专利名称：在包含至少一种光敏分子材料的结构中光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及在包含至少一种光敏分子材料的结构中，通过光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性的方法。
背景技术：
已经公知，利用偏振相干光束进行光诱导，可以控制例如聚合物或溶凝胶类无定形基体中分子的局部取向分布，从而改变它们某些线性或非线性光学特性的分布。
这些特性可以是折射率、吸收率、非线性的特别是二次和三次的极化率、电致或光致发光、光化学特性、光折射特性，等等……。
传统上，为了读和写由相干光束的光诱导在分子材料中形成的线性或非线性特性，一般采用共同传播结构，其中读的方向(即载着已有光学特性的光束离开材料的方向)与写的方向(即用作光诱导的光束方向)是一致的。
术语“写”此处是指构造光敏材料的结构，从而赋予它上述特性。
光诱导过程中最主要的困难是对写光束的吸收，这是由一些约束条件决定的。由于效率的原因，要求所用条件必须是光谱谐振或准谐振。
使用通常的共同传播结构获得光诱导特性，需要满足准相位匹配限制条件，这就存在另一个困难，即准相位匹配限制条件要求读和写的谐振波长必须是一样的(或利用更高次的非线性过程)。
这就导致读过程中光被高度吸收，从而限制了作用长度，在该作用长度上可以达到光谱谐振吸收光束的穿透深度。
本发明的一个目的在于减少这些问题。
发明内容
为此目的，本发明提出了一种在至少包含一种光敏分子材料的结构中，通过光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性的方法。该方法中所述的结构被多光子光束或至少两条相干写光束照射，从而改变上述分子材料的分子取向和/或分子特性，分子特性与其取向有一定的函数关系。
上述结构的特征是一种约束结构，其中写光束平行于某一限定方向或是相对倾斜于这一限定方向。线性的和/或非线性的光学特性分布于这一约束结构中，且至少有一种特性的分布方向垂直于上述限定方向。通过这种方法被光诱导的约束结构适合一束或多束“读”光束在此导向结构中传播，并具有由于光学作用而导致的特性。这些光学作用是由于一束或多束“泵浦”光束传播或通过上述光诱导结构而产生的。
对于被激活的材料，一条多光子光束能产生具有相同波长，但在上述材料中传递不同能量的放射。
本发明提供了一种在至少包含一种光敏分子材料的结构中，通过光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性的方法，以及应用上述结构的方法。该方法中所述的结构被多光子光束或至少两条相干写光束照射，从而改变上述分子材料的分子取向和/或分子特性，分子特性与其取向有一定的函数关系。
上述结构的特征是一种约束结构，其中写光束平行于某一限定方向或是相对倾斜于这一限定方向。线性的和/或非线性的光学特性分布于这一约束结构中，且至少有一种特性的分布方向垂直于上述限定方向。并且有一束或多束“泵浦”光束在上述光诱导结构中传播或穿过，“泵浦”光束在上述结构中的传播或穿过能产生一种光学作用，使在光诱导约束结构中沿导向结构传播的一束或多束“读”光束具有一定的特性。
自然地，一束“泵浦”光束也能是一束读光束。
根据本发明提供的方法，可以去写线性光学特性而不受垂直于限定方向的方向限制，上述特性分布于这一限定方向上。
而且，写光束的方向和度读光束的方向是无关的。例如，这样就可以遵从准相位匹配的限制而没有读方向材料尺度的约束。例如，还可以在扫描过程中改变定义写光束的一些参数，如偏振性和/或初相位。在这种情况下，可以从空间光谱谐振限制中分离出光谱谐振限制，光谱谐振限制是伴随着写过程，由于效率的原因，在光谱谐振或准谐振的条件下产生的。而这种空间光谱谐振限制在读过程中会限制设备的效率。
总体上，这样可以不受读方向尺度的限制，不破坏承载光学特性的分子，而实现光学特性连续分布或象素点式分布的永久光诱导。例如，对于n级感光性的空间张量分布(xn(r))，这里n是一个确定的整数，r表示结构中某一点的矢量坐标。
此外，本发明提供的方法在下述各种单个特征或其任意合理组合中都有着优越性●约束结构至少被一条写光束扫描，至少一条写光束的一个(或多个)参数是上述结构和上述扫描光束间相对位移的函数；●对扫描光束照射区域的写过程被检测，并且约束结构和扫描光束间的相对位移根据检测结果被控制；●写光束通过一个透镜照射，并且至少一条写光束的一个或多个参数是受控制的；●写光束通过一个遮光板照射，并且至少一条写光束的一个或多个参数是受控制的；●写光束通过一个全息照相结构照射，并且至少一条写光束的一个或多个参数是受控制的；●一条或多条写光束的一个控制参数是光束强度和/或偏振态和/或传播方向和/或多条写光束的空间重叠性和/或波长和/或光束间相对相位；●一个参数是由对上述参数产生的干扰以及对该干扰统计特征的控制来控制的；●分子材料的温度是受控制的；
●上述温度是由一条能局部加热的附加光束照射上述写光束的入射点来控制的；●光诱导光束写出一个准相位匹配栅格来传播泵浦光束和读光束；●分子材料通过使用电场和/或加热被预先取向；并且●约束结果是薄膜的一部分和/或沿读光束传播方向伸展的光导带和/或读光束沿环形传播的微孔和/或光纤和/或这些元素的组合。
从下面的描述中可以看出本发明的一些其它特点和优越性。这些描述是完全用作说明的，且都是非限制的，应该参考附图加以阅读。其中图1是实施本发明所述方法的设备图；和图2a和2b表示本发明可能实施方案中的两种制造偏振无关光导的途径。
具体实施例方式
图1所示装置应用几何横向照明来实现样品1(薄膜、光导或其它复杂回路)的光诱导，组成样品1的材料中某些分子在一定的光照条件下会重取向或发生改性。例如无定形的或溶凝胶材料，包括有电荷转移的共轭非中心对称分子，如在相反两端分别被电子供体和电子受体所取代的重氮染料。
样品1被安装在支撑体2上，2被装配在有一定旋转和升降自由度的活动台架B上。可以通过计算机5控制的3、4两个驱动装置来对支撑体2进行微米(μm)范围的旋转和升降调节。计算机5控制着对样品1的写操作。
计算机5控制着各种光诱导参数，同时控制着一个光学单元6。光学单元6产生照射样品1的光束。
图中所示的例子是光诱导产生x2分布，共有3条光束。而“简并”结构中光束可减少为2条，在这种“简并”结构中，强度高的写光束(例如，在红外光区指的是“基波”光束)的波长是强度低的写光束(例如，在可见光区指的是“谐波”光束)波长的两倍。
单元6产生的光束照射着组成样品1的基质，照射方向相对垂直或倾斜于基质所在平面。
计算机5控制着各种写参数，使它们是上述基质1位移的函数，因而可以连续地或象素点式地改变将通过光诱导产生的线性的或非线性的光学特性(对称性、振幅、方位、各种几何因素)。
为获得特定xn分布而要控制的各种写参数有光束强度；光束的偏振态；光束的相对相位；光束传播方向；光束间的空间重叠；波长；温度，通过产生局部加热的辅助激光束对基质加热；应用于基质的电场或磁场；等等。
这些参数可以通过与计算机5的计算值相一致来控制。
另一种情况，这些参数可以通过统计的方法来控制。
例如，为了控制相位，可以把一光学板置于一个托架上，托架相对于写光束的方向可以改变，这样就可以改变写光束穿过光学板的光路长度。
当采用统计法时，由干扰发生器产生一固定干扰，由此干扰信号来控制托架上光学板的运动。
通过控制干扰的统计特征，尤其是方差，就会使被照射结构中部分区域的分子产生统计上明显的同向取向(光诱导干扰方差小的区域)，而部分区域的分子则是无序的，都无规取向(光诱导干扰方差大的区域)。
光学单元6包括一个参量振荡器7，它由自身可调节的激光器8(如TiSa激光器)来进行光学泵浦。在激光器8和参量振荡器7之间是倍频器或三倍器。这样就能在参量设备的出口等到三种不同波长的光束，其频率分别为ωp，ωi，ωs。它们满足关系式ωp＝ωi+ωs。
一束或多束写光束用来进行光诱导。
为了实现这一目的，整个装置还有一个检测单元10，包括一个光源11和一个探测器12，分别用来发射和探测波长为ωc的检测光，进而鉴定光诱导产生的特性。鉴于此，可以使用一束写光束，如ωi。
为了改变光束的强度，光学单元6包括一个由计算机5控制的可变衰减器。
光学单元6还包括散焦装置，用以改变参量发生条件或把一束或多束写光束的初始频率加倍。
它还包括常规的偏振设备，以产生直线的、圆形的或椭圆的偏振态。
特别地，通过运用适当偏振设备产生的偏振态，在写的阶段能产生具有n个无规几何特性光子的多重偏振结构。这种结构能与取向分子的对称性相匹配，这些取向分子构成分子物理多极化，以提高光诱导的效率并获得良好的宏观感光性。
它包括相位转变设备，如不同厚度的分度盘。
值得注意的，计算机5控制着光束相对于样品1的入射方向、入射点，以及与xn分布存在函数关系的光学单元6的各种参数。
自然地，实施本发明的一些其它装置也是可以想象的。
特别地，实施本发明时可使用一个固定的样品支撑装置，例如只能在刚开始手动操作时进行粗略调节，而写单元则是可动的。
另一种情况，可以使写单元和样品支撑部分都是固定的，光线通过一个或多个遮光板，或是光学器件如透镜或全息照相结构(一种能提供一系列诸如光栅或衍射斑点或其它合适的全息记录的透明设备)，或光线被声光设备所偏离，或其它设备。
任何情况下所引起的xn分布将在光诱导结构中产生一种或多种线性的或非线性的光线特性。例如，特性在结构中空间上均匀分布时，n＝1是周期性双折射，n＝2是Pockels效应(线性光电效应)；或者，如果基质是带状光导，则有一系列的取向连续地平行或垂直于基质，将出现三条光波复合效应(产生诸如第二谐波，频率的和与差，参量放大、发射和振荡)。
举个例子，使用没有进行光诱导，且具有Bragg镜的Fabry Perot类结构，并在此结构中沿与准相位匹配原则相一致的传播方向上，空间周期性地光诱导出非线性特性(如二次方特性)，这样就能得到一个参量振荡器。没有Bragg镜的相似结构形成一个单向参量放大器或发射器。
具有参量发射器或振荡器的结构应用如下。一束被称作“泵浦”光束的强光束在导向模式下射入该结构，在已被光诱导出的非线性特性(如二次方特性)作用下，这束光产生两束波长更长的光，即“信号”光束和“补”光束，它们都自行导向。这两个信号将被作为两个读信号。
参量放大器使得信号和泵浦在结构的入口处出现。于是结构把信号光束放大，同时产生补光束。
然而另一个例子是在初始的Fabry Perot结构中，光诱导得到一个激光器结构，或是在没有Bragg镜或其它任何光学反馈设备的初始结构中，光诱导得到一个放大器或光发射器结构。
顺便说一下，Fabry Perot结构是一个带状光导结构、光学纤维结构或环形微孔结构。
在此情况下，光诱导特性是一个线性特性，如产生激光增益的活化分子的平均取向(这种取向引起偏振放射)。
上述光诱导结构应用如下。一束泵浦光束以导向模式或沿着结构中相对平行或倾斜于一个限度方向的单向结构方向入射。通过这种方式泵浦光束产生激光放射的波长与导向模式或环形传播的泵浦光束产生的激光放射的波长不同。
而且，该结构可以连续地结合各种非线性特性、光发射特性或激光特性(如自加倍激光，非线性转换等)。
下面详细叙述用光照调整光导组成的具体情况，这种光导的基质上覆盖了一层聚合物，用以产生非中心对称的光电活性区。
这种光导可以由甲基丙烯酸甲酯和被分散的红色染料(DR1)取代的甲基丙烯酸甲酯共聚物组成，共聚物中染料(DR1-MMA)的摩尔浓度比占30％，在波长1.32μm时折射率是1.6。这种共聚物放置在表面覆盖了3μm宽，0.9μm厚，7μm长的氧化硅层的硅基质上。光导外层包覆着一层0.3μm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
用于照射的激光是由钕和钇铝石榴石(Nd3+YAG)脉冲源发射的波长为1.064μm，频率为30赫兹(Hz)，持续时间30皮秒(ps)的脉冲。
倍频器9是II类结构的二氘带磷酸钾晶体。具有上述波长(频率为ωp)的光束的光通量是5千兆瓦每平方厘米(GW/cm2)，而频率为2ωp的光束的光通量是100兆瓦每平方厘米(MW/cm2)。两种光束沿圆柱形透镜在光导方向传播。
光导的受照射长度是0.6cm，照射时间为1小时。
在光诱导期间(例如漂白)分子可以改变特性。
特别地，当照射光的强度超过某个变化阈值，分子就根据其取向态按控制方式改变结构。
当用类似DR1的二苯乙烯类(4-4’-二甲基氨基硝化二苯乙烯(DANS)分子)来代替DR1，在写光束的作用下，产生不可逆的光异构化特征，使得取向方式发生某一确定变化。
值得注意的，本发明提供的技术能很好地用光诱导产生二次非线性感光性(x2)的空间分布。
鉴于此，在某一特定方向的位移平行于样品平面时(如光导方向)，写光束的一个或多个参数应周期性的变化。其变化的空间周期等于2π/Δβ，它是由与读过程传播模式相一致的读光波频率下的折射指数偏差决定的。存在下面的关系式Δβ＝βωp-βωc-βωs，其中βω是相应于角频率为ω的读过程传播的有效波矢量，表达式是βω＝neffωω/c。这里neffω是模式的有效指数，ωp、ωc、ωs分别是泵浦光束以及由补光束和信号光束组成的两束读光束的频率。
这就提供了一种光导，它的二次方特性作空间周期性变化，这一空间周期与读过程相匹配，因此符合泵浦光束和读光束频率的准相位匹配限制。
上述分布也可以通过相位遮光板或泵浦光束与读光束的干涉(如频率分别为ω和2ω的谐波光束和基波光束)来实现。
例如，发明人用一束波长488纳米(nm)，功率150毫瓦(mW)，周期是15分钟(min)的光束来穿过格间距为150μm的金遮光板进行写操作。聚合物首先在无电场的偏振方式下被均一取向，分子平均取向方向垂直于基质，然后用穿过遮光板的光束照射，结果被照射的区域变成非取向态。这样就可以使具有线性光学特性的区域(不包含任何非线性特性)和具有不同取向的非线性区域相互转变。
用干涉光进行写操作，其高强度的干涉边缘以单一的波长照射样品，其它波长的光也均匀照射样品。
结合各种写过程和遮光板模式，可以实现一些其它模式下很难得到的新型组合，如不依赖于偏振的准相位匹配光栅。
也可通过产生偏振来制得光诱导光栅，这些偏振态平行于频率在ω和2ω间连续周期性变化的光场。
另一种方式，如果从光学单元6出来的三束光是共线性的，即具有相互平行偏振态的线性偏振，并且都垂直于基质传播，那么x2张量的绝大部分将平行于写光束的公共偏振轴。如果沿垂直于公共偏振轴或预先伸展导向方向来扫描上述结构，将得到一个TE模式的非线性结构。
可以用聚焦圆柱透镜或模型发生器(直线发生器)来代替扫描，且模型发生器能使大部分范围被照射。
相似地，写光束可以通过一条或多条光纤入射，这样就只能对光纤末端进行局部写操作，并且在聚合物样品上产生象素点式作用。
另一种方式，对某个光学参数，如相位转移或写光束偏振态的旋转(衰减)，把固定扫描和周期性变化相结合，则能得到与TE模式的准相位匹配相一致的光导。
运用上述技术，通过制造连续地或并列地光导向段结构，可制得不依赖于偏振的调幅器，或其它任何产生信号的设备。这些光导向段按平行于基质(TE模式)或垂直于基质(TE模式)的方向取向，后一种取向通过电取向获得。
对于波导结构有两个限定方向和一个光电功能，如果这两个限定方向互相垂直，则光诱导的方向将可能相对倾斜于这两个限定方向。
这将使得分子在相对倾斜于限定方向取向，并同时产生TE模式和TM模式。对于光诱导使得r33＝r13的情况，更有利于倾斜方向光诱导。r33和r13是这一领域的习惯用法，它们表示线性光电张量的共效应。
另外，当约束结构是有两个限定方向的光导结构时，第一部分沿着平行于第一限定方向被照射，第二部分沿着平行于第二限定方向被照射。此后又沿着平行于第一个限定方向，但初相位是π。其它依此类推。
这样就可以在光导结构的聚合物上写出一连串的部分，分子的取向先是连续地垂直于第一个限定方向，然后是垂直于第二个限定方向。如果需要的话，接着是垂直于第一个限定方向的第一部分取向的相反方向，再是垂直于第二个限定方向的第二部分取向的相反方向。
值得注意的，这种光导组成的导向体是不依赖于偏振的，而且其优点是极易付诸实施。
这种例子见图2a和2b所示，附注13是光导，附注14是承载光导的基质。
所提及的方法也可用于制造横向取向的参量或激光微孔。
鉴于此，样品应置于两个Bragg镜之间，以便给它提供一高的谐振因子，使其沿垂直基质的方向传播。例如，高聚物通过纺丝置于Bragg镜上，另一个镜对着第一个放上。
通过改变写过程的光学参数，微孔的光学特性在空间上是可以改变的(激光器，光学参量振荡器(OPO)，或低阈值频率混合器，光学逻辑双稳态设备)。
镜片可以装在波长约1.3μm的红外线中央。写操作用波长是0.532μm和1.064μm的光束在镜子的透明区域写出所有的光学取向。
值得注意的是上述发明将提供很多实际应用。特别地，制造用于电信或仪器制造的光学部件，如下述部件● 对引导波不敏感的调节器，偏振控制器，TE/TM偏振转换器；● 频率混合器或加倍器；● 参量振荡器、发射器和放大器；● 有偏振发射的光或电激励发射设备或激光设备；● 外差混合器；● 用于读红外光的非线性设备；● 通过光电采样绘制空间张量场的设备(如“非线性测试模型”)● 具有基体或取向分子的参量效应激光微孔；●数据存储设备用诸如共焦显微镜的显微设备联结写光束，把光取向的范围减小到单个分子或分子簇。这样就可以用激光束来调节单分子物体的取向，而得到具有多重状态改写的分子记忆和线性的或非线性的读过程；●数据显示设备特别地，取向设备可用于把光发射分子取向成光发射显示屏，或是把具有对场敏感分子的液晶基体取向成液晶显示屏或液晶设备；并且●这种装置基于光路系统，可用于扰乱(消除)取向而删除以前存储的光学信息，或对聚合物进行局部光线处理。非线性过程的应用(如双光子吸收过程)使得在样品中得到更好的深度选择。
权利要求
1.一种在包含至少一种光敏分子材料的结构中光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性的方法，该方法中所述结构被多光子光束或至少两条相干写光束照射，从而改变上述分子材料的分子取向和/或随分子取向变化的分子特性，其特征在于，所述结构是一种约束结构，并且写光束平行于一限定方向或与之倾斜，并且沿至少一个垂直于所述限定方向的方向将该线性和/或非线性光学特性分布于所述约束结构中，由此获得的光诱导约束结构适于使一束或多束“读”光束在此导向结构中传播，并具有由一束或多束“泵浦”光束传播或通过上述光诱导结构产生的光学作用所导致的特性。
2.一种在包含至少一种光敏分子材料的结构中通过光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性并应用上述结构的方法，该方法中所述结构被多光子光束或至少两条相干写光束照射，从而改变上述分子材料的分子取向和/或随分子取向变化的分子特性，其特征在于，所述结构是一种约束结构，并且写光束平行于一限定方向或与之倾斜，并且沿至少一个垂直于所述限定方向的方向将该线性和/或非线性光学特性分布于所述约束结构中，并且使一束或多束“泵浦”光束在上述光诱导结构中传播或穿过，通过“泵浦”光束在上述结构中的传播或穿过能产生一种光学作用，使在光诱导约束结构中沿导向结构传播的一束或多束“读”光束的特性有所提高。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，约束结构至少被一条写光束扫描，并且至少一条写光束的一个(或多个)参数根据所述结构和所述扫描光束之间的相对位移加以控制。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，对扫描光束照射区域的写过程被检测，并且约束结构和扫描光束间的相对位移根据检测结果加以控制。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，写光束通过一个透镜照射，并且至少一条写光束的一个或多个参数是受控制的。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，写光束通过一个遮光板照射，并且至少一条写光束的一个或多个参数是受控制的。
7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，写光束通过一个全息照相结构照射，并且至少一条写光束的一个或多个参数是受控制的。
8.根据权利要求3至7任何一项的方法，其特征在于，一条或多条写光束的受控参数是光强和/或偏振态和/或传播方向和/或多条写光束的空间重叠性和/或波长和/或光束间相对相位。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，参数是通过使该参数产生干扰并控制该干扰的统计特征来加以控制的。
10.根据权利要求2至9任何一项的方法，其特征在于，分子材料的温度是受控制的。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，上述温度是由一条能局部加热的附加光束照射上述写光束的入射点来控制的。
12.根据上述权利要求任何一项的方法，其特征在于，光诱导光束写出一个准相位匹配栅格来传播泵浦光束和读光束。
13.根据上述权利要求任何一项的方法，其特征在于，分子材料通过使用电场和/或加热被预先取向。
14.根据上述权利要求任何一项的方法，其特征在于，约束结果是薄膜的一部分和/或沿读光束传播方向伸展的光导带和/或读光束沿环形传播的微孔和/或光纤和/或这些元素的组合。
全文摘要
一种在包含至少一种光敏分子材料的结构中光诱导产生至少一种线性和/或非线性光学特性的方法。上述聚合物材料被光照射从而改变其分子取向。照射方向相对垂直或倾斜于读光束的传播方向。
文档编号G02F1/01GK1340188SQ00803772
公开日2002年3月13日 申请日期2000年1月21日 优先权日1999年1月21日
发明者约瑟夫·齐斯, 索菲·布拉瑟莱特, 埃里克·图森雷 申请人:法国电信公司