专利名称：光波二倍频的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波二倍频的方法与装置，在这种方法和装置中，基频光波通过一种非线性光学介质后，即可形成二次谐波。
这样的方法与装置曾以平面波导的形式在欧洲专利申请EP254921中予以描述过，其基频光波是借助于诸如波长为1060nm(纳米)的红外半导体激光器产生的;此时，非线性光学介质为晶质有机材料薄片，通过这一装置可获得波长为530nm(纳米)的高强度绿光。
从理论上讲，按照电偶极子的处理方法，一般都认为中心对称的介质是不适宜用于二倍频的，例如，可参见D.J.Williams(威廉斯)在AngewandteChemie1984年第96期第637～651页(更具体的在第638页)中的阐述。当采用晶体时，通常是在分子中引入非对称性以得到非中心对称的晶体结构;如果应用诸如氨基酸一类的空间螺旋分子时，则必须只使用左旋的或右旋的旋光异构体，而不能是其两者的混合物。
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页的一篇文章指出d型和l型旋光异构体的外消旋混合物是不能用以产生二倍频的，除非该dl混合物以非中心对称的形式结晶。然而，这种情况对氨基酸而言是十分罕见的。
P·S·Pershan(佩森)在PhysicalReview1963年第130期(第3卷)第919～929页的理论阐述中表明可以利用四极矩在中心对称介质中产生强度很低的二次谐波。R·W·Terhune(特休恩)、P·D·Maker(马克)和C·M·Savage(萨维奇)也曾用方解石演示过这一现象，这可参阅Phys·Rev·Lett·1962年第8期第404～406页的报导。
本发明之目的是提供一种利用另一种非线性光学介质以供进行光波二倍频的方法与装置，按此方法，不必分离旋光异构体，也不必使有机材料取特殊的取向。本发明还希望以简单的方式实现激光的二倍频，以便应用于，例如，光纤的长途通讯和信息的光学存储。当采用短波光时，可增加信息密度，信息的写入与消除功能也随之增强。
按照本发明所述，可以由开头阶落中所描述类型的装置来达到提供光波倍频装置的目的，该装置包括用于使基频光波圆偏振化的装置，其中，非线性光学介质是由其分子或分子微粒具有空间螺旋结构特性的中心对称材料所组成的。证明分子呈现空间螺旋特性的例证是具有空间螺旋或有非对称的碳原子的分子，具有诸如螺旋形结构的固有非对称性的分子，具有冻结的空间螺旋构象、内消旋复合物为具有空间螺旋分子基团以及具有内部镜面对称或内部点对称性的分子。
非线性光学的中心对称介质可由，例如，液晶材料或Langmuir-Blodgett薄片(兰米尔-布洛杰特)组成。在本发明装置的一个特别适用的实施例中中心对称材料是一种单晶材料。
在本说明书以后的阐述中，我们必须认为圆偏振光至少也意味着是部分偏振光，例如，是椭圆偏振光。
可以使基频光波通过适当的偏振滤波器和四分之一波片(λ/4波片)而圆偏振化。在按本发明装置的实施例中，中心对称晶体材料是双折射材料，可以得到圆偏振的基频光波。举例说，双折射是在各向异性晶体结构中发生的。
在本发明所述的一个适当的实施例中，中心对称晶体材料是内消旋化合物，这就是说，在这种材料中，两组互为镜象的旋光异构体基团处于分子之对称位置上。适合这一结构特征的材料有α-吐昔酸(α-2，4-二苯环丁烷二羧酸)和α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯环丁烷酰胺)。
在本发明装置的一个优选实施例中，中心对称晶体材料系由dl配对的外消旋化合物所组成，例如，适用的材料为dl-N-乙酰基缬氨酸和dl-丝氨酸。
按本发明所述，可以由开头段落中所阐述的那种方法来达到提供光波倍频方法的目的，其中，基频光波至少是部分圆偏振的，且非线性光学介质可以由其分子基团具有空间螺旋结构特性的中心对称单晶材料组成。
在一个具体实施例中，由于中心对称晶体材料具有双折射效应，基频光波以不与晶体光轴平行的方式入射，因而是椭圆偏振的。
本发明所使用的内消旋化作合物是中心对称的。外消旋混合物在形态上经常是析晶的，在这种晶体结构的单位晶格内，d型和l型旋光异构体处于对称位置上，因此这种晶体结构具有中心对称性。按本发明所述，由于采用了圆偏振光，它与两种旋光异构体中的一种的分子或分子团发生较好的相互作用，所以这类中心对称材料能用以产生二次谐波。这种作用破坏了晶体的中心对称性，发生了非线性的相互作用。换言之，本发明利用了磁偶极矩，也利用了电偶极矩。
有机材料经常被用以产生二次谐波。为得到高效率，利用具有较高偶极矩的分子是有好处的，但是，这些分子正是因为具有高偶极矩而成对地晶体常常呈现中心对称排列，由此而产生的平均效应的结果，使得这些材料一般是不适宜使用的。本发明目前利用了圆偏振光在内消旋化合物或成对的dl-旋光异构体的选择性，从而提供了在有用的范围内仍能获得二倍频的可能性。
本发明将借助于实施例和相应附图给予更详细的说明。其中，
图1是本发明的光路示意图，而图2给出了α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯环丁烷酰胺)的结构分子式。
例1，图1所示，激光源10，在这里所描述的实验中，是NdYAG激光器(掺钕的钇铝石榴石激光器)，所产生的激光波12，波长为1064nm(纳米)，光波通过偏振滤波器14和四分之一波片16以得到圆偏振的基频光波，借助于透镜装置18聚焦于晶体20上。
在光波二倍频装置中，如果确实需要的话，还可以借助于诸如石英玻璃纤维等光纤维输光波;如果不用NdYAG激光器，也可选择使用其它类型的激光器，如半导体激光器等。
在这一实施例中，晶体20是由dl-N-乙酰基缬氨酸晶体所构成，它可从溶于乙醇的外消旋溶液中析晶而得到。该晶体是中心对称的，晶体结构的空间点集是P21/c。
基频光波经圆偏振化后，垂直入射到bc-晶面上，产生波长为532nm的二次谐波，其光强度与基频光强成平方关系。当基频光平行于c-轴入射时，二次谐波为沿单晶b-轴的平面偏振光。根据P21/c晶体点阵的对称性，其它方向的偏振彼此相互抵消。
按照这一实施例，二次谐波的光强度比同一光路中平面偏振光平行于晶体c-轴入射时所得到的二次谐波的光强高9倍;当用椭圆偏振光入射这一装置时，可产生二次谐波，其光强度与椭圆偏振光的圆偏振特性成比例。
例2，该实验如例1所述，然而是使平面偏振光波聚焦到晶体上，光波与晶体C-轴成偏振角θ垂直照射bc-晶面上，当θ等于45°时，得到最大的光强输出。此时，二次谐波光强度比平面偏振光平行C-轴(θ＝0)入射时的二次谐波光强高7倍。
该实验解释如下由于晶体是单斜的，因而具有各向异性的晶体结构，会呈现双折射效应。如果光波不以与光轴平行的方向入射，则光波将完全圆偏振或部分圆偏振(椭圆偏振)，从而可能与空间螺旋结构的材料发生非线性相互作用。
例3，实验如例1所述，圆偏振基频光波以相位匹配的角度入射，这就是说，该角度使得基频光波及二次谐波在晶体中具有相同的折射率。按照这一实施例，晶体将为此目的而在ab-晶面内旋转+11°。
这导至了二次谐波沿b-轴成平面偏振，其光强比例1和例2的高10倍。
例4，基频光波沿C-轴成平面偏振光(θ＝0)，聚焦到晶体上，选择适应的相位匹配角使之响应双折射以便在晶体中得到圆偏振度和相位匹配的最佳组合。按这一例子，晶体将对应于垂直入射光在ab-晶面内旋转+30°。
这一结果将获得沿b-轴偏振的平面偏振二次谐波，其光强度比例1及例2的高10倍。
例5，光路如同例1所示，但晶体是由dl-丝氨酸所形成的单晶，其晶体结构为P21/a。
所产生的二次谐波光强度为上述同样情况下使用磷酸二氢钾无机晶体时的3%。
例6，光路如例1所示，但晶体由内消旋化合物所形成。α-吐昔酸(α-2，4-二苯环丁烷二羧酸)是一种较适用的内消旋化合物，可以通过肉桂酸(苯基-2-丙烯酸)的光化二聚性作用而获取。参见图2，本例所用的是α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯环丁烷酰胺)，从中可产生更简单的单晶。
在其它条件相同的情况下，其二次谐波光强度近似为使用磷酸二氢钾(KDP)的5%。
权利要求
1.一种使基频光波通过非线性光学介质而产生二次谐波的光波二倍频装置，其特征在于，本装置包括了对基频光波圆偏振化的装置，其中，非线性光学介质是由其分子或分子基团具有空间螺旋特性的中心对称材料所形成的非线性光学介质。
2.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该中心对称材料是单晶材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心对称晶体材料是双折射材料。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述中心对称晶体材料是内消旋化合物。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述内消旋化合物是α-吐昔酰胺(α-2，4-二苯环丁烷酰胺)。
6.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述中心对称晶体材料系由dl偶的内消旋混合物所组成的。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述中心对称晶体材料是dl-N-乙酰基缬氨酸。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述中心对称晶体由dl-丝氨酸所组成。
9.一种使基频光波通过非线性光学介质而产生二次谐波的光波二倍频方法，其特征在于，基频光波至少是部分偏振的，其中，非线性光学介质是由其分子或分子基团具有空间螺旋特性的中心对称单晶材料所构成的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，由于中心对称晶体材料具有双折射效应，且基频光波不平行于光轴入射至本发明的装置上，因而基频光波为椭圆偏振光。
全文摘要
本发明涉及到一种光波二倍频的方法和装置，由此可将激光器产生的，例如，红外光转换成绿光。为此目的，使基频光波圆偏振化并令其通过非线性光学介质，则可形成二次谐波。该非线性光学介质系由其分子或分子基团呈现空间螺旋特征的中心对称材料所构成的。
文档编号G02F1/355GK1044859SQ9010058
公开日1990年8月22日 申请日期1990年2月7日 优先权日1989年2月10日
发明者埃格伯特·威廉·梅杰, 埃德斯科·恩诺·哈文加, 杰拉达斯·拉迪斯劳斯·约翰内斯·安德烈斯·理肯 申请人:菲利浦光灯制造公司