专利名称：复合非线性光学薄膜、其制造方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合薄膜，更具体地说，涉及应用新型制造方法制造非线性光学应用的复合薄膜。
背景技术：
在本发明中通过相同的引用来参考许多公开文献及专利。在本申请中所参考的公开文献和专利在此引入本申请作为参考。
液晶以介于结晶固体和各向同性液体之间的相中间体形式存在。这些化合物的分子通常为棒状，并具有称为导向器的长分子轴。液晶相其特征为分子的长程有序(也就是，在固体状态下)。向列相是最简单的，其仅具有取向有序性，以使得其导向器几乎是平行的。胆甾醇型液晶相从向列相中存在的手性产生。液晶有许多应用。它们被使用作为数字式手表、计算器、仪表板、温度计、电脑显示器和工业产品的显示器。它们可被用于记录、贮存和显示可以被投射在大荧幕上的影像。它们也具有成为电视显示器的潜力。此外，可从液晶制备薄膜，其中其分子有序性被冻结，也就是，聚合化，以提供所需要的光学性质。例如，向列和胆甾醇型(手性向列)薄膜可以被制造成具有波长和圆偏振选择反射/传导(对胆甾醇型液晶(CLC)薄膜)，和相转换传导(对向列液晶(NLC)薄膜)。然而，许多这些设备的缺点是，当没有进一步处理时，液晶材料相当昂贵并对温度敏感。这些材料也易于不利地吸收其它材料，此会改变组成物的性质等。此外，尽管聚合化的LC可以解决部分上述的缺点，这些LCs可能不适于许多应用，因为，例如，不适合的机械性质(硬度)和/或光学性质，(反射指数、特征波长等)。
此外，带宽已经成为现代通讯系统急切的需求。正如光纤取代电缆，WDM和DWDM技术也被使用来开发更多可用的光纤带宽。同时，分组交换信号结构已逐渐在许多应用领域中取代TDM技术。然而，正当数十亿的金额投资在这些努力上以致力发展带宽，仍存在一个明显的瓶颈-交换节点(互联)硬件。现有的互联设备需要先将数据转换成为电信号，路由到正确的输出，然后再转换成为光信号。这种光-电子界面会产生延迟，并且最终会降低系统的整体带宽。全光学(也就是，无光-电转换)交换技术使用MEMS带宽(微电机械系统)或以偏振光为基础的技术可保持纤维带宽，但交换缓慢，产生会限制其应用的隐患。
非线性光学(NLO)材料提供快速的交换速度。然而，在克服与现有NLO材料有关的缺点时，存在一个改善性能的需要。例如，使用无机NLO晶体，例如钛扩散的铌酸锂(Ti:LiNbO3)由于其不良的NLO性质，易于有较次等的性能。此外，时间和热稳定性和辐射灵敏度是已知的问题。此外，无机晶体设备不易与电子设备直接整合。
以极化有机聚合物薄膜为基础的NLO设备被许多人视为一种良好的解决方法，因为这些有机材料价格低并且易于处理。数以百计的非线性有机材料已经被合成并且定性，使用这些材料的设备已经被展示。然而，这些极化的聚合物具有下列缺点低二级磁化率、低光学损伤阈值、高散射损耗、有限的温度和时间稳定性。因此，虽然有机材料本身具有的优点，极化NLO聚合物仍然需要发展上的突破，以达到其实用性。
一种利用薄膜有机物的优点且能克服其限制的方法是使用NLO有机结晶薄膜，其具有极高的光学非线性、较高的损伤阈值和低散射损耗。美国专利第5,385,116号(Hattori等人，1996)回顾多种制造有机结晶薄膜的技术。然而，缺乏明显可制造的实用设备。除非这些问题被解决了，否则这些本质优良的有机NLO结晶材料仍然无法使用。
含有NLO结晶的聚合物组成物是得到高性能设备材料的另一途径。美国专利第4,759,820号(Calver等，1988)公开了在聚合物基质中制造非中心对称结晶的方法，其可为有机或无机。结晶的取向通过延伸、冷拉伸和其它方法达到。这种技术的缺点是不易控制形态，这受到NLO材料和薄膜处理的强烈影响。
因此，需要改善的光学薄膜，其具有大的非线性光学效果、同时克服薄膜设备的缺点。
发明概述根据本发明的一个方面，一种有序光学薄膜结构可由下列步骤制造(a)提供第一种材料和第二种材料，这两者基本上互不反应，第一种材料和第二种材料中至少一种为液晶；(b)组合第一种材料及第二种材料以形成一个混合物；(c)以该混合物制造薄膜，该薄膜具有液晶所界定的分子有序性；(d)冻结薄膜的分子有序性；(e)除去第一种材料和第二种材料其中的一种以形成一个基质，其具有散布其中的多个位点，和一种液晶分子有序性；和(f)在所述多个位点中注入第三种材料。
在本发明的第二方面，一种有序光学薄膜结构含有一种基体和一种分布在基体上的材料，所述材料为具有液晶分子有序性的非液晶。
在本发明的第三方面，一种有序光学薄膜结构的制造步骤如下(a)提供一种液晶和非液晶材料，这两者基本上互不反应；(b)组合液晶及非液晶以形成一种混合物；(c)以该混合物制造薄膜，该薄膜具有液晶所界定的分子有序性；(d)固定薄膜的分子有序性；(e)除去液晶或非液晶其中的一种以形成一种基质，其具有散布在其中的多个位点，和一种液晶分子有序性。
上述和其它本发明的特性及优点，将会在阅读下列本发明各方面的详细说明和附图后更为明显。
附图简述
图1为制造本发明的光学薄膜的优选实施方案的步骤。
图2A为根据图1步骤所制造的材料A及B的对齐向列薄膜混合物结构的横截面图(通过薄膜厚度)。
图2B显示与图2A所示相同的薄膜结构在选择性移除材料B后，仅剩余材料A的横截面示意图。
图2C显示与图2B所示相同的薄膜结构在加入材料C填充由材料B所产生的空隙后的横截面示意图。
图2D显示与图2C所示相同的薄膜结构在选择性移除材料A后，仅剩余材料C的横截面示意图。
图2E显示与图2C所示相同的薄膜结构在加入材料D填充由材料A所留下的空隙后的横截面示意图。
图3显示一层对齐向列薄膜的顶视图，图示了组成分子沿同一方向对齐。
图4A显示一根据本发明方法的示例CLC薄膜样品的实验反射光谱。
图4B显示根据本发明方法的另一示例CLC薄膜样品的实验反射光谱。
图4C显示根据本发明方法的第三种示例CLC薄膜样品的实验反射光谱。
图5A显示一种在不同区域间具有变化的相延迟的以本发明制造的似向列薄膜。
图5B为一种根据本发明所制造的像素RGB色滤器的横截面图。
图6显示一种作为吸收性线性偏振器的本发明所制造的似向列薄膜。
图7说明一种以本发明所制造的可调谐陷波滤波器的优选实施方案。
图8说明一种以本发明所制造的可调节染料激光的优选实施方案。
图9说明一种使用本发明方法的NLO光波导器的优选实施方案。
图10a说明本发明方法中所使用的向列液晶薄膜的分子有序性，在一平面结构中，在其中延伸的分子互相平行排列，该膜为光学各向异性的。
图10b说明本发明方法中所使用的向列液晶薄膜的分子有序性，在一个各向同性状态中，其中液晶分子随机取向且该膜为光学各向同性。
图11说明一种有机NLO材料NPP的分子结构，其适于作为本发明方法的客体材料。
图12a显示一种掺入NPP的向列液晶薄膜的吸收光谱，其具有一平面结构薄膜的液晶有序性，且其吸收随偏振改变。
图12b显示一种NPP-处理的向列液晶薄膜的吸收光谱，其具有一各向同性薄膜的液晶有序性，且其吸收不随聚合化改变。
图13a-13c是本发明中所使用的去除中心对称和非线性强化技术的多个步骤的图示。
优选实施方案详述参考附图中的数字，本发明的图示实施方案将在以下详细说明。为了清楚说明，附图中相似的特征会以相似的参考号码显示，在图中的替代性实施方案中显示的相同的特征将会以相同的参考号码说明。
参考图1-3，本发明涉及薄膜制造技术。通过使用液晶(LC)分子原有的“自集合”或排列方法，将会得到例如图2A-3的例如具有向列或胆甾醇型有序性的一种“有序的”结构。本发明包括从含有液晶的结构中除去一种组成，以形成分子级的“模具”(或聚合物基质，如果使用聚合物作为剩余的组成物)。通过将材料加入和/或从模具上除去，可以得到一种类似液晶(也就是，液晶)的结构。所产生的结构全部或至少部分从非LC材料制造，但仍具有某些LC特征。该类似液晶的结构克服了LC的缺点，且具有某些其它的优点。
如本处所使用的，术语“液晶”或“LC”指一类材料，在其中类似液晶的有序性至少以一个空间方向存在，且在其中存在某种程度的各向异性，如DeGennes及Prost在The Physics of Liquid Crystals，(2nded.)pp 1-3，Clarendo Press.1993中所定义的。类似地，此处所使用的术语“非液晶”或“非LC”，指基本上任何一种包括单体及/或聚合物的材料，其不是如此处所定义的液晶。适当的非LC材料包括基本上任何可填充上述的空隙的材料。该非LC材料可能为有机或无机气体、液体、在一液体或固体中的小颗粒溶液(在聚合化后或其它固定后)。适合的非LC材料的例子包括热或辐射可固化的环氧树脂和丙烯酸酯。专有名词“类似液晶(也就是液晶)的分子有序性”在此定义为液晶的长程分子有序性特征，例如向列型、近晶型和柱形或胆甾醇型有序性。
现在参照图1-8对本发明进行更详细的描述。图1显示了本发明的一个光学装置的制造工艺的优选实施方案。
在步骤1，材料A和材料B基本上均匀混合。材料A为液晶，其为可聚合的或不可聚合的。材料A本身可为多种材料的混合物。材料B为液晶或非液晶，其为可聚合的或不可聚合的。材料B本身可为多种材料的混合物。在使用可聚合的材料的情况下，在任何方便的状态下可以聚合的材料，例如在光和/或热下诱发聚合或通过其它方法可聚合的材料均可使用，可加入少量的光敏引发剂至混合物。其浓度通常为重量的百分之几。然而，也可使用高光引发剂浓度。材料A和材料B为“不反应性的”。如此处所使用的，专有名词“不反应性的”具有与在R.A.M.Hikmet及B.H.Zwerver在“Cholesteric gelsformed by LC molecules and their use in optical storage，Liquid Crystals，vol 13，p561(1993)(Hikmet/Zwerver报)和其它报导中相同的意义即在这些材料之间没有化学反应发生以产生另一种材料。
具有混合A+B的薄膜在步骤2中，利用该混合物且使用已知制造液晶的方法制造一种光学薄膜。该薄膜为“对齐的”，因为混合物的分子为长程有序且该薄膜具有独特的光学特性，例如，对于胆甾醇型液晶(CLC)薄膜的波长及电流聚合化选择性反射，和对于向列液晶(NLC)的相转变。图2A图示由材料A及B组成的向列液晶薄膜的有序性，其延伸分子以材料A的2A2和材料B的2A3两种尺寸的椭圆形代表。该薄膜分布在基质2A1上。对于对齐的向列薄膜，分子的长轴为或多或少的平行有序性，产生一种光学双折射的薄膜。沿着和垂直于分子长轴或分子导向器的平均方向所测得的折射率，分别以ne及no表示。光学双折射Δn＝ne-no。对棒状的LC分子而言，ne＞no且双折射为“正”。对盘形的LC分子而言，ne＜no且双折射为“负”。平均反射指标为nav＝(ne+ne)/2。
以对齐胆甾醇型液晶制造的薄膜具有波长和圆偏振选择性反射。该反射带的中心点为λc＝navPo，其带宽为Δλ/λc＝Δn/nav，其中Po为螺距。使用以下所述的方法所获得的多种新颖相延迟装置和其它使用‘类似CLC’薄膜的装置将会被公开。
如果混合物中的至少一种材料(可为材料A或材料B)为可聚合的，通过聚合化将分子有序性“固定”起来可能是有利的。根据材料A与B的混合和聚合化方法的条件，‘有序性’可能会改变。例如，如L.Li和S.M.Faris在‘单层反射超宽频圆偏振和其制造方法’，美国专利第5,691,789号(November 1997)中所公开的，(Li/Faris专利)在聚合后的反射带有在聚合以前有显著增加的反射带带宽。这是归因于在薄膜厚度方向的局部组成的非均匀性(以材料A及B的相对浓度表示)，以致于在聚合化时产生连续变化的坡度。
虽然聚合化是将分子有序性，“固定”的一种方便的方法，仍有多种选择性的固定技术可使用。将液晶有序性固定可通过改变薄膜温度达成。例如，一种薄膜可在预定温度中以含有材料A及B的混合物制造。额外的薄膜加工步骤可在较低或较高的温度中进行，在其中有序的液晶结构通过成分的其中一种，也就是材料A所维持。
(A+B)-B＝A的方法在步骤3，通过某些方法，例如，以一适当溶剂溶解或以加热蒸发或在真空中蒸发，使材料B从薄膜中被部分或全部除去。被移除的材料所占据的位点变空。这些空隙的形状会拉长，在尺寸上并不一定均匀，但以某种方式呈现空间的有序性。对于一向列薄膜而言，该空隙的位点安排使得其长轴的平均方向平行地指向薄膜平面(也就是，基本上与基体表面平面平行)，并且与穿越薄膜的方向垂直(也就是，基本上与基体的法线方向垂直)。
图2B显示与图2A相同的薄膜结构横截面，材料B已被选择性除去，仅留下材料A和某些残留的材料B(未显示出来)。该薄膜位于基体2B1上。被材料B所空下的其中一个位点以虚线在20代表。位点或空隙20的分布或“密度”与材料B的局部密度成比例(在图2A)。空隙20相当小，且被期望为显微镜大小(入射波长的1/30或更小)且彼此互相连结。
对于CLC薄膜而言，空隙的排列使得其在与基质平面平行的薄膜平面中的长轴的平均方向沿一螺旋线穿越薄膜方向(与基质表面垂直)。当除去材料B后，由于空隙或空洞处20的存在，使得反射的平均系数变小。最终薄膜的其它光学特征也会修正。例如，波长和圆偏振选择性反射带会转移到较短的波长，且对CLC而言，带宽会减少。对于向列薄膜而言，相转变ΔΦ，也就是ΔnL，其中L为薄膜厚度，也减少。
+C＝A+C的方法步骤4，可以任选地用来将所需的特性设计在薄膜结构中，例如具体的操作温度范围、改进的机械和/或化学稳定性等。本步骤包括将材料C注入薄膜的空隙20中。此材料C可以是液晶或者非液晶，其可聚合的或不可聚合的。此外，该非LC材料C可以为光学各向同性。材料C可以是有机或无机气体，液体或固体，其本身可以是多种材料的混合物。对于某些应用，材料C可为组分B减去其某些组成。组分C通常上为低粘稠度以加速其通过毛细管作用渗透进入空隙。将表面涂覆有组分C的薄膜放置在真空室中，会极大地增加其填充速度，当在空隙20中的空气已被排出时，如果材料C是可以聚合的，不管是通过光、热或其它方法，薄膜可以被聚合化以冻结分子有序性。产生的薄膜由原始的材料A和添加的材料C，和可能有材料B(可能是残留物，由于不完全的移除或者特意加入以作为C的组成物)组成。所产生薄膜的光学特征再一次修正。例如，波长和圆偏振选择性反射带会转移到较长的波长，且对CLC薄膜而言，带宽会修正(扩大或缩小)，对于向列薄膜而言，相转变也会随着材料C修正(增加或减少)。
{[(A+B)-B]+C}-A＝C的方法步骤5，为一个附加的任选步骤，其可以使用来进一步将所需的性质，例如操作温度范围，和/或改善的机械和/或化学稳定性等，加在薄膜结构中。在此步骤中，材料A被部份或完全从薄膜中通过某些方法除去，例如，通过以适当溶剂或以适当腐蚀剂腐蚀而选择性溶解。被已除去的材料A所占据的位点会变为空隙。这些空隙的形状会拉长，在尺寸上并不一定均匀，但以某种方法呈现空间的有序性。对于CLC薄膜，空隙处的安排使得其在一具体薄膜平面(与基体平行)中长轴的平均方向沿穿越薄膜方向(与基体垂直)。对于向列薄膜，该空隙的位点安排使得在特定薄膜平面(与基体表面平行)上的长轴的平均方向指向穿越薄膜的同一方向(与基体垂直)。空隙的分布或“密度”与在移除前的材料A的局部密度成比例。需注意的是，产生的薄膜基本上是材料C，其可能为非液晶但却仍有类似液晶的结构所具有的光学特征，例如，薄膜最初的波长及圆偏振选择反射带具有所谓的CLC有序性，且起初的相转变具有向列序。因此，所产生的薄膜可提供CL薄膜所需要的光学特征，而没有LC有关的缺点例如温度敏感性等。
(A+C)-A＝C的任选方法本领域的技术人员都知道，一种非液晶材料C的类似液晶薄膜可以通过首先以某些材料A及C制造一个薄膜，然后从薄膜中除去材料A所获得。对于上述步骤5的目的，是假设对齐液晶薄膜不能从特定选择的材料A和C的混合物直接制造。
{[(A+B)-B]+C}-A+D＝C+D的方法步骤6，为另一个任选步骤，其可用来进一步赋予薄膜结构所需的性质，例如操作温度范围，和/或改善的机械和/或化学稳定性等。在此步骤中，材料D在材料A移除后注入薄膜的空隙中。组分D可为可聚合的或不可聚合的的液晶或非液晶。材料D可以是气体、液体或固体，其本身可以是多种材料的混合物。组成D通常上为低粘稠度以加速其通过毛细管作用浸润和渗透进入空隙。当在空隙中的空气已被排出时，将表面涂覆有组成D的薄膜放置在真空室中，会极大地增加其填充速度，如果材料D是可以聚合化的，不管是通过光、热或其它方法，薄膜可以被聚合化以固定分子结构。产生的薄膜由可为液晶或非液晶的材料C和D组成。所产生薄膜的光学特征被再一次修正，例如在类似CLC薄膜的情况下，圆偏振选择性反射带的中心波长和带宽会被修正，且在其类似向列薄膜的情况下双折射会被修正。
+C＝C+D的替代方法本领域的技术人员都知道，材料C及D的类似液晶薄膜可以通过首先以材料A、C及D制造，然后从薄膜中除去材料A，并以C或D填充空隙所获得。为了说明的目的，假设对齐液晶薄膜不容易由材料C和D混合物直接制造。
实施例1图4A显示根据本发明的方法所制造的薄膜样品的实验反射光谱。曲线4A1为平面CLC薄膜的反射光谱，所述薄膜为由BASF丙烯酸CLC聚合物#181(45％重量)、手性向列(53％重量)和少量的Ciba-Geigy光敏引发剂Irgacure184(2％重量)组成的混合物。该手性向列本身由Merck低分子量向列液晶E44和手性掺杂剂R1011(手性向列的0.7％重量)。薄膜的厚度为20μm并以传统方法制造，也就是，先将两个玻璃基体用一经机械摩擦的聚酰亚胺取向薄层旋转涂覆。然后将直径为20μm的玻璃珠散布在这两个玻璃层中间，其涂覆面彼此面对。然后将CLC混合物以毛细管作用注入基体间。在机械剪切之后(基体以极小的侧向移动迫使LC分子对齐)，薄膜在室温下退火30分钟(一种使样品静置，并使其内部分子力再一次对齐分子的方法)。然后薄膜以UV灯光聚合化。除去其中一种基质。反射率4A1从薄膜的“裸露”面(没有玻璃基体的一面)得到。在前述讨论的内容中，材料A为BASF181聚合物，材料B为低分子量手性向列。这样可制得具有混合(A+B)的薄膜。B组成(低分子量手性向列)随后会通过以丙酮溶解而除去，产生一种只具有材料A的类似CLC薄膜。有趣的是，发现当再次注入组成B(手性向列Merck E44和R1011)，反射光谱几乎与原先的薄膜的反射光谱相同。这显示手性向列“再次占据”空隙，使得其表面上与原先的相同。这显示材料B重新填满空隙。该薄膜具有螺旋状有序的空隙，其被组成B占据。曲线4A2显示在薄膜空隙内注入一种UV可固化的环氧树脂(Norland Products，Inc.，Part No.6101)后的反射光谱。
实施例II图4B显示根据本发明的方法所制造的薄膜样品的实验反射光谱。曲线4B1为平面CLC薄膜的光谱，所述薄膜为由BASF丙烯酸CLC聚合物#181(26％重量)、手性向列(69％重量)和少量的Ciba-Geigy光起始剂Irgacure184(5％重量)组成的混合物。该手性向列本身由Merck低分子量向列液晶E44和手性涂覆漆CB15(手性向列的24.4％重量)组成。薄膜的厚度为20μm，并以与前述实施例I相同的方法制造。当薄膜样品以UV灯光聚合化并除去其中一种基质后，反射率4A1从薄膜的“裸露”面取得。在前述讨论的内容中，材料A为BASF181聚合物，材料B为低分子量手性向列。这样可制得具有混合(A+B)的薄膜。B组成(低分子量手性向列)随后会通过以丙酮溶解而除去，产生一种只具有材料A的类似CLC薄膜。该薄膜具有螺旋形有序的空隙，其被组分B占据。有趣的是，发现再次注入组成B(低分子量手性向列Merck E44及CB15)，反射度光谱(未显示)几乎与原先的薄膜的反射度光谱相同。曲线4B2显示在薄膜空隙内仅注入Merck E44后的反射光谱。该反射光谱与原先的反射光谱不同。此差异可能是由于双折射和原先被CB15占据而随后被E44填满的空隙的平均折射率nav的不同。
实施例III图4C显示根据本发明的方法所制造的薄膜样品的实验反射光谱。曲线4C1为平面CLC薄膜的反射光谱，所述薄膜为由BASF丙烯酸CLC聚合物#181(45％重量)、手性向列(53％重量)和少量的Ciba-Geigy光起始剂Irgacure184(2％重量)组成的混合物。该手性向列本身由Merck低分子量向列液晶E44和手性涂覆漆R1011(手性向列的0.7％重量)组成。薄膜的厚度为20μm，并以与前述相同的方法制造。当薄膜以UV灯光聚合化并除去其中一种基质后，反射率4A1从薄膜的“裸露”面取得。在前述讨论的内容中，材料A为BASF181聚合物，材料B为低分子量手性向列。这样可制得具有混合(A+B)的薄膜。B组成(低分子量手性向列)最终会通过以丙酮溶解而除去，产生一种仅具有组成A的类似CLC薄膜，其具有如曲线4C2所示的反射光谱。可观察到反射带的中心波长已从约734nm转移到约265nm。由于在UV光谱区域的材料吸收，处理过的薄膜的反射度降低。
空间特性的相延迟设备本发明的对齐向列薄膜可以用作相延迟设备。对于具有双折射Δn和厚度L的薄膜，其对于波长为λ的光，其相滞留为Δφ＝ΔnL/λ，通常以2π为单位表示。一种实例为四分之一波长延时设备，具有Δφ＝(2N+1/4)π，其中N为一整数。该四分之一波长滞留设备为一种光学设备，其在横切薄膜后改变圆偏振入射光成为直线偏振光，反之亦然，其中直线偏光入射光在横切后被转变成为圆偏振。相滞留Δφ强烈取决于入射光的波长λ，以致于针对λ1所“完美”或最适地设计的四分波长设备，并非是λ2的“完美”四分波长设备。在此情况下，从针对λ1所设计的四分波长设备发射的光线λ2，是被椭圆形地偏振，而非线性或圆偏振。换句话说，波长λ1和λ2≠λ1的圆偏振折射光不能同时被转化成为线性偏光光。相同地，波长λ1和λ2≠λ1的线性偏光折射光不能同时被转化成为圆偏振。假如折射光为宽波长，则问题会变得较为严重。一种零级的滞留设备(N＝0，其中N如较早四分波长设备所定义)会比高为N级的设备优选，但前者通常较为昂贵。有已知的方法可以“消色差化”或者是基本上除去波长滞留设备，例如四分之一波长圆盘在一特定范围或一组不连续的波长内的波长依赖性，然而，这些设备通常都是复杂的，且例如需要数个叠置的双折射层。
对于某些应用，例如，使用CLC滤波器的彩色显示器，显示器可区隔为空间区域，本发明的相滞留薄膜被优化到一个特定光谱带。图5A显示这样一个具有数个“棋盘”造型区域的光学设备510，其红色亚像素区域为511，绿色亚像素区域为512，蓝色亚像素区域为513。使用前述所提的方法，可以容易地制造光谱带介于λ1和λ2之间的像素波延迟薄膜，具有Δn的双折射，通过为亚像素添加一种适当的材料C，以使得ΔnL/λ12＝π/4，其中1/λ12＝(1/λ1+λ2)/2，假设在光谱带上的密度分布是均匀的。例如，可见区(400-700nm)可以区分为三个所谓主要色带RGB色次(象素的红色(R)(607-700nm)，绿色(G)(510-607nm)和蓝色(B)(400-510nm)。对于红、绿及蓝带的λ12分别为650、554和448nm。对于非均匀分布的光谱带，其一般从LCD显示器的放电管中产生，λ12可选为例如带的中间值，加权灯密度相关的分布。
空间特色的陷波滤波器设备本发明的平面胆甾醇型薄膜可以作为一种空间特色的陷波或带阻滤波器设备。经由选择性地反射入射光线的一种光谱组成，该滤波器具有中心在λc＝navP0的抑制带，带宽为Δλ＝λc(Δn/nav)和该薄膜类似硬度的圆偏振。对于某些应用，例如例如使用CLC彩色滤波器的彩色显示器，这样的滤光设备具有超越液晶显示器使用的传统吸收彩色滤波器的优点，例如在Japanese reference No.9-318807中所公开的。在这个实例中，彩色滤光薄膜分隔为空间区域，为此本发明的滤波器化至特定的光谱带。将带阻滤波器解释为通带滤波器较为方便。对于可见入射光，可方便地将滤波器分隔为三个所谓的主要色带红色通带滤波器阻止绿色及蓝色光谱组成，绿色穿透滤波器阻止红色，蓝色光谱组成，蓝色穿透滤波器阻止红色及绿色光谱组成。以图5A说明，光设备510可能具有数个“棋盘式”的区域，511区为红色穿透滤波器，512区为绿色穿透滤波器，513区为蓝色穿透滤波器。相邻的红、绿、蓝穿透滤波器组成一个像素。使用上述公开的方法，可以轻易地制造主要色彩的像素色滤光薄膜，通过加入一个适当材料C作为亚像素，使得红色穿透特滤波器具有二个子区域，一个阻碍绿色光谱组成，另一个阻碍蓝色光谱组成。图5B显示像素RGB色滤器的横截面图。红色穿透亚像素滤波器包括二个次层511G和511B，分别阻碍入射“白色圆偏振光5151”的绿色及蓝色光谱组成515RG和515RB。穿透的光线为圆偏振红色组成515TR。相同地，绿色穿透亚像素滤波器包括二个次层512R和512B，分别阻碍入射白色“圆偏振光515I的红色和蓝色光谱组成515RR和515RB。穿透的光线为圆偏振红色组成515TG。蓝色穿透亚像素滤波器由二个次层513R和513G组成，分别阻碍入射“白色”圆偏振光515I的红色和绿色光谱组成515RR和515RG。穿透的光线为圆偏振红色组成515TB。
对于本领域的普通技术人员，可以改变此滤波器的结构以达到相同的效果。例如，红色穿透滤波器可以是一单层(也就是，没有次层)，如果其抑制带足够宽至覆盖绿色和蓝色。在另一实例中，除了在薄膜的另一面添加不同材料C以外，滤波器也可制成二个层压在一起的不同层，每一层具有亚像素R-，G-及B-抑制带。
双色偏振器本发明的方法可用于制造使用向列LC作为材料A的双色偏振器。已知具有以双色染料处理的对齐向列LC的薄膜可以使用来作为吸收偏光镜，由于其较其它材料对于特定偏光的入射光有较强的吸收能力，因为染料分子在薄膜中对齐。参照图2C、2D及2E，添加材料C和/或D中的一种(例如，在图2C中的材料C以2C表示，在图2D中的材料C以2D2表示，在图2E中的材料C以2E2表示，材料D以2E3表示)是光学可吸收的。因为这种材料填满了被除去的LC所占的位点(空隙)，材料分子以模拟延长的LC分子的聚集物形式集中。通过这种方式，所添加的材料C和/或D被赋予类似LC的分子有序性。因此这些聚集物具有与LC分子类似的光学特性，也就是，它们较其它分子更强烈地吸收特定偏光的入射光，因此穿透光仅具有一种主导的偏振。本方法是有利的，因为有机双色材料的内在限制可以被除去，以产生高效能的偏光设备。例如，材料C和D可以因为其“光固着”(如双色染料那样抗漂白/分解)，宽频带(吸收材料的混合，显出组合宽频带的吸收)，宽光谱范围(与特殊双色有机染料比较，从UV到IR光谱范围内有更多吸收材料可用)和高操作温度而被选择。图6显示双色偏光器601，其横截面501显示包括材料A61和C62的结构。导向器63以箭头表示。入射光64A未偏光，穿透光64B与导向器基本上垂直偏光，因为与导向器平行偏光的光组成最终会被材料C吸收。
宽带圆偏振器依照前述Li/Faris专利的方式，利用某种胆甾型液晶混合物和聚合可以获得单层宽带圆偏振器，简言之，这样的偏光镜可以使用CLC混合物，其包括一可聚合的CLC单体和不反应的向列液晶或手性向列液晶(一种有手性掺杂剂的向列液晶)。这种向列液晶或手性向列液晶具有有限的液晶相温度范围。因此，该偏光镜具有有限的操作温度。其上限通常由向列液晶或手性向列液晶(约100℃)而不是聚合物基质(约200℃)本身而定。此外，这些向列液晶或手性向列液晶通常是热致性的，也就是，其光学性质强烈地依赖于温度。因此，使用这种混合物的偏光镜的特性对于温度为比较敏感的。
使用本发明的方法，可以克服这些缺点。在一个实例中，一种可聚合的CLC单体可以用作材料A，不反应向列液晶或手性向列液晶可作为材料B。在制造和偏光化一个对齐CLC薄膜后，材料B从薄膜中去除。符号上以(A+B)-B＝A表示。所产生的薄膜为全部可聚合的，且其类似CLC，也就是，具有波长及圆偏振选择反射。该薄膜的光学性质为在相对大的温度范围内对温度不敏感，特别是在靠近上限时。此方法的另一个优点是被除去的材料B可以再循环以供后续使用。当所需要的材料B仅可从有限的供应商取得，因此相对稀有和/或昂贵时，这是特别有利的。
通常，产生的薄膜的反射带被观察到具有较传统设备为窄的频带和较短的中心波长。这也可从前述的λc＝navP0和Δλ/λc＝Δn/nav的关系和从nav的定义，所产生的薄膜具有较小的nav(因为空隙)了解。就这一点来说，对于具有两种材料1和2的薄膜，平均折射率为各单个材料的nav的平均。因此，对于这种薄膜nav＝c1nav1+c2nav2，其中c1及c2为加权系数，其为材料1及2和可能其它材料系数的相对分数的函数。(对于材料1和2单个而言，如前面所讨论的，变量nav1和nav2等于(ne-no)/2。)如果材料B被空隙所取代，则加权平均会较小，因为空隙(空气)折射率为1(其为最小值)。
所产生的薄膜有较小的Δn(由于除去材料B以后的无效贡献)，可能也有较小的P0(由于薄膜厚度缩小)。因此，对于具有设计的反射带的圆偏振镜，需要首先制造具有较宽的频带和较长中心波长的薄膜。本领域的技术人员将认识到那些具体材料和其浓度百分率可以被选来使LC混合物最优化至所需的反射频带。所使用的具体方法步骤也可选择，也就是，一种或多种的任选方法步骤4-6也可使用，以获得所需的性质。例如，通过将空隙填充材料C，可以获得一种“致密的”(也就是，无空隙的)薄膜。这些薄膜可具有某些优点，例如更机械稳定(由于增加刚性)，且较能防潮(由于较少表面积)等。
可调谐陷波滤波器依据本发明所得到的类似CLC薄膜含有空隙，其符号为(A+B)-B＝A，其中A为一种弹性材料，因此是具有机械柔顺性的，当压力施加在薄膜表面上，材料会压缩，因此使得其螺距(及可能的平均折射率)机械性改变，因此也改变其反射频带的中心波长。
利用此效应，类似CLC薄膜可用作可调谐陷波滤波器。图7说明一种可调谐陷波滤波器的优选实施方案，使用本发明的类似CLC薄膜处理制造的结构。缺口滤波器700由一种类似CLC薄膜701组成，其夹在两层基质702及703之间。提供该基质以便于传送压力，其以在类似CLC薄膜上的箭头705表示。一种圆偏振光束7041投射在薄膜上。如果入射光线的波长在反射频带内，入射光会基本被反射。反射的光线以704R表示。如果入射光线在反射频带之外，入射光会被基本上透射。穿透光线以704T表示。(假设该类似CLC薄膜的硬度与入射光线的圆偏振状态相同)。通过在薄膜上施加压力，螺距改变且反射频带转移且变窄。因此，入射光的透射(穿透或反射)通过这个设备可以被控制)此外，这些可调谐陷波滤波器也可用作压力传感器。例如，滤光器反射带的改变可以用来测量施加在薄膜上压力的改变。本领域的技术人员应该很清楚，叠式左手式和右手式的具有相同反射频带的类似CLC薄膜，可以形成一可换向的镜子，其可反射或透射未偏振光。
光存储层已经被指出(也就是，在Hikmet/Zwerver的论文中)，当CLC薄膜的一种组成被去除时，反射频带的转变，可以用于光学数据贮存。简单地说，Hikmet和Zwerver使用一种由可聚合的单体向列材料和不反应手性掺杂剂组成的手性向列材料来制造一种具有特征反射频带的第一中心波长的对齐CLC薄膜。这种手性涂覆剂然后在高温下(约200℃)使用聚焦激光光束以热蒸发被局部地移除，产生一种反射频带，其具有第二中心波长。反射频带的改变因此可能被用来贮存代表二元状态的数字数据。
利用根据本发明所制造的CLC薄膜，资料贮存层可能具有较低的操作温度和/或较窄的反射频带，这造成更多的存储空间，当被使用多像素在一个多层结构中进行波分复用，依照Faris的美国专利第5,353,247，名称为“Optical Mass Storage System and Memory CellIncorporated Therein”和美国专利第6,005,838号和第5,838,635号(Nov.，1998)，B.Fan及S.M.Faris的名称为“Multiple Layer OpticalRecording Media and Method and System for Recording and ProducingInformation Using the Same”等中所描述的方式。以[A+B)-B]+C代表薄膜处理步骤，具体材料C可以选择为相对易挥发的(以降低蒸发温度)，以提供较为狭窄的第二反射带宽，和/或介于第一和第二中心波长的较大的变化(通过在数据记录后改变Δn和/或nav)。本领域的技术人员将认识到可选择具体材料及其百分比浓度以使得所需的反射频带的LC混合物最优化。此特定制造方法也可以被选择，也就是，使用一种或多种光学过程步骤4-6，以获得所需的性质。
现在参照图9-13c，公开了一种以定向NLO结晶制造复合NLO薄膜的方法，其克服了至少一种前述的困难。该制造方法简单并新颖。一种可聚合的基质优选含有可交联的和不反应的低分子量(LWM)向列液晶混合物。液晶分子的自序性用于排列少量的“客体”NLO分子，其均匀地溶解在基质材料中。然后，使用电场极以除去其中心对称性。本领域的技术人员知道，可以任选地使用磁场或者电晕放电。NLO性质通常较小，这是由于客体材料的有限可混性。如前面所讨论的，进一步处理该主体薄膜，可以用来加强光学非线性。薄膜中不反应的组成被除去，产生空隙，其为中间尺寸。然后这些空隙被非线性材料填充，然后其形成结晶。这些结晶为高度取向的，这是由于隐藏在聚合物基质中的种子。结晶的取向可通过场极改善。传统的热退火可以用来减少薄膜的缺陷。
图10a显示在优选用作主体的平面结构上的向列液晶(NLO)薄膜的横截面。为了说明，使用两种基质1011及1012。优选实施方案仅需要一种基质，例如，1012。NLC薄膜通常上是使用两种基质制造，其中一种为所需要的基质1012，例如，其中设置电路的硅片。在薄膜制造之后，另一种基质1011(其可以为平面玻璃板)，被除去，在所需要的基质1012上留下NLC溥膜。也可以在所需的基质上制造平面结构薄膜，例如，使用刮刀法。这些技术对于液晶领域的技术人员是已知的，因此不在此详细说明。薄膜优选含有可交联的聚合物(分子，以1013表示)和不反应的低分子量向列(以1014表示)的混合物，和少量的光敏引发剂(未显示)，通常上为数个重量百分率。可交联的聚合物与不反应性组成的重量百分比介于5至95之间。具有相当高浓度可交联聚合物的混合物会产生具有较少空隙的薄膜，其因此具有相对少的NLO材料成分和较低的NLO性质。光敏引发剂用于引发聚合物的聚合反应(交联)以提供定向NLO结晶的稳定网络。平面结构薄膜可以用多种以知技术制造。例如，与液晶接触的基质表面可以用一个薄层聚酰亚胺膜(未显示)涂敷。覆盖层被机械地“摩擦”，即使用尼龙绒。长的液晶分子沿摩擦方向进行排列。也可以不进行机械摩擦来制备取向层，例如，使用传统的光辐射适当地照射在接触表面上的适当薄的覆盖层上。可替换地，接触表面可被倾斜放置在一个薄的二氧化硅薄膜上。这些技术对液晶领域的技术人员来说是公知的，因此不作进一步的详细讨论。由于分子交互作用使“自由能”最小化，长的液晶分子基本上沿摩擦方向(即x轴)互相平行地排列。薄膜为正单轴，折射率为ne(沿x轴)和no(沿在yz平面内的任何方向)，ne＞no。有机NLO分子(表示为1015)也以与基质液晶分子平行的方向排列，这可由吸收光谱内的强烈二色性为证(将参照图12a和12b进行讨论)。
向列薄膜也可以各向同性的状态进行制备，比如在图10b中的横截面所示。该膜可由相同组分组成，如图10a所示交联聚合物1023和不反应的低分子量向列材料1024的混合物、光敏引发剂(未显示)和介于两种基质1021和1022之间的有机NLO材料1025。在各向同性状态，长的液晶分子和有机NLO分子为无规排列。膜为光学各向同性，折射率为ni＝[(ne2+2no2)/3]1/2，其中ne＞ni＞no。通过升高膜的温度到超过向列混合物的澄清温度，可得到各向同性状态。各向同性状态的LC材料具有较低的折射率，可被用作和平面区域(将在下面参照图9进行讨论)相对应的波导结构的覆盖层材料。
使用交联聚合物的优点现在变得明显了。一旦聚合化后，液晶分子的取向被永久固定。光学性质对高达玻璃化转变温度(对某些聚合物为300℃)的温度不敏感。因此利用折射率的差异(参见下面的讨论)可以在同一膜上制备平面结构和各向同性的区域以形成波导结构。
下面讨论的LC膜制备过程可用于制备NLO膜，包括在处理过的主体内嵌入NLO材料的毫微结晶。这些毫微结晶的取向可以选择，以具有与大量晶体所产生的效应相似的共同NLO效应。如上所述，难于制备适用于波导器的大量结晶膜。现在讨论随后的制备NLO薄膜的过程，其使用一种NLO材料N-(4-硝基苯基)-L-脯氨醇(NPP)作为说明的实例。图11显示了该NPP的分子结构。它具有一个沿NO2-N轴不对称的分子结构。天然形成有一种具有大电光系数的单斜晶。
在本发明中使用的混合物的非限制性例子包括一个NLC混合物，其由交联的CM428(来自BASF，Ludwigschiffen，Germany)和LMW向列E44(来自于EMI，Hawthorne，NY)组成，重量比为4∶10，并混有约1wt％光敏引发剂Irgacure 184(来自于Ciba-Geigy，Tarrytown，NY)。然后将混合物与NLO材料NPP结合(来自于Sigma/Aldrich Corp.Milwaukee，WI)。NPP在液晶混合物中具有低可混性，大约低于1wt％。然后利用上述传统技术以这种混合物制备2.5μm厚的膜。图12a和12b显示了在平面结构内(见图10a)和以各向同性状态(见图10b)掺杂NPP的NLC膜的吸收光谱。对于平面结构的在室温下固化的膜，由于客体NPP分子的取向次序，其吸收显示二色性。
与对齐层摩擦方向平行偏振的入射光吸收(以1211表示)比垂直摩擦方向的偏振光的吸收(以1212表示)强27倍。另一方面，对各向同性薄膜，其在100℃固化(大于LC混合物的澄清温度)，其吸收并未显示双色(以1221表示)。吸收与入射光的偏光状态无关，也就是，与摩擦方向平行及垂直偏振光的吸收光谱无法区分。这说明NPP分子，与液晶分子类似，是随意对齐的。
已知延长的液晶分子沿着摩擦方向彼此近似平行地自动对齐。这仅是一种长程的取向有序性，意思是液晶分子的“头”并非都指向同一个方向。假设液晶分子不沿着长分子轴对称，将分子端定义为一个箭头的“头”和“尾”。因此，分子通常并非向量对齐的，也就是，它们可能常指向相反方向。实验结果显示，客体NLO分子，虽然通常与主体液晶分子相同的纵轴对齐，但也是非向量取向的。所产生的薄膜具有中心对称性，其不适合于电光应用(也就是，施加电场使光电束进行相延迟的应用)，和其它例如光学二次谐波振荡(将入射光转化成其它具有其二倍光谱频率的光)，波长上-或下-转换(将两种不同波长f1及f2的入射光转换为第三种波长f3，f3为其和f3＝f1+f2或其差f3＝f1-f2)或参量振荡(将入射光转换成二种不同波长的输出光束)或光学整流(将入射光转换成电子)和其它非线性光学方法。提供在其中主体分子为向量对齐和NLO分子通过分子间作用为向量对齐的结构是有利的。
因此，需要向量方向的NLO分子以某种方法除去其中心对称性。用于极化NLO聚合物薄膜的电场极可以用来达到这个目的。图13a显示一种优选的极化几何。这个横截面显示一种介于基质1311及1312之间的向列液晶(NLC)薄膜。这个薄膜由可交联聚合物(分子1313)和不反应的低分子量向列(分子1314)，光起始剂(未显示)，和有机NLO材料(分子1315)的混合物组成。薄膜是平面结构，在X轴具有对齐方向。对齐是通过在基质上摩擦聚酰亚胺覆盖层(未显示)或其它前述的技术实现。为了电场极化，在基质1312上放置一对电极1316a和1316b。电极通常上为金属条，并以间隙分开。传导片可为光学半透明，例如铟锡氧化物(ITO)或不透明的(金，铝，铬或其它)。电极材料的选择与具体应用有关，基于工程考虑，包括其在光的工作波长下具有可接受的吸收损耗，并且与其被容纳的设备相容。所描绘的电极构型通常称为在平面内，也就是，电极的方向与基质1312平面平行。这些结构是有利的，因为相同电极可被使用来作为电子光学设备。
对极化而言，施加一个直流电压至两个在平面内的电极1316a和1316b。至少发生两种场极化效应。第一个效应是向列液晶分子沿着电场方向对齐，电场线以虚线表示，而不是与基体平面平行如图10A所示。液晶分子的移动性非常高。因为制造成了主体混合物具有场效应的低分子量向列。此外，在极化时薄膜温度很高，优选为接近但低于澄清温度，因此其粘稠度通常较低。第二种效应是NLO分子也会沿着液晶分子再取向，由于它们相当大的分子偶极矩，这些NLO分子也是向量对齐的，也就是，沿一个优选的方向对齐。电场强度25V/μm显然对极化已经足够。随着极化电场的施加，薄膜的温度逐渐降低至室温。然后薄膜聚合化以保存NLO分子的向量有序性。不反应组成随后被除去，正如前述图1-8所讨论的。处理过的薄膜如图13b所示，其具有空隙，有大的光电系数(由于极化后的向量对齐)和良好的暂时稳定性(在一结构有序的LC聚合物主体中)。薄膜的非线性可以通过用相同NLO材料填充不反应性LC主体材料所造成的空隙，而进一步强化。薄膜显示较强的吸收，由于在薄膜的NLO材料含量的增加。对于所讨论的薄膜样品，在400nm的吸收增加了大于1,000的系数。在空隙中的NLO材料易于形成毫微晶体，因为NLO分子远较不反应性LC分子为小。这些NLO分子在空隙中聚集在一起，易于在其中形成结晶。这些结晶可通过使用在聚合基质中剩余的NLO分子为籽晶，而成为向量对齐的。场极化也可以用来改善结晶的向量取向。这可以通过在电极中使用直流电场完成，如图13c所示。在其形成之时(当溶剂蒸发时，如果是使用溶液来填充空隙)，将NLO结晶取向是有利的。在温度循环时通过施加极化电场来改善微晶体也是有利的。由于取向微晶体之间的交互作用，这些处理薄膜的NLO性质非常高，且能接近本体有机晶体的NLO性质。
上述教导使用NPP作为说明实例。实际上任何其它可以形成晶体的NLO有机材料，都是适合的。不管它们其是目前可取得的或者是将来可以合成的。例如以下是可以组成NLO薄膜的有机化合物的部分实例4-N，N-二甲基氨基-4’N’-甲基-茋偶氮鎓甲苯磺酸盐(DAST)、2-甲基-4-硝基苯胺(MNA)、2-胺基-5-硝基吡啶(2A5NP)、对-氯化苯尿素(PCPU)、4-(N，N-二甲基氨基)-3-乙酰胺基硝基苯(DAN)、N-(5-硝基-2-吡啶基)-(S)-苯基丙胺醇(NPPA)、3-乙酰胺-4-甲氧基-N-(4-硝基苯亚甲基)苯胺(MNBA)、4’-硝基苯亚甲基-3-乙酰胺-4-甲氧基-苯胺(MNBA)、4-硝基-4’-甲基苯甲亚基苯胺(MNBA)、4-氨基苯并phynel、L-精氨酸二氢磷酸盐(LAP)、3-甲基-4-甲氧基-4’-硝基芪(MMONS)、甲基-(2，4-二硝基苯)-氨基丙酸盐(MAP)、2-环辛基氨基-5-硝基吡啶(COANP)、3-甲基-4-硝基-吡啶-1-氧化物(POM)、二甲基-氨基氰苯(DMACB)、N-(5-硝基-2-吡啶基)-(S)-苯基丙胺醇(NPPA)、3，5-二甲基-1-(4-硝基苯基)-吡唑(DMNP)、3，5-二甲基-1-(4-硝基苯基)-1，2，4-三唑(DMNT)、(-)2-(α-甲基苯基氨基)-5-硝基吡啶(MBANP)、2-金刚烷基氨基-5-硝基吡啶(AANP)、(-)-4-(4’-二甲基氨基苯基)-3-(2’-羟丙基氨基)环丁烯-1，2-二酮(DAD)、1-(2-噻嗯基)-1-(4-甲苯基)丙烯-1-酮(T-17)、3-(4-二甲基-氨基苯基)-1-(4-氰苯基)-苯基)-2-丙烯-1-酮(DACC)、4-溴-4’-甲氧-查耳酮(BMC)和4-甲氧基-4’-乙氧基查耳酮(MEC)。
如果可以制造光波导设备，复合NLO薄膜会更有用。光波导器为一种电介质结构，以使得光传播可以被限制。这些波导的实例包括传统光学纤维。通常上，导向核心，其具有最多的光能被限制在其中，具有比周围环境高的折射率。正如前面所讨论的，平面薄膜(也就是，核心)是光学单轴，其具有折射率ne(沿着对齐方向)及no。各向同性薄膜(也就是，覆盖层)具有折射率ni，以使得ne＞ni＞no。为形成光导结构，核心优选为在平面结构的材料，其具有较高折射率ne(因为光沿着液晶对齐方向偏振)，而覆盖层应该由各向同性状态的且具有较低的折射率ni的材料组成。这样的构型可以经由光掩膜的UV照射或者直射激光光束纪录得到。作为一个说明实例，图9显示一种横向电(TE)输入的信道波导。(本领域的技术人员知道TE是一种传播模式的分类，通常用在波导理论中。TE模式是指那些在xz平面具有电场的模式，而TM是指那些在xz平面具有磁场的模式。)脊形和信道波导结构可以很容易使用标准平版印刷方法制造。简单地说，一种分子沿着x轴方向对齐的平面结构薄膜在基体912上制造，窄条(或条状)914聚合化以提供光导。然后将薄膜剩下的未聚合部份聚合形成覆盖层或分布在各向同性状态上的周围区域913，通过提高薄膜的温度至高于所谓“澄清温度”。本领域技术人员知道“澄清温度”是指在该温度下液晶混合物呈液相，其通常介于50-200℃。可以实施其它的处理，也就是在上述聚合化步骤中，使用嵌入的电极915a和915b来极化，和/或如上述与图13相关的讨论所述。
或者，周围的带状914的未聚合材料可以被除去以形成脊形波导(在此情况下，覆盖层由空气和基体组成)，或可以另一种材料作为覆盖层来填充。除去未聚合液晶可使用适当的溶剂例如丙酮实现。其它适当的覆盖层材料可广泛取得，一种实例为UV可固化树脂。这种方法的一个优点是覆盖层的折射率可小于核心的折射率，也就是ni＜ne和ni＜no，因此可支持TE及TM两种模式。通过向不同方向摩擦，不平行的波导可在相同基体上制造。需注意的是，所描述的摩擦技术是说明性的。在液晶显示器(LCD)工业的许多已知技术可以被用于这个目的。例如，偏振光可以用来对齐向列LC晶胞，提供直接记录波导设备的能力。任选地，一种光学覆盖层也可以加在波导结构之上，以防止环境影响或进行模式控制(也就是，通过控制核心及覆盖层折射率的差)或者加在多层波导结构(具有作为底层或上层的中间层)上。很清楚NLO薄膜可以在任何基体上制造，包括具有电子设备的硅片。这使得电子驱动电路和电子光学设备可以整合。
总而言之，本发明所公开的复合NLO薄膜具有以下超越现有技术的显著优点·大的非线性，其缘于薄膜内所嵌入的高性能NLO材料的取向微晶体；·快速切换速度，其源于使用加入在其中的NLO有机材料；·高的热稳定性和长的时间稳定性，其源于聚合物主体；和·使用传统技术制造低损耗波导设备的可能性，其源于可交联的液晶可聚合主体材料的特性。
上面的叙述主要是为了说明。虽然本发明已经以其典型实施方案显示并描述，本领域的技术人员应该了解的是，对前述内容可进行各种关于其形式或细节的变化、删减、和增添，而不会脱离本发明的精神及范围。
权利要求
1.一种有序光学薄膜结构，其是以下列步骤所制造(a)提供第一种材料和第二种材料，这两者基本上彼此不反应，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种为液晶；(b)组合第一种材料和第二种材料以形成一个混合物；(c)以该混合物制造出一个薄膜，该薄膜具有液晶所界定的分子有序性；(d)固定该薄膜的分子有序性；(e)移除所述第一种材料和第二种材料中的一种，以形成一个基质，该基质具有多个散布在其中的位点，和一种液晶分子有序性；和(f)在所述多个位点处导入第三种材料，此第三种材料为一种非线性光学(NLO)材料。
2.如权利要求1的薄膜结构，其中所述NLO材料包含一种能形成结晶的材料，其产生一种与电磁辐射输入不成比例的反应输出。
3.如权利要求2的薄膜结构，其中所述NLO材料选自以下材料4-N，N-二甲基氨基-4’N’-甲基-芪偶氮鎓甲苯磺酸盐(DAST)、2-甲基-4-硝基苯胺(MNA)、2-胺基-5-硝基吡啶(2A5NP)、对-氯化苯尿素(PCPU)、4-(N，N-二甲基氨基)-3-乙酰胺基硝基苯(DAN)、N-(5-硝基-2-吡啶基)-(S)-苯基丙胺醇(NPPA)、3-乙酰胺-4-甲氧基-N-(4-硝基苯亚甲基)苯胺(MNBA)、4’-硝基苯亚甲基-3-乙酰胺-4-甲氧基-苯胺(MNBA)、4-硝基-4’-甲基苯甲亚基苯胺(MNBA)、4-氨基苯并phynel、L-精氨酸二氢磷酸盐(LAP)、3-甲基-4-甲氧基-4’-硝基芪(MMONS)、甲基-(2，4-二硝基苯)-氨基丙酸盐(MAP)、2-环辛基氨基-5-硝基吡啶(COANP)、3-甲基-4-硝基-吡啶-1-氧化物(POM)、二甲基-氨基氰苯(DMACB)、N-(5-硝基-2-吡啶基)-(S)-苯基丙胺醇(NPPA)、3，5-二甲基-1-(4-硝基苯基)-吡唑(DMNP)、3，5-二甲基-1-(4-硝基苯基)-1，2，4-三唑(DMNT)、(-)2-(α-甲基苯基氨基)-5-硝基吡啶(MBANP)、2-金刚烷基氨基-5-硝基吡啶(AANP)、(-)-4-(4’-二甲基氨基苯基)-3-(2’-羟丙基氨基)环丁烯-1，2-二酮(DAD)、1-(2-噻嗯基)-1-(4-甲苯基)丙烯-1-酮(T-17)、3-(4-二甲基-氨基苯基)-1-(4-氰苯基)-苯基)-2-丙烯-1-酮(DACC)、4-溴-4’-甲氧-查耳酮(BMC)和4-甲氧基-4’-乙氧基查耳酮(MEC)。
4.如权利要求1的薄膜结构，其在所述固定步骤(d)期间进一步包括一个将电磁场施加在薄膜上的步骤，以使薄膜分子定向。
5.如权利要求4的薄膜结构，其在所述导入步骤(f)期间进一步包括一个将电磁场施加在薄膜上的步骤。
6.如权利要求1的薄膜结构，其中所述组合步骤(b)进一步包括在第一种及第二种材料中添加NLO材料。
7.如权利要求1的薄膜结构，其进一步包括使NLO材料结晶的步骤。
8.如权利要求1的薄膜结构，其中所述基质含有液晶，且具有液晶分子有序性。
9.如权利要求1的薄膜结构，其中所述基质含有非液晶，并且多个位点具有液晶分子有序性。
10.如权利要求9的薄膜结构，其中所述第三种材料具有液晶分子有序性。
11.如权利要求1的薄膜结构，其中所述固定步骤(d)进一步包括改变薄膜的温度。
12.如权利要求1的薄膜结构，其中所述第一种材料与第二种材料中的至少一种具有可聚合性，且所述固定步骤(d)进一步包括将所述混合物聚合。
13.如权利要求1的薄膜结构，其中所述液晶包括向列液晶，且该薄膜结构具有提供光学双折射的有序性。
14.如权利要求1的薄膜结构，其中所述液晶含有向列液晶，且该薄膜结构具有提供相转变透射率的有序性。
15.如权利要求1的薄膜结构，其中所述第三种材料被固定。
16.如权利要求15的薄膜结构，其中第三种材料为可聚合的，且以聚合化来固定。
17.如权利要求16的薄膜结构，其进一步含有步骤(g)以移除所述第一种材料和第二种材料中的一种，以提供散布在薄膜结构中的第二系列的位点。
18.如权利要求17的薄膜结构，其进一步含有步骤(h)添加第四种材料至散布在薄膜结构的第二系列的位点。
19.如权利要求18的薄膜结构，其中所述第四种材料为具有液晶分子有序性的非液晶。
20.如权利要求1的薄膜结构，其中所述基质进一步含有多个以相隔关系沿薄膜平面分布的区域，所述多个区域中的至少两个具有彼此独立的光学性质。
21.如权利要求20的薄膜结构，其中所述多个区域中的每一个均被用来传导在一个特征波长和极性内的光。
22.一种有序光学薄膜结构，其包含有一种基体；一种设置在所述基体上的材料；所述材料是一种非线性光学(NLO)材料，其具有液晶分子有序性。
23.如权利要求22的有序光学薄膜结构，其中所述液晶分子有序性进一步包括具有相转变透射率的向列有序性。
24.如权利要求22的有序光学薄膜结构，其中所述分子有序性进一步包括分散在所述材料分子间的多个位点。
25.如权利要求24的有序光学薄膜结构，进一步含有分散在所述多个位点中的第二种材料。
26.如权利要求25的有序光学薄膜结构，其中所述第二种材料选自向列液晶、液晶、非液晶和它们的混合物。
27.一种有序光学薄膜结构，以下列步骤制造(a)提供液晶、非液晶与非线性光学材料(NLO)，它们基本上彼此不反应；(b)将液晶与非液晶和NLO材料组合，以形成一个混合物；(c)以该混合物制成一个薄膜，该薄膜具有该液晶所界定的分子有序性；(d)在薄膜上施加电磁场，以将薄膜的分子加以定向；(e)在实施所述施加步骤(d)时，固定该薄膜的分子有序性；(f)移除液晶和非液晶中的一种，以形成一个基质，该基质具有多个散布在其中的位点，和一种液晶分子有序性；和(g)在该多个位点中导入非线性光学(NLO)材料。
28.如权利要求27的薄膜结构，其在所述导入步骤(g)中进一步包括在薄膜上施加电磁场的步骤。
29.如权利要求27的薄膜结构，其中所述移除步骤(f)包括移除非液晶的步骤，其中所述基质含有液晶和液晶分子有序性。
30.如权利要求27的薄膜结构，其中所述移除步骤(f)包括移除液晶的步骤，其中该多个位点具有一种液晶分子有序性。
31.如权利要求27的薄膜结构，其中该NLO材料具有一液晶分子有序性。
32.如权利要求27的薄膜结构，其被设置于一个基体上。
33.如权利要求32的薄膜结构，其中所述基体包含一硅片。
34.如权利要求33的薄膜结构，其中所述基体含有结合于其中的电子部件。
35.如权利要求34的薄膜结构，其中所述电子部件包括电极。
36.如权利要求27的薄膜结构，其被设置于一对基体之间。
37.如权利要求27的有序光学薄膜结构，其包含一个光波导器。
38.如权利要求27的薄膜结构，其包含一个与覆盖层材料相邻的核心，所述覆盖层材料为光学各向同性，且具有低于该核心的折射率的折射率。
39.如权利要求38的薄膜结构，其中所述核心的分子沿一个轴向延伸，所述核心具有沿着该轴向偏振的折射率ne，和与该轴向正交偏振的折射率no，所述覆盖层材料具有折射率ni，其中ne＞ni＞no。
40.如权利要求39的薄膜结构，其以石印术制造。
41.如权利要求40的薄膜结构，其是经由一个光掩膜暴露于UV下而形成。
42.如权利要求39的薄膜结构，其是以直射激光光束记录而形成。
43.如权利要求39的薄膜结构，以下列步骤制造(h)实施所述步骤(a)至(g)，以形成所述核心；(i)加热所述核心至超过其澄清温度(j)在该核心的附近施加一种覆盖层材料和(k)聚合该覆盖层材料，以形成所述覆盖层。
44.如权利要求27的薄膜结构，其中施加电磁场，以对通过其中的光束实现相延迟。
45.如权利要求27的薄膜结构，其含有光谱转化器。
46.如权利要求45的薄膜结构，其含有光谐波发生器，从其中所发出的光线的光谱频率是入射光的谐波。
47.如权利要求27的薄膜结构，其包含第二谐波发生器。
48.如权利要求27的薄膜结构，其含有一个波长转换器，在其中多种不同波长的入射光被转换成另一种波长，该波长为所述多种不同波长的和或差。
49.如权利要求27的薄膜结构，其包含有一个参量振荡器，在其中频率为f1的入射光转换为具有频率为f2和f3的输出，其中f1＝f2+f3。
50.如权利要求27的薄膜结构，其包含有光学整流器，其中所述入射光被转换成电输出。
全文摘要
提供了一种用于制备复合非线性光学(NLO)有机薄膜的方法，所述薄膜适合在NLO装置应用领域中使用。这些薄膜的高NLO性质来自于在自排序的毫微结构的液晶“主体”薄膜内的“客体”NLO分子的矢量排列。场极化用于除去中心对称。“客体”浓度由于薄膜处理而增加，从而形成定向非线性毫微结构以增加非线性。基于这些薄膜的NLO装置的成本低，且允许以压缩装置形式进行快速转换。
文档编号H01S3/17GK1636164SQ01816180
公开日2005年7月6日 申请日期2001年7月20日 优先权日2000年7月24日
发明者方佈生, 许将军 申请人:瑞威欧公司