频率转换装置及其制造方法

专利名称：频率转换装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种供利用激光进行信息处理或仪表控制领域使用的频率转换装置。
近年来，人们对具有非线性光学效应的材料和利用该类材料的非线性光学效应的装置进行了详细的研究。
非线性光学效应是由于在晶体内部的电场感生的极化具有二次项或更高项(secondandthehigherterms)的现象所导致的非线性所表现出的光学效应。这类二次非线性学光效应包括例如二次谐波振荡(SHG)和光学调制。这些二次非线性光学效应可以通过非线性光学装置(诸如频率转换器和光学调制器)的形式用于利用光电子学的信息处理和仪表控制领域。
例如，SHG装置是用非线性光学材料制成的，用以从由角频率为ω的基波所感生的非线性极化中产生角频率为2ω的二次谐波。SHG装置可大致分为使用整体非线性光学晶体的整体形式(bulkform)和使用波导管的波导形式。鉴于近来经常采用激光二极管光作光源以及波导所具有的高效地产生二次谐波的能力，因此波导几何结构的SHG装置更为有利。
波导结构包括桥结构和纤维结构，桥结构由非线性光学材料制成的基面和在其上形成的桥组成，纤维结构由非线性光学材料制成的芯和适当的覆盖材料制成的覆盖层组成。在这些结构中，纤维结构具有例如适用于小型装置和能产生具有高度对称波束形式的二次谐波等优点。
在已知的纤维结构的SHG装置中包括一种波长转换装置，该装置由芯子-一种具有非线性光学效应的非线性光学(NLO)材料(例如KDP(KH2PO4)和LiNbO3之类的无机材料-和玻璃覆盖层组成。这种纤维型波长转换装置已公开，例如在日本专利申请公开No.185838/88中公开。
近年来，人们对具有很大的非线性光学超极化强度且含有用于激光二极管光的频率转换所采用的纤维型波长转换装置的芯子的有机材料进行了大量的研究。
但是，要由有机材料芯和玻璃覆盖层稳定制造高质量的纤维型SHG装置一直是困难的。特别是遇到了由于带进了在芯子和覆盖层之间生成的杂质并形成孔隙而造成的困难。
鉴于传统的技术有上述缺点，本发明的一个目的是提供一种消除了上述缺点的新型纤维型频率转换装置及其制造方法。
为了解决上述问题，在本发明中使用了一种Cherenkov辐射SHG装置。
Cherenkov辐射SHG装置优于其他SHG装置的理由如下1.由于基波和二次谐波光波不需要相位匹配，因此波导的设计相对容易。
2.用于Cherenkov辐射SHG装置的SHG材料不像其他波导几何结构那样需要对所产生的二次谐波透明，而且基本功率密度值能在相互作用长度上保持较高值。
3.在频率转换中能充分利用SHG材料的最大非线性光学系数以及由整体相位匹配装置中所不能使用的斜张量装置产生的最大非线性光学系数。
4.典型的Cherenkov辐射SHG装置几何结构要求用覆盖层保护SHG材料。虽然有机材料的机械强度差，但是这种结构能提供一定程度的机械保护。
下面将详细介绍本发明的频率转换装置。
如上所述，本发明的频率转换装置是一种由有机NLO芯和其周围的有机聚合物覆盖层组成的纤维型装置。由于有机聚合物覆盖材料的热膨胀系数与有机NLO芯料的相似，因此在冷却和由此而来的结晶时，不会象用玻璃毛细管作覆盖层时经常遇到的那样出现毁坏性的应力。
在用玻璃毛细管作覆盖层的传统纤维型SHG装置中，对所用的玻璃的化学结构所作的设计并不能使玻璃与有机NLO材料之间产生分子相互作用以使有机NLO分子有最佳的取向。现已发现用聚合物有机材料取代玻璃就能控制有机NLO材料的晶体特性。换言之，在利用聚合物有机材料本身所具有的以及由其表面化学改性而产生的各种化学特性的同时，充分利用了有机聚合物覆盖材料与有机NLO芯料之间的分子相互作用。这种相互作用包括氢键合、范德瓦耳斯力和偶极相互作用。这种相互作用使有机NLO芯料分子获得最佳取向，并使Cherenkov辐射二次谐波振荡效率提高到可能达到的最高值。这是基于这样的事实，即有机NLO材料的结晶特性，即芯的分子堆砌，对于SHG效率来说是最为重要的。
因此，正确地选择有机NLO芯料和聚合物有机覆盖材料，利用高聚物有机材料对有机NLO材料的晶体特性的影响能使纤维的非线性光学轴具有对Cherenkov型SHG装置来说为最佳的取向。
此外，用高聚物有机材料包覆芯子不仅赋予芯子以机械强度，而且使其具有优于玻璃覆盖层的柔韧性。使用有机物质还有一个优点，那就是所得到的纤维比玻璃覆盖的纤维轻。
可用于本发明的频率转换装置的有机NLO芯料的折光指数应大于聚合物有机覆盖材料的折光指数。正如下面要介绍的那样，由于本发明的频率转换装置可以用双组分纤维纺丝方法制造，因此所提供的单丝长度大体上是无限制的。
在本发明中，可以采用各种物质作为芯料了。芯料3包含一种如上面所述的有机NLO材料。用于本发明的有机NLO材料是一种在制造纤维时(即在熔融纺丝时)是流动的而在冷却至室温时则结晶的物质。在本发明的一种优选的实施例中，该有机NLO材料的熔点为70-200℃。这类可用的有机NLO材料的例子有2-甲基-4-硝基苯胺(MNA)，3-硝基苯胺(m-NA)，3，5-二硝基苯，2-溴-4-硝基苯胺，3-甲基-4-硝基吡啶-N-氧化物(POM)，2-二甲基氨基-5-硝基-N-乙酰苯胺(DAN)，2-甲氧基-5-硝基苯酚(MNP)和3，5-二甲基-1-(4-硝基苯)吡唑(DMNP)。在一尤为适合的较佳实施例中用2-甲基-4-硝基苯胺作芯料3。
另一方面，有许多有机高聚物材料可用作覆盖材料1。但是要注意到，用作覆盖材料1的聚合物有机材料的熔点最好高于用作芯料3的有机NLO材料的熔点。在本发明的一种优选实施例中，覆盖材料1的熔点比芯料3的熔点至少高出20℃。但是，如果覆盖材料1的熔点比芯料的熔点高出太多，就需要极高的纺丝温度，从而可能有损于芯料3的稳定性。因此希望覆盖材料1的熔点是在能使芯料3保持热稳定状态的范围内。在另一优选实施例中，可用的覆盖材料1包括聚(乙烯四氟乙烯)、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚烯烃和聚丙烯酸酯。在一尤为适合的实施例中，用聚(乙烯四氟乙烯)作覆盖材料1。
下面介绍制造本发明的频率转换装置的方法。在本发明中采用双组分覆盖材料/芯料纺丝方法。该方法与常用于形成混合流的所谓管套管方法(pipe-in-pipeprocess)是相似的。
按照管套管方法，本发明的频率转换装置可以连续制造，而且覆盖材料和芯子是通过一个工序同时制造的。也就是说，生产线得以简化，这样能节省时间和降低成本。此外，与包括用熔融的NLO材料真空充填玻璃毛细管的传统技术相比，本方法不大可能形成孔隙或在芯子中产生杂质，从而能提供质量极好的频率转换元件。


图1所示为管套管双组分纺丝装置。用作覆盖材料1的有机高聚物材料通过覆盖层入口2供入，而作为芯料3的有机NLO材料则通过芯料入口4供入，两种材料均处于熔融状态。这两种材料在送入纺丝装置之前均分别在挤出机中预先进行加热和捏和。对所用的挤出机并无特别的限制，一般可以用单螺杆或双螺杆挤出机。
这两种熔融材料在喷嘴5处汇合，但并不混合在一起，在纺丝装置中移动，熔融的覆盖材料1(有机高聚物材料)的挤出流同轴地包覆于熔融的芯料(有机NLO材料)的挤出流，也就是保持芯子/覆盖层结构。然后通过喷丝板6对这些熔融的双组分流进行纺丝。使纺出的熔融纤维通过合适的流体(例如空气和水)以使其冷却，然后卷绕起来。流体冷却速率根据纺丝条件恰当地选择。如果纺出的纤维是在空气中冷却的，必要时可在移动着的纤维的侧面装上通风管，使低温的冷却空气能从垂直于纤维移动方向的方向吹到纤维上，以进行强制冷却。
同时，组成纤维的这两种材料(即有机MLO材料和聚合物有机材料)均经受数百倍牵伸。在牵伸时是否能完全保持纺出纤维的芯/覆盖层结构，这取决于这两种材料的特性和芯/覆盖层界面的稳定性。
芯料3的结晶程度可以通过调节每种材料从各自的挤出机的输出量、纺出纤维的卷绕速度和牵伸比来进行控制。也就是说，通过适当地控制这些条件，可以生成具有非散射单晶畴的有机NLO芯。
纤维直径可通过适当地选择纺丝条件而在很大的范围内加以控制。在本发明的一个优选实施例中，纺出纤维的芯直径为5微米，覆盖层厚度为20微米。
虽然图1所示的纺丝装置只有一个喷丝板，但是如果需要，可以采用装有多个喷丝板的纺丝装置，以获得复丝纤维。
如果需要，还可以在纺丝后使进行后处理，以便获得很高的光学质量，从而达到防止透射光的散射。在这种情况下，纤维被送入一炉中，保持炉温高于芯的熔点，使芯熔融，然后缓缓从炉中取出，使熔融的芯在炉外结晶，以使晶体增长。
在这种处理中，对拉直的纺出纤维进行区域熔融精制加工，同时使也是拉直的纤维缓缓地在热区中移动。移动速度随所用的有机NLO材料的种类而异，最好在1-100毫米/小时的范围之内变化。热区的温度宜高于有机NLO材料的熔点，但低于聚合物有机材料的熔点。热区温度与有机NLO材料熔点之差，取决于所用的有机NLO材料的种类，但要比芯料3的熔点高出1-10℃。
这样，纺出的双组分纤维缓慢地在一单级或多级的热区中移动，从而使有机NLO晶体成为一种光学质量高的单晶畴。
下面通过实施例的形式来更为详细地说明本发明的频率转换装置的制造方法。
实例用图1所示的管套管双组分纺丝装置制造了一种纤维型频率转换装置。用聚(乙烯四氟乙烯)作覆盖材料1，用2-甲基-4-硝基苯胺(MNA)作芯料3。
在一挤出机中，在200℃的氮气氛中对聚(乙烯四氟乙烯)进行热捏和，并将熔融的材料通过覆盖材料入口2供入纺丝装置中。同时，在另一挤出机中，在200℃氮气氛中对MNA进行热捏和，并将其通过芯料入口4供入纺丝装置中。
使从喷丝板挤出的熔融纤维在保持芯/覆盖层结构的情况下通过室温空气，并得以冷却和固化，然后用一装有横动机构的卷绕装置将其卷绕起来。所得的用于频率转换元件的纤维的芯子直径为5微米，覆盖层厚度为20微米。在芯子/覆盖层的界面不出现孔隙。
如上所述，本发明的纤维型频率转换装置是由均为有机材料制成的芯子和覆盖层所组成的。由于这两种材料的热膨胀系数的差异很小，因此未发现由于覆盖层与芯子的热膨胀系数的差异而引起的裂痕或断裂。
图1示出了一种管套管双组分纺丝装置。图中数字1-6分别表示覆盖材料、覆盖材料入口、芯料、芯料入口、喷咀和喷丝板。
权利要求
1.一种纤维型频率转换装置，该装置由有机非线性光学材料制成芯和聚合有机材料制成的覆盖层所组成。
2.权利要求1所述的频率转换装置，其中所述的有机非线性光学材料的熔点为70-200℃。
3.权利要求1所述的频率转换装置，其中所述的聚合物有机材料的熔点比有机非线性光学材料的熔点至少高20℃。
4.一种制造由有机非线性光学材料的芯和聚合物有机材料的覆盖层所组成的纤维型频率转换装置的方法，该方法包括用挤出的熔融高聚物有机材料同轴包覆所述的熔融有机非线性光学材料的挤出流，并对熔融非线性有机光学材料和熔融聚合物有机材料从同一喷丝板孔同时纺丝。
5.权利要求4所述的方法，其中所述的方法还包括对纺出纤维进行区域熔融精制。
6.权利要求5所述的方法，其中该热区的温度比有机非线性光学材料的熔点高出1-10℃。
全文摘要
本发明的纤维型频率转换装置是由有机非线性光学材料的芯子和聚合物有机材料的覆盖层组成的。该有机非线性光学材料的熔点宜为70-200℃，而高聚物有机材料的熔点则比非线性光学材料的熔点至少高20℃。
文档编号G02F1/383GK1074044SQ9211485
公开日1993年7月7日 申请日期1992年12月23日 优先权日1991年12月24日
发明者R·约翰逊 申请人:赫彻斯特股份公司