DE60022081T2

DE60022081T2 - Nichtlineare optische körper und vorrichtungen

Info

Publication number: DE60022081T2
Application number: DE60022081T
Authority: DE
Inventors: Gary Malvern Cook
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: US20020181072A1; WO2001040860A1; EP1236072B1; US7672036B2; GB9928473D0; ATE302430T1; DE60022081D1; JP2003515792A; AU1538601A; EP1236072A1

Description

Die Erfindung betrifft nichtlineare optische Gegenstände und Vorrichtungen und insbesondere photorefraktive Vorrichtungen und Verfahren, die sich auf photorefraktive Materialien beziehen.
Unter photorefraktiven Materialien versteht man Materialien, deren Brechungsindex sich mit dem Gradienten der Lichtintensitätsänderung im Material verändert. Solche Materialien sind üblicherweise Kristalle, es kann sich aber auch um Polymere oder Flüssigkristalle handeln.
Nichtlineare Optiken sind von Lasersystemen bis zur Datenspeicherung für viele Anwendungen äußerst wichtig. Viele dieser Anwendungen beruhen auf den nichtlinearen optischen Eigenschaften einkristalliner Materialien. Viele dieser Materialien können leider nur sehr schwer erfolgreich in für die angestrebten Anwendungen ausreichend großen Abmessungen gezogen werden. Hierdurch wird die Brauchbarkeit einer großen Anzahl nichtlinearer optischer Kristalle stark beschränkt.
In der Druckschrift US 4986635 wird ein optischer Filter beschrieben, in dem eine Vielzahl von Mikrosphären zur Ausbildung einer kristallinen Anordnung in einem sie einbettenden transparenten optischen Medium angeordnet sind. Ein Bestrahlen mit einer kohärenten Strahlung führt zu einer Fehlanpassung der Brechungsindices zwischen den Mikrosphären und dem optischen Medium, die zu einer Bragg-Beugung der eingestrahlten kohärenten Strahlung an den Ebenen der kristallinen Anordnung führt. In US 5173811 wird eine op tische Abschirmung aus in einem organischen Bindemittel dispergierten, kolloidalen Kieselsäurepartikeln mit einer Größe unterhalb von 500 nm beschrieben, die ein Substrat ausbildet, das kohärentes (z.B. Laser-) Licht streut. Die zweiteilige Form der unabhängigen Ansprüche basiert auf dem vorangehenden Dokument.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dem oben angegebene Problem abzuhelfen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt umfasst die Erfindung einen für sichtbares Licht verwendbaren optischen Gegenstand, der bei Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich nichtlineare optische Eigenschaften aufweist und der mit einem Kopplungsmaterial optisch gekoppelte Regionen oder Partikel eines ersten Materials umfasst, wobei das erste Material ein nichtlineares optisches Material einschließt, das Kopplungsmaterial bei Lichtwellenlängen im sichtbaren Bereich im Wesentlichen transparent ist und die Regionen oder Partikel des ersten Materials eine Ausdehnung im Bereich von 1 μm bis 5 μm besitzen und groß genug sind, um, wenn kohärentes Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich innerhalb der Partikel interferiert, innerhalb eines jeden Partikels ein Beugungsmuster aus Regionen mit unterschiedlichen Brechungsindices zu begründen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Regionen oder Partikel des ersten Materials in dem optischen Gegenstand im Wesentlichen statistisch verteilt sind.
Hierdurch ergibt sich kein großer Einkristall, sondern stattdessen ein Gegenstand mit kleineren gekoppelten nichtlinearen optischen Regi onen (oder Kristallen). Das Kopplungsmaterial besteht vorzugsweise aus einem optisch linearen Material.
Der Brechungsindex des ersten Materials ist vorzugsweise, am besten auf mindestens 1, 2, 3, 4 oder mehr Dezimalstellen genau, an den des Kopplungsmaterials angepasst. Die Brechungsindices können über einen optischen Wellenlängenbereich angepasst sein. Sie können über einen Bereich von 400 bis 750 nm angepasst sein.
Das erste Material umfasst ein photorefraktives Material.
Das erste Material kann vorzugsweise dotiertes, insbesondere Eisendotiertes Lithiumniobat (LiNbO_3,) vorzugsweise dotiertes Lithiumtantalat, Kaliumlithiumniobat (dotiert oder undotiert), vorzugsweise dotiertes Kaliumniobat, Eisenmagnesiumniobat (dotiert oder undotiert), Bariumtitanat, Strontiumbariumtitanat, Strontiumbariumniobat, Kaliumnatriumbariumniobat oder dergleichen umfassen. Das erste Material umfasst vorzugsweise ein photorefraktives Material, das eine beachtliche Spannung über einem Partikel des Materials erzeugen kann. Bei dem ersten Material kann es sich um ein photovoltaisches, piezoelektrisches (Spannungserzeugung mittels Verformung) oder ein pyroelektrisches (wärmeinduzierte Spannungserzeugung) Material handeln.
Vorzugsweise liegt das erste Material in Form fester Partikel vor, aber nicht feste, z. B. flüssige Regionen, können eine Alternative darstellen. Der Gegenstand ist vorzugsweise selbsttragend und vorzugsweise fest, am besten starr ausgebildet.
Die Partikel oder Regionen des ersten Materials umfassen jeweils vorzugsweise einen Einkristall, vorzugsweise mit einer Einkristalldomäne. Die Partikel können mehr als eine Domäne aufweisen, wobei in diesem Fall Partikel mit einer kleinen Anzahl von Domänen, insbesondere einer ungeraden Anzahl, bevorzugt werden. Die Partikel oder Regionen sind vorzugsweise uniaxial, können aber auch aus biaxialem kristallinem Material bestehen.
Das Kopplungsmaterial umfasst vorzugsweise ein Glas oder Polymer, das bei der Wellenlänge, für die der Gegenstand verwendet wird, transparent ist.
In dem Gegenstand befinden sich vorzugsweise mehrere Zehn, Hunderte, Tausende oder Zehntausende, Hunderte von Tausenden oder mehr der Regionen oder Partikel aus dem ersten Material. In dem Gegenstand sind die Regionen oder Partikel in etwa statistisch verteilt. Die Regionen oder Partikel sind vorzugsweise in etwa in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet, oder zumindest ist eine wesentliche Anzahl benachbarter Partikel oder Regionen in etwa in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet (sie können aber auch statistisch verteilt ausgerichtet sein).
Die Regionen oder Partikel können länglich ausgebildet sein. Der Gegenstand kann länglich ausgebildet sein. Die Partikel oder Bereiche können entlang der Längsrichtung des Gegenstands orientiert sein, sie können aber auch in eine Richtung mit einem Winkel schräg zur Längsrichtung des Gegenstands (z. B. möglicherweise ungefähr 45° oder in etwa senkrecht dazu) ausgerichtet sein. Der Gegenstand kann eine Faser oder ein Filament umfassen. Alternativ hierzu kann der Gegenstand eine dreidimensionale Form, wie zum Beispiel eine geometrische Form, oder eine Schicht oder Beschichtung umfassen. Das Längen- zu Breitenverhältnis der Partikel kann in etwa 1:1, 4:3, 3:2, 2:1, 4:1, 8:1, 16:1, 32:1, 100:1, 200:1 oder mehr betragen, oder irgendeinen Bereich, der innerhalb der zuvor genannten Grenzen festgelegt ist.
Die Länge der Partikel oder Bereiche ist ausreichend, um innerhalb eines jeden Partikels ein Beugungsmuster aus Regionen unterschiedlicher Brechungsindices zu schaffen.
Die Partikel eignen sich insbesondere, um auf sie ein Drehmoment auszuüben. Das Drehmoment kann dadurch ereicht werden, dass die Partikel einen elektromagnetischen Dipol besitzen oder zu besitzen geeignet sind.
Die Partikel oder Regionen können zigarrenförmig (elliptisch), zylinderförmig, kugelförmig, rhomboid, rechteckförmig oder allgemein würfelförmig ausgebildet sein. Die Partikel sind vorzugsweise als Festkörper und insbesondere kristallin ausgebildet, aber auch einige Polymerpartikel, wie beispielsweise Flüssigkristall-"Partikel" oder -Regionen können geeignete Eigenschaften aufweisen.
Die Partikel oder Regionen können eine maximale Abmessung in der Größenordnung eines Mikrometers aufweisen und sind 1 – 5 μm lang. Die Partikel können 1 – 3 μm lang sein. Die Größe eines Partikels kann durch seine größte Abmessung gegeben sein.
Falls erforderlich, kann die Anzahl der Domänen in einem Partikel reduziert werden, indem er bei angelegtem elektrischem Feld auf oberhalb der Curie-Temperatur des Materials erhitzt wird und dann wieder abkühlen gelassen wird. Die Partikel werden vorzugsweise jedoch ausreichend klein gehalten, um die Ausbildung eines Unidomänen-Partikels energetisch zu begünstigten. Es wird angenommen, dass es einen Überschneidungsbereich bezüglich dem Erfordernis nach Partikeln gibt, die groß genug sind, um (bei der verwendeten Wellenlänge, typischerweise einer optischen Wellenlänge) für das Auftreten nichtlinearer optischer Effekte geeignete Streifenübergänge zu erhalten, aber auch klein genug sind, um Unidomänen-Kristalle zu begünstigen. Es wird angenommen, dass, wenn die Partikel in der Größenordung von zum Beispiel 1 – 3μm liegen, die Streifenübergänge λ/2n betragen, wobei n typischerweise in etwa 2 beträgt; bei einer optischen Wellenlänge von zum Beispiel 400 nm erhält man hier einen Streifenabstand von etwa 100 nm, sodass in einen Partikel ungefähr zehn Streifenübergänge passen. Es wird angenommen, dass Partikel in der Größenordnung von 1 – 3 oder 1 – 5μm eher Unidomänen-Kristalle ausbilden.
Der Gegenstand kann eine oder mehrere erste, ausgerichtete Zonen aufweisen, in denen die Partikel oder Regionen im Wesentlichen kollektiv miteinander ausgerichtet sind und eine oder mehr zweite Zonen, wobei die Partikel in den zweiten Zonen nicht kollektiv mit den Partikeln der ersten Zone(n) ausgerichtet sind. Der Gegenstand weist vorzugsweise eine Vielzahl erster Zonen auf, wobei die Partikel in jeder ersten Zone kollektiv in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind, und vorzugsweise eine Vielzahl zwischen den ersten Zonen angeordneten zweiten Zonen, wobei die Partikel in den zweiten Zonen nicht kollektiv in Ausrichtung der ersten Zone orientiert sind. Die ersten Zonen können in regelmäßigen Abständen angeordnet sein. Die zweiten Zonen können Partikel ohne besondere Ausrichtung aufweisen, die Partikel der zweiten Zonen können aber auch im Wesentlichen in einer für eine spezielle zweite Zone gemeinsame Richtung ausgerichtet sein. Die Partikel einer jeden zweiten Zone können in einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet sein. Der Gegenstand kann periodisch angeordnete erste Zonen, in denen die Partikel in eine gemeinsame erste Richtung orientiert sind, und periodisch angeordnete zweite Zonen, in denen die Partikel in eine gemeinsame zweite Richtung orientiert sind, aufweisen, wobei sich in dem Gegenstand die ersten mit den zweiten Zonen abwechseln.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt umfasst die Erfindung ein Verfahren, um einen Gegenstand anzugeben oder herzustellen, der bei Verwendung von kohärentem Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich nichtlineare optische Eigenschaften aufweist, wobei das Verfahren umfasst, eine Vielzahl von Partikeln oder Regionen aus optisch nichtlinearem Material bereitzustellen und die Partikel mit einem optischen Kopplungsmaterial zu koppeln, das bei Licht im sichtbaren Lichtwellenlängenbereich im Wesentlichen transparent ist, wobei die Regionen oder Partikel eine Abmessung im Bereich von 1 bis 5 μm aufweisen, um, wenn das kohärente Licht im sichtbaren Bereich innerhalb des Partikels interferiert, ein Beugungsmuster von Regionen mit unterschiedlichen Brechungsindices innerhalb des Partikels auszubilden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Regionen oder Partikel (44) im Wesentlichen statistisch in dem Gegenstand verteilt sind.
Das Verfahren umfasst somit ein Verfahren zum Erstellen eines photorefraktiven Gegenstands.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Ausrichten der Partikel oder Regionen in dem Gegenstand, sodass sie auf Licht, das zumindest aus einer Richtung einfällt, in der üblichen Weise einwirken.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise, von eine kristallographische Achse aufweisenden kristallinen Partikel oder Regionen auszugehen und zumindest eine Achse der kristallinen Partikel in dem Gegenstand auszurichten.
Das Ausrichten der Partikel kann mit mechanischen Mitteln, wie zum Beispiel durch die Wirkung eines fließenden Fluids, erreicht werden. Beispielsweise kann das Fluid die Partikel durch eine Durchführung hindurch befördern. Die Partikel können eine Länge aufweisen, die ein Eindringen in die Durchführung in einer einzigen Orientierung oder in einem beschränkten Bereich von Orientierungen erzwingt.
Die Ausrichtung kann auf elektrostatische Weise erzielt werden. Das Verfahren kann das Erzeugen eines Dipolmoments, vorzugsweise eines elektrischen Dipols, auf den Partikeln umfassen. Das Verfahren kann auch die Anwendung eines elektromagnetischen Feldes (z. B. eines elektrischen Feldes) zur Ausrichtung der Partikeldipole und damit der Ausrichtung der Partikel umfassen. Der Dipol kann durch Beleuchten eines photovoltaischen Partikels oder einer photovoltaischen Region erzeugt werden; er kann auch durch Hervorrufen einer Spannung in einem piezoelektrischen Partikel oder einer piezoelektrischen Region (z. B. unter Anwendung von Ultraschall) oder durch Erhitzen eines pyroelektrischen Partikels erzeugt werden. Der Dipol wird bevorzugt erzeugt, solange sich die Partikel noch relativ zu dem Kopplungsmedium/-material bewegen können. Während die Partikel geladen werden und sich in einem relativ zum Kopplungsmaterial beweglichen Zustand befinden, wird vorzugsweise ein die Ausrichtung induzierendes Feld angelegt. Vorzugsweise besitzt eine wesentliche Anzahl der Partikel oder Regionen und besonders bevorzugt besitzen im Wesentlichen alle Partikel oder Regionen während dem Ausrichten und vorzugsweise auch nach dem Ausrichten nur eine Domäne. Vorzugsweise ist eine wesentliche Zahl benachbarter Partikel in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet. Besonders bevorzugt werden im Wesentlichen alle Partikel, die während dem Ausrichten bewegt werden, in Richtung der gemeinsamen Orientierungsrichtung bewegt.
Das Kopplungsmedium ist während des Ausrichtens vorzugsweise flüssig und insbesondere nach dem Ausrichten ist das Kopplungsmedium bevorzugt verfestigt. Dies kann mittels Kühlen des Kopplungsmediums oder mittels einer chemischen Reaktion, wie zum Beispiel einer Polymerisation, erreicht werden.
Optische Gegenstände mit nichtlinearen optischen Eigenschaften weisen ein weites Anwendungsspektrum auf, das optische Begrenzer und optische Isolatoren (zum Begrenzen der Intensität des durch sie hindurch tretenden Lichts), optische Speichervorrichtungen zum Speichern von Daten, optische Strahlkoppler und photonische Kristalle sowie auf einer photonischen Bandlücke basierende Vorrichtungen umfasst (aber nicht darauf beschränkt ist). Die Vorrichtung kann einen Anzeigebildschirm oder eine Komponente für die Telekommu nikation umfassen. Auch die oben angegebenen Vorrichtungen sollen geschützt werden.
Ein dritter Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem optischen Gegenstand gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung (oder gemäß dem zweiten Gesichtspunkt hergestellt), wobei die Vorrichtung vorzugsweise entweder einen optischen Begrenzer oder Isolator, einen optischen Speicher, einen optischen Strahlkoppler, eine Vorrichtung mit einem photonischem Kristall oder eine auf einer photonischen Bandlücke basierende Vorrichtung umfasst.
Andere Anwendungsgebiete können ein "Glas", das nur in einer Richtung transparent ist, beinhalten. Ein derartiges "Glas" und ein Objekt mit einem solchen Glas soll ebenfalls geschützt werden. Selbstverständlich kann "Glas" auch Polymerisationsprodukte umfassen.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt umfasst eine Vorrichtung einen optischen Gegenstand nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Laserdiode umfasst, wobei der optische Gegenstand von der Laserdiode kohärente elektromagnetische Strahlung empfängt.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mit nichtlinearen optischen Eigenschaften beschrieben, das die Kopplung von Partikel mit nichtlinearen optischen Eigenschaften mit einem Kopplungsmaterial zur Ausformung einer Partikel-Kopplungsmatrix beinhaltet.
Die Verwendung einer Vielzahl von Partikeln mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, die mit einem Kopplungsmaterial optisch und physisch gekoppelt sind, um einen Gegenstand mit nichtlinearen optischen Eigenschaften zu bilden, wird beschrieben.
Außerdem wird die Verwendung von Partikeln mit nichtlinearen optischen Eigenschaften für die Herstellung einer gegenständlichen Kopplungs-Partikelmatrix zur Verwendung in einer nichtlinearen optischen Vorrichtung erörtert.
Einige früher veröffentlichte Dokumente sind uns bekannt. In US 5 963 360 ist ein Dünnschichtmaterial auf der Grundlage eines Polymers offenbart, worin Partikel als chi(3) nichtlineares und nicht photorefraktives Medium verwendet werden. Es enthält Körner aus Halbleitern oder Metall. In US 5 508 829 werden Partikel aus einem Metall der Gruppe V in einem optischen Speichermedium offenbart. In US 5 432 635 wird eine nichtlineare chi(3) Vorrichtung offenbart, die sowohl Metall- als auch Halbleiterpartikel in einer Glasmatrix aufweist. In US 5 253 103 werden Halbleiterpartikel in einer Glasmatrix mit einer Größe unterhalb der Wellenlänge offenbart. Die Druckschrift US 5 726 796 offenbart die Verwendung einer induzierten Änderung des Gesamtbrechungsindexes zum Erzielen einer optischen Begrenzung mit thermisch oder optisch induzierten Änderungen des Brechungsindexes in Partikeln. US 5 452 123 offenbart die Verwendung kolloidaler Siliciumdioxid-Sphären in einem dotierten Lithiumniobatkristall für das Erstellen eines optischen Schaltelements.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen
1 und 2 die Prinzipien eines photorefraktiven Kristalls illustrieren, der, wenn er von zwei sich überkreuzenden Strahlen beleuchtet wird, in seinem Inneren ein Interferenzmuster erzeugt,
3 und 4 illustrieren, wie das Prinzip aus den 1 und 2 zur Kopplung von Strahlen verwendet werden kann,
5 eine 180°-Kopplung zweier Strahlen mit einem photorefraktiven Kristall zeigt,
6A, 6B und 6C einen herkömmlichen optischen Isolator und einen erfindungsgemäßen optischen Isolator zeigen,
7 und 8 die Anwendung des Gedankens von 5 auf einen optischen Begrenzer zeigen,
9 bis 16 Fasern einer Glaspartikel-Kopplungsmatrix-(GPM) mit nichtlinearen optischen Eigenschaften in einer schematischen Darstellung zeigen,
17A bis 17E in einer schematischen Darstellung verschieden ausgeformte Partikel zeigen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können,
18 in schematischer Weise die Herstellung einer GPM-Faser zeigt,
18A einen Partikel mit einer Dipolladung zeigt,
19 schematisch die Herstellung eines Gegenstands aus einem GPM-Material zeigt,
20 schematisch die Herstellung einer GPM-Beschichtung auf einem Substrat zeigt,
21 und 22 zwei unterschiedliche Anzeigebildschirme in einer schematischen Darstellung zeigen,
23 schematisch eine Integration von Laserdiode und Faser zeigt,
24A und 24B zwei schematisch dargestellte optische Speichervorrichtungen zeigen,
25A und 25B alternative Fasern zeigen, deren photorefraktive Partikel in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, und
26 einen alternativen photorefraktiven Gegenstand und einen Weg zu seiner Herstellung zeigt.
Die 1 und 2 dienen einer übersichtlichen Darstellung der Hauptprinzipien der photorefraktiven nichtlinearen Optik. Treffen ein erster Strahl 10 und ein zum ersten Strahl geneigter zweiter Strahl 12 in einem Kristall 14 aus photorefraktivem Material 15 aufeinander, so bilden sie ein Interferenzmuster 16, das aus dunklen Linien 18 und hellen Linien 20 besteht. Die Veränderung des Brechungsindexes des photorefraktiven Materials 15 folgt den hellen Linien mit einer Phasenverschiebung von 90°, wodurch in den Kristall 14 ein Hologramm aus Streifen von Bereichen unterschiedlicher Brechungsindices geschrieben wird.
Das durch das Beugungsmuster 16 ausgebildete Beugungshologramm kann, wie in den 3 und 4 schematisch dargestellt, so zum Koppeln zweier Strahlen verwendet werden, dass in eine der Ausgangsrichtungen (Richtungsbezugszeichen 22) eine konstruktive Interferenz auftritt. Wie insbesondere in 4 gezeigt ist, kann ein einfallender Strahl 24 mit einem Strahlteiler 26 aufgeteilt und der Teilstrahl 27 auf einen zum Erzeugen eines Signalstrahls 30 gesteuerten Spiegel 28 gerichtet werden. In dem photorefraktiven Kristall 14 führt die Wechselwirkung zwischen den kohärenten Strahlen 24 und 30 zu einer Interferenzmusteranordnung, die eine konstruktive Beugung in Richtung des Ausgangs, Richtung 22, ergibt. Der "andere" Strahl mit der Referenznummer 32 in der 3 ist nicht wirklich vorhanden (oder ist sehr schwach), da er eine destruktive Interferenzrichtung darstellt. Der Strahl 22 stellt einen verstärkten Signalstrahl und der Strahl 32 stellt einen gedämpften Eingangsstrahl dar. Die Leistung des Ausgangssignals kann so eingestellt werden, dass sie in etwa der Summe der Eingangssignale abzüglich der Absorption entspricht.
5 zeigt eine alternative, frontale Art der kohärenten Kopplung zweier Strahlen, bei der die C-Achse des photorefraktiven Kristalls parallel zur Richtung des einfallenden Strahls 24 ausgerichtet ist und der Signalstrahl 30 unter einem Winkel von 180° zum einfallenden Strahl eintritt. Das Beugungsmuster kann so eingerichtet werden, dass sich der Hauptteil der Leistung des kombinierten/gebeugten Strahls im Ausgangssignalstrahl 34 befindet, mit geringer oder praktisch keiner Leistung im "durchgehenden Eingangsstrahl" 36. Aus der 5 lässt sich erkennen, dass die Interferenzbänder bei der 180°-Kopplung näher beieinander stehen und schärfer ausgebildet sind als jene von 3.
7 zeigt, dass ein mit dem Bezugszeichen 35 versehener Kristall aus refraktivem Material einen optischen Begrenzer bilden kann, indem eine Reflektion 36 an einer Oberfläche des Kristalls den Signalstrahl ausmacht. Dadurch lässt der Kristall 35 nur sehr wenig Licht in Richtung der C-Achse passieren (lässt das Licht aber in der entgegen gesetzten Richtung passieren).
8 zeigt eine für einen Eisen-dotierten Lithiumniobat (FeLiNbO₃)-Kristall typische Reaktionszeit, die aufzeigt, dass nach etwa 15 ms praktisch kein Licht mehr hindurch tritt und der Abfall der Intensität auf 1/e der ursprünglichen Intensität innerhalb von etwa 2 ms erfolgt.
Photorefraktive Bauelemente mit großen (z.B. 1 cm, 2 cm oder längeren) Kristallen funktionieren gut, doch ist die Herstellung großer Einkristalle teuer und schwierig.
Selbstverständlich besteht keine Notwendigkeit für einen großen einkristallinen photorefraktiven Kristall. Durch Einbetten von Partikeln aus photorefraktivem Material in ein Glas, Polymer oder ein anderes (üblicherweise teilendes) Kopplungsmedium ist es möglich, dasselbe Ergebnis und in gewisser Weise noch bessere Ergebnisse zu erzielen.
Das Einbetten von Partikeln aus kristallinen Materialien in ein Trägermedium aus amorphem Glas oder Kunststoff, das denselben (oder sehr ähnlichen) Brechungsindex wie das nichtlineare Kristallmaterial aufweist, ermöglicht es, große Volumina der Glaspartikelmatrix (GPM) zu "gießen", ohne Einkristalle von der erforderlichen Größe herstellen zu müssen. Die nichtlinearen optischen Eigenschaften der GPM beruhen darauf, dass die einzelnen Partikel selbst Einkristalle sind, und in manchen Anwendungen auf der makroskopischen Ausrichtung der Partikel zueinander. Mit anderen Worten müssen bei einigen Anwendungen alle Einkristallpartikel so ausgerichtet werden, dass ihre kristallinen Achsen in dieselbe Richtung zeigen. Mittels einer ausreichend klein gehaltenen Größe können die Partikel automatisch als Einkristalle ausgebildet werden. In diesem Fall nimmt der relative Beitrag der Grenzenergie der Domäne im Verhältnis zur Gesamtenergie des Partikels bis zu dem Punkt zu, ab dem die Ausformung von Domänen energetisch nicht mehr begünstigt ist, so dass im Ergebnis ein Einkristallpartikel entsteht.
Es gibt Anwendungen, wie zum Beispiel einen optischen Begrenzer, bei dem das Ausrichten der Partikel nicht notwendig sein mag. Auch eine optische Speichervorrichtung erfordert nicht unbedingt ein Ausrichten der Partikel.
9 zeigt eine optische Glasfaser 40 mit einem Kern 41, der von einer Ummantelung 42 umgeben ist. Der Brechungsindex der Um mantelung ist kleiner als der des Kerns (zum Beispiel um 0,1 oder mehr). Die Länge der Faser beträgt wenige Zentimeter, sie ist zum Beispiel 2 bis 5 cm lang. Der in der 10 gezeigte Kern umfasst eine Glaskopplungsmatrix 43, in die eine große Anzahl von Kristallpartikeln 44 eingebettet ist. Die Partikel 44 bestehen aus nichtlinearen uniaxialen ferroelektrischen Partikeln. Jeder Partikel umfasst eine einzelne Domäne. Die Partikel sind statistisch über den ganzen Kern verteilt. Die Partikel in dem Beispiel der 9 und 10 sind alle in derselben Richtung orientiert (ihre C-Achsen erstrecken sich in dieselbe Richtung). Die C-Achsen können im Wesentlichen parallel zur Longitudinalachse der Faser ausgerichtet sein, sie können aber auch in eine andere Richtung ausgerichtet sein, beispielsweise um einige Grade geneigt, im Wesentlichen senkrecht zur Faserachse oder in etwa 45° zur Faserachse.
In einer anderen Ausführungsform können die C-Achsen der Partikel willkürlich zueinander ausgerichtet sein (oder zumindest müssen sie sich nicht alle in dieselbe Richtung erstrecken).
Der Brechungsindex der Glasmatrix 43 ist vorzugsweise auf mindestens eine Dezimalstelle und in besonders bevorzugter Weise auf zumindest zwei Dezimalstellen an den Brechungsindex der gleich ausgerichteten Kristalle 44 angepasst. Ein Anpassen der Brechungsindices auf drei, vier, fünf oder mehr Dezimalstellen kann erreicht werden und mag wünschenswert sein. Ein für das Glas und die Kristallpartikel typischer Brechungsindex dürfte ungefähr 2 betragen.
Eine bessere Anpassung der Brechungsindices kann durch Steuern der Temperatur des Faser/Kopplungsmatrix-Gegenstands erreicht werden (n ist von der Temperatur abhängig und die Temperaturabhängigkeit von Δn ist bei den meisten Materialpaarungen unterschiedlich).
Die Partikel aus dem Beispiel der 9 und 10 sind nur von einer Art/Zusammensetzung. Kopplungsmedium-Partikel-Gegenstände mit einer aus einem ersten Material hergestellten ersten Art von Partikeln/Kristallen und einer aus einem zweiten verschiedenen Material hergestellten zweiten Art von Partikeln mögen wünschenswert sein. Es können mehr als zwei Arten von Partikel-Kristallzusammensetzungen vorhanden sein. In einer Partikel/Kopplungsmediumsmatrix können Partikel (ob aus demselben Material oder nicht) von mehr als einer Größe und/oder Form vorhanden sein.
11 zeigt eine weitere optische Faser 46, die eine Glas/Kristallpartikelmatrix aufweist, wobei das Glas mit der Referenznummer 47 versehen ist und die Partikel mit der Referenznummer 48. Die Partikel 48 sind als längliche Ellipsoide oder zigarrenförmig ausgebildet.
Längliche Partikel können länger als der Durchmesser des Kerns einer ummantelten Faser oder länger als der Durchmesser einer Faser/eines Gegenstands ausgebildet sein. Die Partikel können länger als die Wellenlänge des verwendeten Lichts oder in etwa von der Größe der Wellenlänge sein. Die Partikel können 1mm, mehrere Millimeter oder sogar größer/länger sein.
Wie aus der 11 ersichtlich ist, sind die Längsachsen der Partikel 48 im Wesentlichen/in etwa mit der Hauptlängsachse der Faser 46 (oder des Gegenstands) ausgerichtet. Von Partikel zu Partikel gibt es gibt jedoch einige Abweichungen in der Ausrichtung, sodass die Partikel 0, 5, 10, 15, 20 oder mehr Grad (oder innerhalb eines Bereichs, der durch diese Angaben definiert ist) aus der Achslage orientiert sein können.
Die 12 zeigt eine der 11 ähnliche Anordnung, mit der Ausnahme, dass die mit dem Bezugszeichen 50 versehenen Partikel in höherem Umfang ausgerichtet sind, wobei in etwa alle Partikel im Wesentlichen parallel (und in diesem Beispiel parallel zur Achse der Faser/des Gegenstands) zueinander orientiert sind. Darüber hinaus sind die Partikel der 12 eckiger und besitzen im Wesentlichen ebene Oberflächen, wie z.B. ebene Seitenflächen 51. Sie können auch ebene Stirnflächen 52 aufweisen, die üblicherweise orthogonal (oder in einem schiefen Winkel) zu den Seitenflächen angeordnet sind.
In einer alternativen Ausführungsform können die Partikel 50 eine zylindrische Form mit oder ohne, unter 90° zu den gekrümmten Seitenoberflächen angeordneten Stirnflächen aufweisen.
Die 13 zeigt eine Faser mit ausgerichteten zylindrischen Partikeln im Querschnitt.
Die 14A und 14B zeigen einen Kern 60 einer ummantelten Faser (die Ummantelung ist nicht dargestellt), worin Partikel 62 in einem Glasmaterial gekoppelt sind und worin die Partikel einen im Vergleich mit der Faser beträchtlichen Durchmesser aufweisen. In dem Beispiel der 14A und 14B besitzen die Partikel einen Durchmesser von mehr als der Hälfte des Durchmessers der Faser/des Gegenstands. An den meisten Positionen entlang der Länge der Faser befindet sich in einem senkrechten Querschnitt nur ein Partikel.
Die Partikel 62 der 14A sind zigarrenförmig. Die mit dem Bezugszeichen 64 versehenen Partikel der 14B sind im Wesentlichen von der Form eines Parallelepipeds mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt und ebenen Stirnflächen. Sie könnten auch einen anderen Querschnitt mit zum Beispiel 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr Seiten aufweisen. Die Anzahl der seitlichen Oberflächen des Kristalls kann von der natürlichen Form der Kristalle abhängig sein. In der 14B stehen sich die mit dem Bezugszeichen 65 versehenen Stirnflächen benachbarter Kristalle generell einander gegenüber. Die Lücke zwischen den Kristallen kann kürzer als die Länge der Kristalle sein.
Natürlich können die 9 bis 14 sowohl die Kerne ummantelter als auch nicht ummantelter Fasern darstellen.
15 zeigt einen Querschnitt durch den Faserkern 60 der 14A.
16 zeigt schematisch ein als optische Faser ausgebildetes längliches optisches Element 66 mit einem Kern 67 und einer Ummantelung 68. Der Kern 67 weist viele ausgerichtete photorefraktive Kristalle 69 auf.
Die 17A bis 17E zeigen als Einzeldomänen ausgebildete ferroelektrische photorefraktive Kristalle unterschiedlicher Form, einschließlich ellipsoider, zylindrischer, sphärischer, ziegelförmiger, pa rellelepipedartiger und kubischer Formen. Natürlich sind auch andere Formen möglich.
Auch wenn zumindest die Mehrheit der Partikel im Allgemeinen dieselbe Form und im Wesentlichen dieselbe Größe aufweist, gibt es eine gewisse Variation in der Länge und Größe.
Die Partikel können hergestellt werden, indem ein größerer kristalliner Gegenstand, zum Beispiel durch Mahlen/Abspalten oder durch chemisches Aufbrechen zerkleinert wird, oder indem sie von Anfang an als kleine Partikel ausgebildet werden. Die Partikel können vor ihrem Einbinden in das Kopplungsmedium oder in situ mit dem Kopplungsmedium hergestellt werden. Sie können zum Beispiel aus einer Lösung auskristallisiert werden. Um die Ausbildung von Kristallen in einem Kopplungsmedium zu ermöglichen, könnte das flüssige Kopplungsmedium geeignete chemische Stoffe enthalten oder zugesetzt haben – gegebenenfalls unter Beschichten des flüssigen Gemisches Kopplungsmedium/Substanz. Die Mikrokristallisation von photorefraktiven Unidomän-Einkristallen in Glas oder Kunststoffpolymer ist reizvoll.
Es könnte in Betracht gezogen werden, dass die Kristallpartikel oder der Ausgangskristall zur Herstellung der Mikropartikel aus einer kongruenten Schmelze gebildet werden, jedoch können unter gewissen Umständen stöchiometrische oder subkongruente oder suprakongruente Schmelzen verwendet werden. Eine Veränderung des Oxidationszustands des photorefraktiven Materials kann dessen Photorefraktivität, optische Verstärkung und dessen Strahlkopplungseigenschaften verändern.
Die in den Figuren gezeigten Partikel sind in den bevorzugten Ausführungsformen photorefraktiv und können einen Drehmoment induzierenden Dipol (aus Gründen, die später beschrieben werden) aufweisen. Geeignete optisch nichtlineare Gegenstände können möglicherweise auch mit Partikeln hergestellt werden, an denen kein Drehmoment induziert werden kann, sodass eine derartige Anforderung an das Material nicht unbedingt erforderlich sein muss. Auch wenn Eindomänen-Partikel bevorzugt werden, können Partikel mit einer Vielzahl von Domänen verwendet werden. Jedoch müsste auch an einem Multidomänen-Partikel ein Drehmoment hervorgerufen werden können.
Das Ausrichten der Partikel, falls sie denn ausgerichtet werden müssen, sollte überlegt werden. Die 18 zeigt in durchgezogenen Linien ein erstes Verfahren zum Ausrichten. Eine Vorratsmenge 70 eines beweglichen (z. B. geschmolzenen) Kopplungsmediums 71 mit Kristallpartikeln 72 wird durch eine, zum Beispiel in einer Form 76 ausgebildete, Ausrichtöffnung 74 geleitet. In diesem Beispiel besitzt die Form eine enge Durchführung 78, die sich über eine Länge von mehreren Kristallen erstreckt. Die Kristalle besitzen eine längliche Form. Beim Durchfluss der aus Kopplungsmedium und Kristallen bestehenden fluiden Masse durch die Form tendieren die Schubkräfte/viskosen Kräfte der Oberflächenspannung des fluiden Kopplungsmediums dazu, die länglichen Partikel in eine im Allgemeinen gerade Linie zu ziehen. Außerdem würden quer stehende Partikel in dem Beispiel der 18 nicht in die Durchführung 78 passen. Die Form könnte als eine mit einem Loch versehene Platte ausgebildet sein oder eine ausgeprägte Länge in Richtung der Extrusion aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Durchführung breit genug für ein Eintreten quer liegender länglicher Partikel ausgeführt sein, wobei sie bei in Längsrichtung beabstandeten Regionen einen im Allgemeinen einheitlichen Querschnitt aufweist oder bei einer Verjüngung an unterschiedlichen Positionen in Längsrichtung zunehmend kleinere Querschnitte. Die Durchführung kann sich auf die Wirkung eines fluiden Flusses zum "begradigen" der Partikel stützen. Alternativ hierzu kann die Durchführung selbst so ausgebildet/geformt werden, dass sie das Ausrichten der Partikel bewirkt. Der oben erörterte Ausrichtprozess erfordert keinerlei Dipole an den Partikeln.
Anstelle der oder zusätzlich zu den mechanischen/fluiden Einwirkungen kann eine makroskopische Ausrichtung auch unter Einsatz elektromagnetischer Effekte erzielt werden. Eine Eigenschaft vieler nichtzentrosymmetrischer Kristalle (z. B. dotiertes Lithiumniobat) ist, dass diese ein großes photovoltaisches Feld aufbauen können. Dies wurde zuerst von Glass et al (Applied Physics Letters, Band 25, Seite 233) erkannt, der beobachtete, dass ein (optisches) Beleuchten eines Lithiumniobat-Kristalls einen elektrischen Strom hervorruft, wenn zwei einander gegenüberliegende Seiten des Kristalls miteinander elektrisch verbunden sind. Der photovoltaische Effekt tritt auf, da sich die elektrischen Ladungsträger in diesen Materialien in asymmetrischen Potenzialmulden befinden. Photoangeregte Ladungsträger bewegen sich daher bevorzugt in eine Richtung. Bei Beleuchten eines elektrisch isolierten eisendotierten Lithiumniobat(Fe:LiNbO₃)-Kristalls kann ein elektrisches Hochspannungsfeld von mehr als 100 kV/cm erzeugt werden. Erfolgt dies innerhalb mikroskopischer einkristalliner Fe:LiNbO₃-Partikel, so wird jeder dieser Partikel elektrisch polarisiert. Dies ist der Schlüssel zu einer Art des makroskopischen Ausrichtens aller oder im Wesentlichen aller Partikel in einer Kopplungsmedium/Partikel-Matrix.
Ein einfaches Verfahren zum Ausrichten der Partikel besteht daher darin, die Kopplungsmedium/Partikel-Matrix (z. B. Glas/Partikel) soweit zu erhitzen, dass der "Glas"-Träger geschmolzen ist und sich die kristallinen Partikel frei bewegen können. Das Beleuchten der geschmolzenen Matrix mit einer starken Lichtquelle mag dann bereits zum Auszurichten der Partikel zueinander ausreichen. In der geschmolzenen Glasphase fungieren die suspendierten kristallinen Partikel als kleine Dipole, die Eisenspänen in einem magnetischen Feld ähnlich dazu tendieren, sich plus an minus aneinanderzureihen. Bei Kopplungsmedium/Partikel-Matrizen auf der Grundlage von Kunststoffen (im Gegensatz zu Glaskopplungsmedien) wäre es auch möglich, die Partikel vor der Polymerisation auszurichten, so dass ein Erhitzen nicht notwendig erforderlich wäre (trotzdem kann Wärme angewandt oder auch nicht angewandt werden). Sobald die Partikel ausgerichtet sind, werden die Partikel unter Beibehalten der Beleuchtung in dem ausgerichteten Zustand durch Abkühlen des Glases oder Polymerisation des Kunststoffs "fixiert". Das Dipolmoment eines jeden Partikels hängt von der Stärke des, wiederum von der Beleuchtungsintensität abhängigen, photovoltaischen Feldes ab sowie von der Packungsdichte der kristallinen Partikel. Vorausgesetzt, dass die Dipolmomente ausreichend groß zum Überwinden der viskosen Kräfte und der Brownschen Bewegungseffekte in dem flüssigen Träger sind, können die Partikel in der angegebenen Weise ausgerichtet werden. Die Ausrichtung wird durch dieses Verfahren nicht sichergestellt, da sie in der Wirkung einem Phasenübergang in dem Partikel-Kopplungsmedium-Matrixmaterial entspricht und eine Neuorientierung der Partikel in den energetisch günstigsten Zustand erfolgen wird. Dieser Zustand kann aus einer Reihe lokaler "Taschen" oder "Zellen" bestehen, in denen alle Partikel korrekt ausgerichtet sind, wobei aber benachbarte Zellen eine hierzu unterschiedliche makroskopische Ausrichtung aufweisen können. Jedoch legen auf Symmetrie begründete Argumente nahe, dass die vollständige Ausrichtung den energetisch günstigsten Zustand darstellt, vor allem, wenn das Gesamtvolumen des Partikel-Matrixmaterials nicht zu groß ist.
Die Ausrichtwahrscheinlichkeit kann durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes zusätzlich zum Erzeugen kleiner Dipole mittels Beleuchten des Matrixmaterials erhöht werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass nicht nur eine sicherere Ausrichtung erreicht wird, sondern dass diese statt in beliebiger Richtung entlang einer vorgegebenen Richtung erfolgt. Dies ist für das Gießen asymmetrischer Gegenstände wie flache Platten oder Stäbe von Vorteil.
Eine lokale Anwendung der Techniken während dem Extrudieren oder Ziehen der Partikel-Kopplungsmedium-Matrix in eine optische Faser ist möglich. So können optische Fasersysteme mit ausgeprägten nichtlinearen optischen Reaktionen vorteilhaft maßgeschneidert werden. Interessant ist auch die Möglichkeit des Umformens photorefraktiven Materials in optische Fasern, insbesondere in kohärente Bündel optischer Fasern zur Herstellung von optischen Begrenzern und Speicherbauelementen. Die Partikel könnten in dem Ausgangsmaterial des fluiden Partikel/Kopplungsmatrix-Materials ausgerichtet werden, bevor es gegossen, gestreckt oder aufgeschleudert wird, aber auch (oder vielleicht stattdessen) während der Ausbildung der Faser oder des Gegenstands und/oder während des Härtens des fluiden Matrixmaterials.
Die der 18 hinzugefügten, gestrichelten Linien zeigen einen Weg zum Ausrichten der Partikel unter Verwendung eines photorefraktiven Effekts und eines angelegten elektrischen Felds. Eine Lichtquelle 80 beleuchtet die Kristallpartikel 72, solange sie in dem Kopplungsmedium (z. B. Glas) 71 beweglich sind. Ein Paar elektrisch vorgespannter Platten 82 gewährleistet das Erzeugen eines starken elektrischen Feldes 84. Da die Partikel an den entgegengesetzten Enden entgegengesetzt geladene Pole aufweisen (in 18A dargestellt), führt das elektrische Feld zu einem Ausrichten der Partikel entlang der Feldrichtung.
19 zeigt einen von einer Lichtquelle 81 beleuchteten Gegenstand 80 einer geschmolzenen Glas-Partikel-Matrix in einer (nicht dargestellten) Aufnahme, woran ein starkes elektrisches Feld 82 angelegt ist. Eine temperaturgesteuerte Umgebung (z. B. eine Kammer) ist von der gestrichelten Linie 82 angedeutet. Die Partikel sind innerhalb des geschmolzenen Glases beweglich und richten sich selbständig in Richtung des elektrischen Feldes aus. Anschließend wird das Glas unter Aufrechterhalten des elektrischen Feldes abgekühlt, bis die Partikel immobilisiert sind.
Während der Kristallformierung kann ein Drehmomentfeld (z. B. ein elektrische Feld) angelegt werden; beispielsweise während einem Mikroauskristallisieren (z. B. in situ in der Partikel-Kopplungsmatrix) oder des Ziehens aus der Schmelze.
20 zeigt eine auf einen Gegenstand 92 aufgebrachte Beschichtung oder Schicht 90 aus photorefraktivem Partikel/Kopplungsmatrix-Material. Beim Aufbringen befinden sich die Partikel in einem mobilen Zustand, und es wird ein elektrisches Feld angelegt während gleichzeitig in den Partikeln ein Dipol zum Ausrichten der Partikel erzeugt wird. Das elektrische Feld kann unter einem von der Normalen zur Beschichtung abweichenden Winkel, zum Beispiel parallel zur Beschichtung ausgerichtet sein. Der Gegenstand muss nicht flach und die beschichtete Oberfläche muss nicht eben sein.
21 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fenster oder einen Bildschirm 100 mit einem photorefraktiven Partikel/Glasmatrixkörper 102 und einer polarisierten Beschichtung 104. Die Partikel der Matrix bestehen aus uniaxialen oder biaxialen Kristallen, deren C-Achsen sich durchgängig parallel zur Oberfläche des Fensters/des Bildschirms erstrecken. Die Polarisationsrichtung der linear polarisierten Beschichtung 104 kann von einer ersten, im Wesentlichen zur Richtung der Hauptachse des Brechungsindexes der Partikel (Achse mit dem Bezugszeichen 106) parallelen Richtung 105 in eine zweite, im Wesentlichen dazu senkrechten Richtung 107 überführt werden. Ist die Hauptachse des Brechungsindexes 106 der Partikel parallel zur Polarisationsebene 105, so ist das Fenster/der Bildschirm lichtdurchlässig. Ist die Polarisationsrichtung 107 senkrecht zur Hauptrichtung der Brechungsindexachse 106 der Kristalle, so ist das Fenster/der Bildschirm opak. Die Änderung der Polarisationsrichtung der Schicht 104 kann auf elektrischem Wege erreicht werden. Dies kann zum Beispiel benutzt werden, um einen Bildschirm/ein Fenster funktionslos/undurchlässig zu machen, zum Beispiel einen VDU-Anzeigebildschirm.
22 zeigt ein anderes Fenster bzw. anderen Bildschirm 110, worin die Kristalle 112 entsprechend dem Brechungsindex n1 mit der C-Achse der Kristalle senkrecht zur Oberfläche 103 des Schirms ausgerichtet sind und ein zweiter dazu verschiedener Brechungsindex n2 in einem Winkel von 90° zu n1 ausgerichtet ist. Die Glas- oder Polymermatrix (Bezugszeichen 114) des Bildschirms/Fensters besitzt einen Brechungsindex von in etwa n1. Bei Verwendung unter einem Winkel von 90° zur Oberfläche 103 kann Licht hindurch treten. Bei einem, wie bei 116 dargestellten deutlich abweichenden Betrachtungswinkel bedingt der Unterschied zwischen den Brechungsindices n2 (Kristall) und n1 (Kopplungsmedium) eine Streuung, wodurch das Fenster/der Bildschirm opak wird. Dies kann bei einem Sichtgerät oder einem anderen Anzeigegerät zum Schutz der Privatsphäre eingesetzt werden.
Selbstverständlich müssen die Kristalle für die Anordnung in den 21 und 22 nicht notwendigerweise photorefraktiv ausgebildet sein – es ist ihre Doppelbrechungseigenschaft, die den erwünschten Effekt bewirkt. Es soll eine selektiv durchlässige Vorrichtung unter Verwendung dieses Doppelbrechungseffektes geschützt werden.
Eine weiterführende Abwandlung der oben angegebenen Ausführungsformen von 9 besteht darin, dass zum Erstellen einer in tegralen Einheit eine Diode, beispielsweise eine Laserdiode in den länglichen Gegenstand aufgenommen werden kann. 23 zeigt eine mit einer optischen Faser 120 kombinierte Laserdiode, die eine ummantelte, photorefraktive Partikel enthaltende Glasfaser 122 von wenigen Zentimetern Länge (z. B. 2 bis 4 cm) und eine, an einem Ende daran angebrachte Laserdiode 124 umfasst. Eine elektrische Stromversorgung ist mit dem Bezugszeichen 126 versehen. Das freie Ende 128 der Einheit 120 kann an eine Faseroptik 129 (z. B. aus normalem Glas) angekoppelt/angebracht werden. Zwischen Diode 124 und Faser 122 könnte eine Linse gesetzt werden. Diese wäre integral mit der Diode und der Faser möglich. Alternativ könnte die Diode getrennt von der Faser 122 vorgesehen sein und die Linse könnte entweder als separates Element oder als Bestandteil der Faser oder Diode (oder beide könnten Linsen aufweisen) ausgeführt sein.
Es wird angenommen, dass eine erfindungsgemäße optische Faser in der Telekommunikationsindustrie eingesetzt werden kann.
Ein anderes Gebiet der vorliegenden Erfindung sind optische Begrenzer oder optische Isolatoren. Diese werden in der Telekommunikationsindustrie für faseroptische Telekommunikationsleitungen verwendet. Ein herkömmlicher optischer Isolator 130 ist in den 6A und 6B gezeigt; er umfasst einen von einem Elektromagneten 132 umgebenen Faraday-Rotator-Signalkristall 131, einen ersten linearen Polarisator 133 auf einer Seite des Faraday-Rotators und einen zweiten linearen Polarisator 134 mit einer um 90° zum ersten Polarisator gedrehten Polarisationsrichtung auf der anderen Seite des Faraday-Rotators. Eine optische Faser 135 verbindet die Polarisatoren und den Rotator.
Der Isolator lässt Licht nur in einer Richtung passieren, beispielsweise von links nach rechts, nicht jedoch in die andere Richtung.
Manchmal ist es erwünscht, Signale im Multiplexverfahren in eine optische Leitung einzuspeisen, indem zum Beispiel Signale unterschiedlicher Wellenlänge eingeleitet werden. Zum Multiplexen der Faraday-Rotatoranordnung der 6A und 6B ist es erforderlich, den Isolator in Echtzeit so schnell abzugleichen, dass er an die unterschiedlichen Multiplex-Wellenlängen angepasst wird. Das System ist auf eine spezielle Wellenlänge abgeglichen und empfindlich gegenüber Änderungen in der Wellenlänge; eine Änderung der Wellenlänge erfordert eine Änderung des auf den Rotator 131 einwirkenden magnetischen Feldes (oder der Polarisation eines oder beider Polarisatoren 133/134 bzw. die Länge der Faser muss geändert werden). Bei einem großen optischen Faserbündel (z. B. für ein transatlantisches Kabel) kann darüber hinaus die bloße Anzahl von mehreren Zehn oder Hunderten von Isolatoren 130 ein Problem darstellen. Auch der Ausfall eines Magneten oder ein Fehler in seiner Stromversorgung kann die zugehörige faseroptische Leitung unbrauchbar machen. Es sind zwar Breitbandisolatoren verfügbar, aber sie sind weniger leistungsfähig als die für eine einzelne Wellenlänge ausgelegten Varianten.
Bei einem in der 6C dargestellten alternativen Isolator wird ein faseroptischer Einsatz 140, der eine photorefraktive Partikel-Glasmatrix umfasst, in eine herkömmliche optische Faser 141 eingesetzt. Die C-Achsen der uniaxialen Partikel sind 180° zur zulässigen Vorwärtsrichtung des Signals entlang der optischen Faser 141 ausge richtet. Jedes in die zulässige Richtung fortschreitende Licht passiert den Fasereinsatz 140 praktisch ungehindert, Licht aus der entgegengesetzten Richtung wird dagegen von der Oberfläche 142 des Einsatzes 140 (oder von der Grenzfläche zwischen dem Einsatz und der normalen optischen Faser) reflektiert, wobei diese Reflektion mit dem Vorwärtsstrahl interferiert und dabei in Echtzeit ein photorefraktives Hologramm schreibt, das eine destruktive Interferenz für Licht in rückwärtiger Richtung und eine konstruktive Interferenz für Licht in Vorwärtsrichtung bewirkt, so dass nach "rückwärts" gerichtetes Licht in den Vorwärtsstrahl zurückgekoppelt wird. Dieser Effekt kann Reflektionen von der Grenzfläche 143 entgegenwirken. Da jedes Signal sein eigenes Interferenzhologramm erzeugt, zeigt der Isolator von 6C selbstverständlich eine wesentlich geringere Wellenlängenabhängigkeit als der von 6A und 6B (so lange, die Brechungsindices der photorefraktiven Partikel bei den Betriebsmultiplexfrequenzen bis zu einem Grad aneinander angepasst sind, dass die Streuung von den Partikeln noch tragbar ist). Die Kohärenzlänge des Lichts sollte vergleichbar oder länger als die Länge der Partikel sein, damit die Streifen im gesamten Volumen vorkommen. Die Kohärenzlänge sollte zumindest der Partikellänge entsprechen. Für einen bestmöglichen Wirkungsgrad sollte sie vorzugsweise so lange wie die Faser sein. Sie gleicht sich automatisch an die unterschiedlichen Wellenlängen an und benötigt keine Energieversorgung. Der neue Isolator mag darüber hinaus eine Verbesserung gegenüber den herkömmlichen, äußerst verlustbehafteten optischen Isolatoren sein.
Die vorliegende Erfindung kann auch für optische Speicher/Datenspeicher verwendet werden. Mittels einer Wechselwirkung zwischen einem Pumplaserstrahl und einem Schreib-/Signallaserstrahl kann in einen Gegenstand aus photorefraktivem Material ein Hologramm geschrieben werden. Eine Ausbildung des Gegenstands für den Hologrammspeicher/das Hologrammmedium als Partikelkopplungsmatrix ist in Betracht zu ziehen.
Im Hinblick auf eine rationelle Nutzung des Speichervolumens wird das Multiplexen von Hologrammen in denselben, für das Speichermedium genutzten Raum angestrebt, wobei zwischen den verschiedenen Hologrammen, die sich denselben Raum teilen, der Betrachtungs-/Schreibwinkel oder die Wellenlänge oder die Polarisation geändert wird. Um in einem bestimmten gegenständlichen Speichermedium mehrere separate Hologrammparzellen anlegen zu können, ist die Verwendung schmaler Laserstrahlen beabsichtigt. Es kann jedoch zu einem Übersprechen zwischen den Speicherpositionen kommen, wodurch sich die Qualität der Bilder/Daten reduziert. Zur Reduktion des Übersprechens ist die Unterteilung eines Speichermediumvolumens in einzelne separate Volumina, beispielsweise in eine Anordnung von kleineren Gegenständen mit im Wesentlichen parallelen Seiten und Grenzflächen zwischen benachbarten Seitenflächen, günstig. Eine Kollektion kleinerer Gegenstände kann einen größeren optischen Speichergegenstand umfassen.
24A zeigt ein optisches Speicherbauelement 150 in Form eines Vollkörpers aus einer photorefraktiven Glas-Partikelmatrix (oder aus Kunststoff-Partikel-(photorefraktive Region)Material) mit verschiedenen, im Volumen verteilten Hologrammspeicherregionen 151. Bei zu nahe beieinander liegenden Regionen 151 können sich die Speicherung oder der Abruf von Bildern/Daten verschlechtern. Die Vor richtung 150 ist leichter und billiger herzustellen als ein Festkörpereinkristall.
24B zeigt eine alternative Speichereinrichtung 152, die diskrete Gegenstände 153 aus photorefraktivem Material (oder aus einer Kopplungsmedium-/photorefraktivem Materialmatrix) mit Grenzflächen 154 zwischen benachbarten Gegenständen 153 umfasst. Die Gegenstände 153 besitzen ebene Seiten, die an den Grenzflächen 154 miteinander in direktem Kontakt stehen. Die Grenzflächen unterstützen eine Reduktion des Übersprechens zwischen den in unterschiedlichen Gegenständen 153 gespeicherten Hologrammen. Die Gegenstände 153 können miteinander verbunden sein. Zwischen benachbarten Gegenständen (möglicherweise mit einem unterschiedlichen Brechungsindex) kann sich ein geeignetes Kopplungsmedium befinden. Die Gegenstände können, wie gezeigt, länglich ausgeführt sein oder im Wesentlichen kubisch, sie können sogar gekrümmte Oberflächen aufweisen. Die Gegenstände können Fäden oder Fasern umfassen.
Selbstverständlich müssen zur Anwendung in einem optischen Speicher die photorefraktiven Partikel in der Partikel/Kopplungsmedium-Matrix nicht notwendigerweise ausgerichtet sein.
Die Reflektion von den Partikeln stellt den angestrebten Haupteffekt in der optischen Begrenzung dar. Ein Begrenzer mit einer Matrix statistisch verteilt ausgerichteter photorefraktiver Partikel wird einige zur Reflektion geeignet orientierte Partikel aufweisen, wodurch Licht schließlich auf einen für die Rückreflektion ausgerichteten Partikel treffen und sich der erwünschte Effekt einstellen wird. Partikel, die in eine "Durchlass-" Orientierung ausgerichtet sind, zerstören die reflek tiven Beiträge von jenen Partikeln, die eine für den Einsatz der optischen Begrenzung geeignete Ausrichtung aufweisen nicht. Daher ist eine photorefraktive Partikel- oder Regionskopplungsmatrix mit statistisch verteilt ausgerichteten (oder nicht ausgerichteten) Partikeln/Regionen immer noch zweckdienlich.
Selbstverständlich können Auffächerungs-/Divergenzeffekte der Partikel in der Matrix mittels der Wandungen/Grenzflächen der Faser/Matrixgegenstände gemindert werden.
Als anschauliches Beispiel ist eine in etwa 2.000 Partikel aus photorefraktivem Material mit 5μm Länge und einem Durchmesser von 1μm enthaltende 1 cm Faser auf 98% Lichtdurchlässigkeit ausgelegt, wenn der Brechungsindex der Partikel bis auf 0,01 an den Brechungsindex des Kopplungsmediums angepasst ist. Bei einem Δn von 0,001 steigt die Durchlässigkeit auf 99,98%. Für ein Δn von 0,1 fällt die Durchlässigkeit bei 2000 Partikeln dagegen auf 13,87%.
Auch wenn auf Begriffe wie "optisch" und "Licht" Bezug genommen wurde und weiterhin das sichtbare Spektrum als der zumeist bevorzugte Wellenlängenbereich von Bedeutung ist, kann die Erfindung im Prinzip für alle elektromagnetischen Wellen, wobei der infrarote, ultraviolette, Mikrowellen- und Röntgenstrahlbereich eingeschlossen ist, verwendet werden, sodass solchen Begriffen wie "optisch" und "Licht" eine entsprechend breite Bedeutung zugemessen ist.
Die 26 zeigt einen aus einem Kopplungsmaterial 161 und photorefraktiven Partikeln 162 bestehenden Gegenstand 160. Der Gegenstand kann von einer Faser oder einem anderen Gegenstand, bei spielsweise einem Vollkörper, gebildet sein und kann, muss aber nicht länglich sein. Die Partikel sind sehr klein («λ des verwendeten Lichtes). Beispielsweise können die Partikel bei Licht von λ = 500nm 50nm lang oder kleiner sein. Die Partikel sind klein genug, damit eine umfangreiche Streuung vermieden wird. Die Partikel 162 sind periodisch in dem Gegenstand ausgerichtet, wobei die mit dem Bezugszeichen 162' versehenen Partikel in den Regionen 164 aneinander ausgerichtet sind. Die Regionen 164 sind entlang der Längsrichtung des Gegenstands gleichmäßig beabstandet angeordnet (in diesem Beispiel – in einem anderen Beispiel mag es möglich/wünschenswert sein, dass die Regionen 164 ungleichmäßig beabstandet sind). Die periodische Ausrichtung führt zu einer periodischen Änderung des Brechungsindexes im Gegenstand. Zwischen den ausgerichteten Regionen 164 befinden sich Regionen 166. Die Partikel 162 können in den Regionen 166 im Wesentlichen statistisch verteilt angeordnet sein oder eine zur Ausrichtung der Regionen 164 unterschiedlich orientierte Ausrichtung aufweisen.
Die 25A und 25B zeigen Gegenstände, im vorliegenden Fall Fasern, deren photorefraktive Partikel in von der Längsrichtung der Gegenstände abweichende Richtungen ausgerichtet sind. In 25A sind die Partikel in etwa 45° zur Längsrichtung ausgerichtet (aber 30°, 60° oder andere Winkel sind ebenfalls vorstellbar), während die Partikel in 25B in etwa 90° zur Längsrichtung ausgerichtet sind. Entsprechende Anordnungen können in Speichervorrichtungen Verwendung finden.
Die Konzentration der Partikel 162 in dem Kopplungsmedium 161 kann entlang des Gegenstands im Wesentlichen gleichförmig sein (entlang der Regionen 164 und 166), aber die Regionen 164 können auch eine zu den Regionen 166 unterschiedliche (höhere oder niedrigere) Partikeldichte aufweisen. Hierdurch kann auch der Brechungsindex des Gegenstands verändert werden. In der Tat kann ein weiterer Weg zum Erzielen eines sich periodisch ändernden Brechungsindexes darin bestehen, dass für periodisch angeordnete Regionen unterschiedlicher Dichte der Partikel pro Volumeneinheit des Gegenstands gesorgt ist, ohne dass notwendigerweise die Ausrichtung der Partikel geändert werden müsste (aber der bevorzugte Weg besteht in einer im Wesentlichen gleichförmigen Partikeldichte mit periodisch ausgerichteten Regionen). Der Gegenstand 160 kann in Bragg-Reflektoren, beispielsweise für Faseranwendungen, oder in neuartigen Filtern (vorzugsweise als Vollkörper) verwendet werden.
26 zeigt auch, wie der Gegenstand 160 hergestellt werden kann. Es wird eine Anordnung elektrischer Feldgeneratoren 168, die im vorliegenden Fall aus positiv und negativ geladenen Platten 169, 170 besteht und eine geeignete Periodizität aufweist, verwendet. Der Gegenstand wird aus einer flüssigen Kopplungsmediums-Partikel-Matrix (andernfalls einer Matrix mit beweglichen Partikeln) gebildet, wobei das elektrische Feld (Partikelausrichtungsmittel) angelegt wird, so lange die Partikel noch mobil sind. Die Partikel können sich selbst ausrichten und die Kopplungsmediums-Partikel-Matrix wird gehärtet/verfestigt, um die Ausrichtung der Partikel zu fixieren. Der Gegenstand 160 kann dann aus der Herstellungszone herausgenommen werden.
Ein chi(2) Partikelmaterial, das ein nicht-zentrosymmetrisches Medium ist, kann selbstverständlich photorefraktiv sein. Die Vorrichtun gen können sich nicht nur für die Speicherung von Daten, sondern für eine breite Palette von Anwendungen eignen und erfordern für ihre Funktionsfähigkeit nicht notwendigerweise das Anlegen eines elektrischen Feldes. Die Vorrichtung erfordert für ihre Funktionsfähigkeit nicht notwendigerweise den Einsatz zweier Strahlen, sondern kann auch mit nur einem Strahl betrieben werden. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht auf der Bildung optischer Streifen und erfordert kohärentes Licht zum ordnungsgemäßen Betrieb. Die Erfindung ermöglicht die gleichzeitige optische Transmission durch in Betrieb befindliche optische Vorrichtungen (anders als die Pumpwellenlängen – eine "Durchsicht"-Eignung) bei allen Wellenlängen. Für eine optimale Funktionsfähigkeit der Vorrichtung sollten die Partikel zumindest größer als ein Streifenabstand sein.

Claims

Optischer Gegenstand (42) zur Verwendung bei sichtbarem Licht, wobei der Gegenstand (42) bei Licht dieser Lichtwellenlänge im sichtbaren Bereich nichtlineare optische Eigenschaften aufweist und der Gegenstand (42) Regionen oder Partikel (44) eines ersten Materials umfasst, das optisch mit einem Kopplungsmaterial (43) gekoppelt ist, und wobei das erste Material ein optisch nichtlineares Material aufweist und das Kopplungsmaterial (43) bei dieser Lichtwellenlänge im sichtbaren Bereich im Wesentlichen transparent ist, wobei die Regionen oder Partikel (44) des ersten Materials eine Abmessung im Bereich von 1 μm bis 5μm aufweisen und groß genug sind, um, wenn kohärentes Licht der Lichtwellenlänge im sichtbaren Bereich innerhalb der Partikel interferiert, ein Beugungsmuster von Regionen mit unterschiedlichen Brechungsindices innerhalb eines jeden Partikels aufzubauen, dadurch gekennzeichnet, dass die Regionen oder Partikel (44) des ersten Materials in dem optischen Gegenstand (42) im Wesentlichen statistisch verteilt sind.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die Regionen oder Partikel (44) eine Abmessung von 1 bis 3μm aufweisen.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Brechungsindex des ersten Materials auf zumindest eine Dezimalstelle an den des Kopplungsmaterials (43) angepasst ist.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das erste Material ein photorefraktives Material umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 4, worin das erste Material ein photorefraktives Material umfasst, das zum Erzeugen einer merklichen Spannung an einem Partikel des Materials geeignet ist.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Partikel oder Regionen (44) des ersten Materials Einkristalle mit einer Einkristalldomäne umfassen.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Regionen oder Partikel (44) eine längliche Form aufweisen und im Wesentlichen in eine gemeinsame Richtung orientiert sind, oder zumindest eine beachtliche Anzahl benachbarter Partikel oder Regionen im Wesentlichen in eine gemeinsame Richtung orientiert ist.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, der länglich ausgebildet ist und worin die Regionen oder Partikel (44) länglich ausgebildet sind und worin die Partikel oder Regionen (44) entlang der Längsrichtung des Gegenstands ausgerichtet sind.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Partikel zur Einwirkung eines Drehmoments auf sie befähigt sind.
Gegenstand nach Anspruch 9, worin das Drehmoment dadurch erzielt werden kann, dass die Partikel einen elektrischen Dipol aufweisen oder aufzuweisen geeignet sind.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Vielzahl beabstandeter erster Zonen umfasst, wobei die aus einem optisch nichtlinearen Material bestehenden Regionen oder Partikel einer jeden ersten Zone im Allgemeinen in eine für diese erste Zone einheitliche Richtung ausgerichtet sind und sich zwischen den ersten Zonen zweite Zonen befinden, die keine wesentliche Ordnung der Regionen oder Partikel aufweisen.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Material aus der folgenden Liste stammt: Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Kaliumlithiumniobat, Bleimanganniobat, Bariumtitanat, Strontiumbariumtitanat, Strontiumbariumniobat, Kaliumnatriumbariumniobat, ein Niobat, ein Titanat, ein Tantalat.
Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Regionen und Partikel eine Pumpwellenlänge aufweisen und der Gegenstand die gleichzeitige optische Transmission von gegenüber der Pumpwellenlänge unterschiedlichen zu übertragenen optischen Wellenlängen zulässt.
Verfahren zum Bereitstellen oder Herstellen eines Gegenstands, der unter Verwendung von kohärentem Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch nichtlineare Eigenschaften aufweist, wobei das Verfahren die Bereitstellung einer Vielzahl von Partikeln oder Regionen (44) aus optisch nichtlinearem Material und ein Koppeln der Partikel mit einem optischen Kopplungsmaterial (43) umfasst, das bei Lichtwellenlängen im sichtbaren Bereich im Wesentlichen transparent ist, und wobei die Regionen oder Partikel (44) eine Abmessung im Bereich von 1μm bis 5μm aufweisen, um, wenn kohärentes Licht im sichtbaren Bereich innerhalb der Partikel interferiert, ein Beugungsmuster von Regionen mit unterschiedlichen Brechungsindices innerhalb der Partikel zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Regionen oder Partikel (44) in dem Gegenstand im Wesentlichen statistisch verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren die Verwendung kristalliner Partikel oder Regionen mit einer kristallografischen Achse und das Ausrichten zumindest einer Achse der kristallinen Partikel in dem Gegenstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Verfahren ein über ein fließendes Fluid vermitteltes Ausrichten der Partikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das Fluid die Partikel durch eine Durchführung hindurch führt und worin die Partikel eine Länge aufweisen, die ihr Eintreten in die Durchfüh rung auf im Wesentlichen eine einzige Ausrichtung oder auf einen begrenzten Bereich von Ausrichtungen beschränkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Verfahren das Erzeugen eines Dipolmoments auf den Partikeln umfasst, um ein Ausrichten der Partikel zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 18, worin der Dipol durch Beleuchten eines photovoltaischen Partikels oder einer photovoltaischen Region, durch Erzeugen einer Spannung in einem piezoelektrischen Partikel oder einer piezoelektrischen Region, oder durch Erhitzen eines pyrovoltaischen Partikels erzeugt wird.
Vorrichtung mit einem optischen Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder eine Vorrichtung, die nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 14 bis 19 hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, die von i) einem optischen Begrenzer, ii) einem optischen Isolator, iii) einem optischen Speicher, iv) einem Strahlkoppler, v) einer photonischen Kristallvorrichtung, vi) einer Vorrichtung, basierend auf einer photonischen Bandlücke; eines oder mehrere umfasst.
Vorrichtung, umfassend einen optischen Gegenstand (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Laserdiode (124) umfasst und der optische Gegenstand (42) von der Laserdiode (124) kohärente elektromagnetische Strahlung empfängt.