制备非线性光学有机结晶膜的方法技术

提供了用于制备非线性光学（ＮＬＯ）膜以及由此制备的ＮＬＯ膜结构的方法。该方法包括在一个基片的至少一个表面上沉积一种定向层材料，以基本上单轴方向排列该定向层的分子，以及在该定向层材料上沉积一个ＮＬＯ膜。这些方法是有利的，因为它们生产具有相对较强ＮＬＯ特性的ＮＬＯ膜。这些方法可能是更有利的，因为它们相对简单且可应用于许多有机ＮＬＯ材料。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有机结晶膜，更具体地说，涉及用于非线性光学领域的有机结晶膜。
技术介绍
增加带宽已成为现代通讯系统日益迫切的需求。随着光纤取代电缆，WDM与DWDM技术被用于开发可用的光纤带宽的较大分段。同时，在许多应用区域中，包交换信号结构正逐渐取代TDM技术。然而，尽管花费了可观的财力来扩展带宽，一个明显的瓶颈仍然存在一交换节点(互联)硬件。目前的互联装置通常要求数据首先转换为一个电信号，路由至正确的输出端，接着再转换为一个光信号。这种光电介面有其隐忧，且基本上降低了系统的总带宽。全光学(即无光电转换)交换技术利用MEMS(微电机械系统)或极化作用为基础的技术可维持光纤的带宽，但是易导致交换较慢，有限制其应用性的隐忧。非线性光学(NLO)材料提供快速的交换速度。然而，要求在克服与目前的NLO材料相关的缺点的同时提高性能。例如，使用无机NLO结晶例如经钛扩散的铌酸锂(TiLiNbO3)的装置由于较差的NLO性质而具有较差的性能。此外，时间与温度的稳定性以及辐射灵敏度为公知的问题。另外，这些传统的无机结晶装置直接与电子仪器结合是相当困难的。以极化有机聚合物薄膜为基础的NLO装置是一个可行的解决办法，因为这些有机材料为低成本且容易加工。很多非线性有机材料已被合成且定性，使用这些材料的装置已被展示。然而这些极化聚合物容易有下列缺点二阶磁化率小、光学损伤阈值低、散射损失高、且温度与时间稳定性有限。因此，尽管有机材料具有内在的优点，极化的NLO聚合物在发展上仍需要突破以达到实用性。利用薄膜有机物同时可能克服这些限制的方法是使用NLO有机结晶膜，它们易于具有非常高的光学非线性、较高的损伤阈值、及低散射损失等等。Hattori等人在美国专利5,385,116中探讨了用于制备有机结晶膜的各种技术。然而，用于实用装置的明显制备问题仍然存在。到目前为止，除非解决这些问题，否则这些具有良好的固有特点的有机NLO结晶材料将可能实现不了其潜在优点。因此需要一种改进的光学薄膜，它具有较强的非线性光学效果，同时克服了薄膜装置的缺点。专利技术概述本专利技术的一方面包括一种用于制备结晶的非线性光学(NLO)薄膜的方法。该方法包括提供一个基片、一种包括长形聚合分子的定向层材料和至少一种NLO材料。该方法进一步包括在该基片的至少一个表面上沉积一个薄层的该定向层材料、以基本上单轴方向排列该定向材料的分子以及在该定向层材料上沉积一层的至少一种NLO材料。另一方面，本专利技术包括由本段文章所述的方法制备的薄膜结构。另一方面，本专利技术包括一种用于制备结晶的NLO薄膜的方法，该方法包括提供一个基片、一种包括长形聚合分子的定向层材料和至少一种NLO材料。该方法另外包括在该基片的至少一个表面上沉积一个薄层的该定向层材料、以基本上单轴方向排列该定向层材料的分子、在该定向层材料上沉积至少一种NLO材料的一种材料的一个籽晶层和在该籽晶层上沉积另一层的至少一种NLO材料中的一种材料。另一方面，本专利技术包括由本段文章所述方法制备的NLO薄膜结构。附图说明图1为本专利技术的方法的一个具体实施方案的流程图；图2为包括由图1的方法所生产的结晶NLO材料的薄膜结构的示意图；图3为包括由图1的方法所生产的结晶NLO材料的另一薄膜结构的示意图；图4为本专利技术的方法的另一个具体实施方案的流程图；图5为包括由图3的方法所生产的结晶NLO材料的薄膜结构的示意图；图6为由本专利技术的方法所生产的结晶NLO材料的相对透射率相对于波长的坐标图；以及图7为NPP分子结构的示意图，NPP分子适于作为图1与图3的方法的NLO材料。附图标号说明10 制造一种结晶的62 纵轴NLO材料的方法 64 横轴10’本专利技术的另一种方法66 相对透射率12 步骤 67 平行于该磨察方向14 步骤 68 垂直于该磨察方向16 步骤 400 NLO结晶结构18 步骤 420 基片18A 步骤 440 定向层18B 步骤 460A NLO结晶40 NLO膜结构 460B NLO结晶42 基片 461 装置44 定向层AA轴46 结晶NLO膜 BB轴专利技术详述本专利技术包括一种用于以一个预定的结晶方向生产结晶的有机非线性光学(NLO)薄膜的方法。简单地说，该方法包括在一个如玻璃的基片上沉积一种定向层材料。然后以单轴方向排列这些定向层分子。接着将一种NLO材料沉积于该定向层上，产生结晶的NLO膜，这些膜的分子与该定向层的分子排列。本专利技术的方法也可用于产生许多在NLO应用方面的结晶NLO材料，这些应用包括如下所进一步详述的光电应用。本专利技术的潜在优点在于制备了一种具有较强的NLO性质的NLO膜。本专利技术另一个优点在于它比较简单，且可应用于许多有机NLO材料。参照图1，说明一种用于制备结晶的NLO材料的方法10的流程图。步骤12提供了一个基片、一种定向层材料和至少一种NLO材料。该定向层材料在步骤14沉积于该基片上，且在处理步骤16以基本上单轴方向排列这些长形分子。接着该NLO材料在步骤18沉积至该定向层上。现在参照图2，说明由方法10所制备的NLO膜结构40，如图示，结构40包括与基片42叠置的结晶NLO膜46。定向层44插入其中。这些定向层44的长形分子(未表示)在步骤16(图1)处理后基本上为彼此平行(例如与A轴平行)。这些易于伸长的NLO分子进一步与该定向层的分子排列。使NLO分子与定向层分子排列的机制并未被完全了解，但可能包括分子的互相影响，使得介于两种材料间的介面(如介于层44与层46间的介面)的“自由能”最小化。这些NLO分子的排列造成膜46的结构具有如下进一步详述的较强的NLO性质。基片42基本上可包括任何材料。一般所需的基片材料包括熔融石英、玻璃、硅、砷化镓、碱卤化物、塑性材料、丙烯酸、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)等等。对于结晶NLO膜46用作光学元件的应用领域，通常希望使用基本上光学透明的材料，例如玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)等等。玻璃为优选的基片材料，因为其折射指数可在广泛的范围内调整。例如在用该NLO结晶膜制造波导管时，可使用一个折射指数低于NLO膜的玻璃基片。硅(Si)和砷化镓(GaAs)也是优选的基片材料，因为它们可让光学装置利用本专利技术的NLO结晶膜与半导体电子装置结合。定向层44可包括基本上任何具有长形分子的定向层材料(例如聚合材料)，这些长形分子可以以基本上单轴方向排列。聚酰亚铵为优选的定向层材料的一个例子。聚乙烯醇(PVA)为另一种优选定向层材料。在一个实施例中，基片的一个表面可用一个薄聚酰亚铵膜涂布。接着该定向层44以步骤16处理，例如以尼龙绒或其它刷状工具机械“磨擦”，使得能以一个较优的方向排列这些定向层分子。也可以不需机械磨擦来处理定向层，如使用常规的光学辐射适当的照射在该接触表面的一个合适的薄涂层上。例如极化光，可与该定向层分子交互作用，导致其完全或部分与该入射光的极化方向排列。该定向层材料用任何已知的薄膜沉积技术沉积于该基片42上，例如旋转涂敷、汽相沉积、溶剂蒸发等。NLO层46可包括基本上任何目前可得的或将来被合成的具有非线性光学性质和形成结晶的有机材料。例如，下列为可用作NLO膜的有机化合物的部分列表N-(4-硝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备结晶的非线性光学膜的方法，所述方法包括：提供一个基片、一种包括长形聚合分子的定向层材料和至少一种非线性光学材料；沉积一个薄层的所述定向层材料于所述基片的至少一个表面上；以基本上单轴方向排列所述定向材料的分子；以及 在所述定向层材料上沉积一层的所述至少一种非线性光学材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：许将军，方佈生，
申请(专利权)人：瑞威欧公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]