

In een geschikte uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding bestaat het polymeer netwerk uit chiraal nematisch materiaal, ook wel cholesterisch materiaal genoemd. Bijzonder geschikte polymeer netwerken kunnen worden vervaardigd uit polyacrylaat- of polymethacrylaatverbindingen met vloeibaar kristallij ne eigenschappen, aan welke verbindingen chirale moleculen zijn toegevoegd. Het is eveneens mogelijk om polymeer netwerken toe te passen, waarin chirale molecuulgroepen een deel van het netwerk vormen.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding bestaat het polymeer netwerk uit chiraal smectisch materiaal. Zulke materialen zijn ferro-elektrisch en bezitten permanente dipolen, waardoor het verkrijgen van een geschikte oriëntatie van de hyperpolariseerbare elementen wordt vereenvoudigd.

De hyperpolariseerbare elementen kunnen in de vorm van kleine deeltjes of in de vorm van moleculen in het netwerk aanwezig zijn. Om een bijzonder stabiel niet-lineair optisch medium te verkrijgen, is het doelmatig dat de elementen met een grote hyperpolariseerbaarheid deel uitmaken van het polymeer netwerk.

Een bijzonder effectieve inrichting voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf wordt verkregen, door de inrichting te voorzien van een X/4 element om de fundamentele lichtgolf circulair te polariseren.

De theoretische achtergrond van phase matching in een medium met optische rotatie, zoals in een vloeibaar kristallijn materiaal met een helixstructuur, is beschreven door H. Rabin en P.P. Bey in Physical Review 156 (3), op bladzijden 1010 tot 1016 (1967), waarbij de optische rotatie berekend kan worden volgens een artikel van Hl. de Vries in Acta Crystallographica 4, op bladzijden 219 tot 226 (1951). De phase matching afstand wordt op bekende wijze vastgesteld uit de brekingsindices bij de toegepast golflengtes (rood en blauw licht), waarna de spoed zodanig wordt gekozen dat een optische rotatie van 180° optreedt over de coherentie lengte, waarbij de tweede harmonische golf een faseverschuiving π ondervindt om zodoende destructieve interferentie te voorkomen.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een tekening, waarin

Figuur 1 de bestanddelen weergeeft van een niet-lineair optisch medium volgens een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding,

Figuur 2 de spoed van een helixstructuur weergeeft in afhankelijkheid van de temperatuur,

Figuur 3 de brekingsindices van vloeibaar kristallijne materialen weergeeft, respectievelijk vóór (a) en na (b) vorming van een polymeer netwerk,

Figuur 4 schematisch een inrichting volgens de uitvinding weergeeft,

Figuur 5 geschikte monomeren voor het vormen van een polymeer netwerk weergeeft, waarbij in

Figuur 6 voorbeelden van de groep X zijn weergegeven en waarbij in Figuur 7 voorbeelden van de groep M zijn weergegeven, waarbij Figuur 8 geschikte chirale verbindingen weergeeft voor opname in een polymeer netwerk,

Figuur 9 geschikte hyperpolariseerbare verbindingen weergeeft, en waarbij Figuur 10 geschikte hyperpolariseerbare verbindingen weergeeft voor opname in een polymeer netwerk.

Uitvoeringsvoorbeeld.

Een mengsel van vloeibaar kristallijne materialen werd bereid uit 70 gewichts % van een monomeer diacrylaat met de samenstelling volgens Figuur la, met 19 gewichts % van de chirale verbinding met de samenstelling volgens Figuur lb, met 10 gewichts % van de sterk hyperpolariseerbare verbinding met de samenstelling volgens Figuur lc, en met 1 gewichts % van de lichtgevoelige initiator met de samenstelling volgens Figuur ld.

In een dergelijk mengsel zijn de moleculen gerangschikt volgens een helixstructuur, waarvan de spoed P is weergegeven als functie van de temperatuur T in Figuur 2. Door bij een geschikte temperatuur het mengsel uit te harden, door middel van bestraling met UV licht gedurende enkele minuten, wordt een polymeer netwerk gevormd waarin de spoed, en overige (optische) eigenschappen worden vastgelegd.

Figuur 3a toont de extraordinaire brekingsindex ne en de ordinaire brekingsindex n0, in afhankelijkheid van de temperatuur T, van het mengsel vóór uitharding. Bij temperaturen boven ongeveer 80 °C verliest het mengsel zijn dubbelbrekende eigenschappen. De brekingsindices na uitharden zijn weergegeven in Figuur 3b, waarin opvalt dat de temperatuurafhankelijkheid is afgenomen als gevolg van de vorming van het netwerk.

Figuur 4 toont schematisch een inrichting volgens de uitvinding, met een laserlichtbron 1, bijvoorbeeld een halfgeleider laserlichtbron zoals een GaAs laser of een AlGaAs laser, waarmee een lineair gepolariseerde fundamentele lichtgolf 2 werd opgewekt (rood licht). De lichtgolf werd door middel van een lens 3 gefocusseerd op een niet-lineair optisch medium 5, bestaande uit een laag van het uitgeharde materiaal met de hiervoor aangegeven samenstelling tussen twee glasplaten. Tussen de lens 3 en het niet-lineair optisch medium 5 bevond zich een X/4 element 4, waarmee de fundamentele lichtgolf 2 circulair werd gepolariseerd. In de uitgaande lichtstraal 6 bevond zich een hoeveelheid licht met een ten opzichte van de ingaande lichtstraal verdubbelde frequentie, bijvoorbeeld blauw licht. Desgewenst kan het rode licht ter plaatse van de uitgaande lichtstraal 6 met behulp van een kleurfïlter 7 worden tegengehouden.

In Figuur 5 zijn een aantal alternatieve geschikte monomeren weergegeven, waarmee polymeer netwerken kunnen worden vervaardigd voor toepassing in een inrichting volgens de uitvinding. In de formules geeft -R een waterstofatoom of een methylgroep weer. Voorbeelden van de groep -X- zijn weergegeven in Figuur 6, waarin p een waarde kan hebben van 1 tot ongeveer 12. Zoals in de Figuur is aangeduid, is het desgewenst mogelijk om chirale molecuulgroepen -X- toe te passen. Voorbeelden van de groep -M- zijn weergegeven in Figuur 7. De keuze van een geschikte lichtgevoelige initiator kan op bekende wijze worden aangepast aan de aard van het monomeer. Aromatische carbonylverbindingen zijn geschikte lichtgevoelige initiatoren voor het vormen van een netwerk van di(meth)acrylaatverbindingen, voor het vormen van een netwerk van epoxy- en vinyletherverbindingen kunnen diaryliodoniumverbindingen zoals diphenyliodonium hexafluoroarsenide worden toegepast.

In Figuur 8 is een aantal chirale verbindingen getoond, die een helixstructuur kunnen bewerkstelligen in een polymeer netwerk, en die tevens geschikt zijn om door middel van copolymerisatie als deel van het netwerk te worden opgenomen. In de formules heeft m een waarde van 2 tot ongeveer 15 en heeft p een waarde van 1 tot ongeveer 12.

In Figuur 9 is een aantal geschikte verbindingen met een grote hyperpolariseerbaarheid getoond, voor toepassing in een niet-lineair optisch medium in een inrichting volgens de uitvinding. Figuur 10 toont soortgelijke verbindingen, die tevens geschikt zijn om door middel van copolymerisatie als deel van het netwerk te worden opgenomen. In de formules geeft -R een waterstofatoom of een methylgroep weer en heeft p een waarde van 1 tot ongeveer 12.

In de inrichting volgens de werkwijze wordt door toepassing van een polymeer netwerk met een helixstructuur een eenvoudige mogelijkheid verschaft om phase matching condities te bewerkstelligen door aanpassing van de spoed van de helixstructuur, waarbij ook de brekingsindices en de dubbelbreking naar behoefte kunnen worden gewijzigd. Naast toepassingen voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf, is het ook mogelijk om met een dergelijke inrichting een derde harmonische golf op te wekken, zie het eerder genoemde artikel van H. Rabin en P.P. Bey.

Claims

1. Inrichting voor het verdubbelen van de frequentie van een lichtgolf, waarbij een fundamentele lichtgolf door een niet-lineair optisch medium wordt geleid onder vorming van een tweede harmonische golf, waarbij het niet-lineair optisch medium is gevormd uit een polymeer netwerk en uit elementen met een grote hyperpolariseerbaarheid, met het kenmerk, dat het polymeer netwerk bestaat uit vloeibaar kristallijn materiaal met een helixstructuur, waarbij de brekingsindices en de spoed van de helixstructuur zodanig zijn ingesteld dat phase matching optreedt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het polymeer netwerk bestaat uit chiraal nematisch materiaal.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het chiraal nematisch materiaal bestaat uit een polyacrylaat- of een polymethacrylaatverbinding met vloeibaar kristallijne eigenschappen, waaraan chirale moleculen zijn toegevoegd.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het polymeer netwerk bestaat uit chiraal smectisch materiaal.

5. Inrichting volgens een der conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat de elementen met een grote hyperpolariseerbaarheid deel uitmaken van het polymeer netwerk.

6. Inrichting volgens conclusie 1, voorzien van een λ/4 element om de fundamentele lichtgolf circulair te polariseren.