DE69227332T2

DE69227332T2 - Nichtlinearoptisches Element und seine Verwendung

Info

Publication number: DE69227332T2
Application number: DE69227332T
Authority: DE
Inventors: Makoto Yokohama-Shi Kanagawa Gonokami; Eiichi Tokyo Hanamura; Kenji Tsuchiura-Shi Ibaraki Takeda; Yoshinori Chofu-Shi Tokyo Tokura
Original assignee: Japan Synthetic Rubber Co Ltd
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2012-02-15
Also published as: EP0499272B1; US5231533A; EP0499272A3; DE69227332D1; EP0499272A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nichtlinearoptisches Element und insbesondere eines, welches als Vorrichtung in Licht-(elektromagnetischen Wellen)-bezogenen Gebieten, das heißt, auf optischen und optoelektronischen Gebieten eingesetzt werden kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verwendungsmöglichkeiten eines derartigen nichtlinearoptischen Elementes.
Optische Informationsverarbeitung oder optische Kommunikation bei höheren Geschwindigkeiten und höheren Dichten müssen notwendigerweise die Verwendung nichtlinearoptischer Elemente erfordern, und Forschung und Entwicklung an Materialien mit höheren nichtlinearoptischen Empfindlichkeiten finden zur Zeit in breiten Umfang statt.
Verschiedene Verfahren wurden zur Steuerung der Form solcher Materialien im Hinblick auf die Herstellung von Vorrichtungen daraus angewendet, wobei die Verfahren (1) Kristallzüchtungsverfahren, in welchen große Einkristalle, Dünnschicht-Einkristalle usw. hergestellt werden; und (2) Dünnschicht-Herstellungsverfahren, wie z. B. das Langmuir-Brodget- (BL)-Verfahren, das Vakuumabscheideverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren und dergleichen umfassen.
Obwohl die vorgenannten Verfahren (1) und (2) zur Zeit am häufigsten eingesetzt werden, dienen sie lediglich der Änderung der Form der Materialien in solche, die für die Zwecke geeignet sind, für welche sie verwendet werden, wobei aber das Verhalten der erzeugten Vorrichtungen von den nichtlinearoptischen Eigenschaften abhängt, die den verwendeten Materialien eigen sind. Daher ist es praktisch sehr schwierig nichtlinearoptische Elemente mit höheren Geschwindigkeiten und höheren Dichten zu erzielen, da die Entwicklung optischer Materialien mit höheren nichtlinearoptischen Empfindlichkeiten zur Zeit eher zu stagnieren scheint.
Ein Lösungsweg zur Lösung des vorgenannten Problems, besteht in der Verwendung kugelförmiger Mikrohohlräume, hergestellt aus herkömmlichen nichtlinearoptischen Materialien, welche einen Lichteinschlußeffekt in Hinblick auf die Induzierung nichtlinearoptischer Phänomene bei niedrigen Schwellenwerten aufweisen.
Untersuchungen über den Einschluß von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge in einer Mikrokugel mit einem Durchmesser von einigen zehn Mikrometern (um) und Laserwirkung unter Anwendung eines solchen Systems wurden unter Konzentration auf Flüssigkeitströpfchen durchgeführt. Die Opt. Lett., 9, 499 (1984); Opt. Lett., 11, 614 (1986); Opt. Lett., 15, 980 (1990) beschreiben die Abhängigkeit des Einschlusses von Licht in Flüssigkeitströpfchen-Mikrokugeln die einen Farbstoff enthalten und eines Lasereffekt daraus von der Größe der Mikrokugeln sowie auch von deren Schwellenwert. Wegen ihrer freien Einstellbarkeit des Durchmessers oder der Größe auf jeden gewünschten Wert und der leichten Änderung der Farbstoffkonzentration, sind Flüssigkeitstropfen als Probe für Grundlagenuntersuchungen nützlich. Sie sind jedoch für die Herstellung von Vorrichtungen daraus ungeeignet, da ihnen eine Dauerstabilität fehlt.
Andererseits wurden auch einige Untersuchungen an festen Mikrokugeln durchgeführt.
(1) in Phys. Rev. Lett., 44, 475 (1980) befindet sich ein Bericht über die Untersuchung des Lichteinschlusses in einer Polystyrol-Mikrokugel, die einen fluoreszierenden Farbstoff enthält. Es wird jedoch darin kein nichtlinearoptisches Phänomen einschließlich eines Lasereffektes erwähnt. Es wurden Messungen über eine Population der in einem flüssigen Medium suspendierten und schwebenden Mikrokugeln durchgeführt. Daher ist dieses System wie die Flüssigkeitströpfchen für die Anwendung der Herstellung optischer Vorrichtungen ungeeignet.
(2) Phys. Lett. A, 137, 393 (1989) beschreibt den Wirkungsgrad des Einschlusses von Licht in einer Quarz-Mikrokugel, die Berechnung des Schwellenwertes der optischen Bistabilität und einige experimentelle Ergebnisse. In dieser Untersuchung wird die Quarz-Mikrokugel zur Vereinfachung von Messungen auf einen kleinen Quarzstab gesetzt, um Wärmeeinflüsse darauf zu verhindern, aber keine Idee für die Herstellung optischer Vorrichtung gefunden. Ferner wurden alle optischen bistabilen Phänomene am Quarz nicht beobachtet, welcher das vorstehende erwähnte optische System allein bildet, was dazu führt, daß noch kein wirksames nichtlinearoptisches Element unter alleiniger Verwendung von Quarzen aufgebaut wurde.
Gemäß vorstehender Beschreibung wurden Lichteinschlußeffekte mit Mikrokugeln bisher hauptsächlich durch die Ausführung von Messungen an einer Population schwebender Mikrokugeln untersucht. Soweit es bekannt ist, war es bisher nicht beabsichtigt die Mikrokugeln für die Herstellung optischer Vorrichtungen zu fixieren oder unbeweglich zu machen mit der Ausnahme, lediglich grundsätzliche Messungen der optischen Eigenschaften einer Mikrokugel selbst durchzuführen.
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Part 2, vol. 31 no. 2A, 1 February 1992, Tokyo, JP, Seiten L99-L101, M. KUWATA- GONOKAMI et al. "Laser emission from dye-doped polystyrene microsphere" und SPIE PROCEEDING. ADVANCED LASER CONCEPTS AND APPLICATIONS, vol. 1501, 12 March 1991, BELLINGHAM, US, Seiten 40 bis 48, Y. WANG et al. "A Nd-glass micro-spherical cavity laser induced by cavity QED-effects" können hinsichtlich der Lichtverstärkung und Anregung relevant sein.
Unter diesen Umständen wurde die vorliegende Erfindung erdacht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein nichtlinearoptisches Element bereitzustellen, welches starke nichtlinearoptische Eigenschaften und hohe Vielseitigkeit aufweist und welches auf dem Gebiet der Optik und Optoelektronik verwendet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Intensität von Licht unter Nutzung eines derartigen optischen Elementes bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
Als ein Ergebnis intensiver Forschung wurde nun herausgefunden, daß die Bereitstellung mindestens einer optischen transparenten Mikrokugel, und mindestens eines nichtlinearoptischen aktiven Bereiches und mindestens eines Lichtreflexionsbereiches zur Herstellung einer nichtlinearoptischen Einheit und die Fixierung einer derartigen optischen Einheit auf einem Substrat ein nichtlinearoptisches Element hervorbringt, welches verschiedene nichtlinearoptische Eigenschaften abhängig von einer variierten Intensität des einfallenden Lichtes aufweisen kann, und welches bei niedrigen Energiepegeln arbeiten kann.
Der vorliegenden Erfindung gemäß können eine oder mehrere transparente Mikrokugeln, die das nichtlinearoptische Element bilden, individuell als ein einzelner diskreter Mikrohohlraum arbeiten, was es ermöglicht, einen hohen Q-Wert aufgrund des Lichteinschlußeffektes zu nutzen und das Auftreten nichtlinearoptischer Effekte bei sehr schwachem Licht zu ermöglichen.
Eine Anordnung mehrerer transparenter Mikrokugeln zur Reihenschaltung dieser und deren Fixierung auf einem Substrat ermöglichen die Kopplung von Lichtanteilen, die in den entsprechenden transparenten Mikrokugeln eingeschlossen sind, was das Auftreten großer nichtlinearoptischer Effekte ermöglicht.
Da das nichtlinearoptische Element von mindestens einer transparenten Mikrokugel gebildet wird und die oder jede Mikrokugel sehr klein ist, ist es möglich das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung bei mikrooptischen Systeme, wie z. B. optische Fasern direkt anzuwenden. Dieses kann nichtlinearoptische Elemente hervorbringen, welche hohe Dichte aufweisen und integrierte Typen sind und kompakte Strukturen aufweisen.
Ein nichtlinearoptisches Element mit zweidimensional auf einem Substrat angeordneten und fixierten Mikrokugeln kann nicht nur einen phasenkonjugierten Spiegel bereitstellen, der zur Phasenkompensation in Oberflächenlicht-Emissionslasern oder zur Durchlässigkeitsmarkierung oder zur Bildverarbeitung verwendet wird, sondern kann auch als optisches Logikelement, ein optischer Transistor, ein optischer Schalter oder dergleichen insbesondere aber als vollständig optisches Element verwendet werden.
Ein nichtlinearoptisches Element der vorliegenden Erfindung mit transparenten Mikrokugeln, welche unterschiedliche Farbstoffe enthalten und gleichmäßig auf einem Substrat angeordnet sind, ermöglicht eine Farbanalyse oder Bildsynthese eines phasenkonjugierten Bildes durch Bildformung in den angeordneten transparenten Mikrokugeln mit einem Farbbildsignallicht und selektive Aufstrahlung von Lichtanteilen mit Wellenlängen, welche mit denen der Absorptionsspitzen der in den jeweiligen Mikrokugeln enthaltenen Farbstoffe übereinstimmen.
Das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung ist mechanisch stabil und leicht handhabbar, da es eine Konstruktion dergestalt aufweist, daß eine oder mehrere transparente Mikrokugeln auf einem Substrat fixiert sind, und es daher praktisch sehr nützlich ist.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Effekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ihrer Ausführungsformen in Verbindung mit dem beigefügten Zeichnungen deutlicher erkennbar. In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat sowie der Lichtausbreitung in dem Substrat;
Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat;
Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines nichtlinearoptischen Elementes mit einer Darstellung der Anordnung und Fixierung von transparenten Mikrokugeln auf einem Substrat;
Fig. 8 ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Messen der nichtlinearoptischen Eigenschaften eines nichtlinearoptischen Elementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9 eine Teilquerschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element und die in Fig. 8 dargestellte optische Faser damit verbunden darstellt;
Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche ein Lichtemissionsspektrum eines nichtlinearoptischen Elementes von Beispiel 1, mit scharfen Spitzen in dem Bereich von 600 bis 620 nm darstellt, welche repräsentativ für Modi sind, die für eine Nilrot enthaltende transparente Mikrokugel charakteristisch sind, welche das nichtlinearoptische Element bildet;
Fig. 11 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen den Partikeldurchmesser einer ein nichtlinearoptisches Element von Beispiel 1 bildenden transparenten Mikrokugel und dem Modusintervall der Laserwirkung bei dem nichtlinearoptischen Element darstellt;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, welche die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität eines nichtlinearoptischen Elementes von Beispiel 2 von der Intensität eines Anregungsstrahls darstellt;
Fig. 13 eine graphische Darstellung, welche die Abhängigkeit des Verhältnisses der Lichtemissionsintensität in einem Laserwellenlängenbereich zu dem in einem Wellenlängenbereich spontaner Fluoreszenz eines nichtlinearoptischen Elementes vom Beispiel 2 von der Intensität eines Anregungsstrahls darstellt;
Fig. 14 eine graphische Darstellung, welche die Zeit- Antworteigenschaften der Lichtemission anhand eines nichtlinearoptischen Elementes vom Beispiel 2 darstellt;
Fig. 15A eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element vom Beispiel 3 mit einer Darstellung von dessen Funktion zeigt;
Fig. 15B eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptische Element vom Beispiel 3 mit einer Darstellung von dessen Funktion zeigt;
Fig. 16 ein Blockdiagramm, das eine Apparatur zum Messen nichtlinearoptischer Eigenschaften, d. h., der Injektionsmodusverriegelung eines nichtlinearoptischen Elementes der vorliegenden Erfindung im Beispiel 4 und der Lichtverstärkung im Beispiel 5 darstellt;
Fig. 17A eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen einem Laseremissionsmodus (Spektrum) und einem Flüstermodus darstellt;
Fig. 17B eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen einer Veränderung in der Intensität der Laseremission und einem Flüstermodus darstellt;
Fig. 18A, 18B, 18C jeweils eine schematische Teildraufsicht, wovon jede die Verbindung eines nichtlinearoptischen Elementes der vorliegenden Erfindung mit optischen Fasern für die Erzielung einer Injektionsmodusverriegelung oder Lichtverstärkung im Beispiel 5 darstellt; und
Fig. 19 eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element der vorliegenden Erfindung im Beispiel 8 mit der Darstellung der Übertragung eines Flüstermodus von Mikrokugel zu Mikrokugel und eine Verstärkung einer Laseremissioinsintensität darstellt.
Das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat und ein daran fixierte nichtlinearoptische Einheit auf. Die nichtlinearoptische Einheit enthält zumindest eine transparente Mikrokugel zumindest einen der(n) transparenten Mikrokugel(n) zugeordneten nichtlinearoptischen aktiven Bereich und mindestens einen der(n) transparenten Mikrokugel(n) zugeordneten Lichtreflexionsbereich. Der (die) nichtlinearoptische(n) Bereich(e) ist oder sind im Inneren der transparenten Mikrokugel(n) vorhanden. Die oder jede transparente Mikrokugel bestehen aus einem teilweise nichtlinearoptischen aktiven Substanzsystem. Alternativ kann oder können die transparente(n) Mikrokugel(n) mit einer nichtlinearoptischen aktiven Substanz dotiert sein. Der Lichtreflexionsbereich befindet sich im Inneren der transparenten Mikrokugel. Die Oberfläche der oder jeder transparenten Mikrokugel dient als die Grenzfläche des Lichtreflexionsbereiches und das in der transparenten Mikrokugel eingeschlossene Licht pflanzt sich innerhalb der Mikrokugel fort und wird an der Grenzfläche reflektiert.
Typischerweise kann die in dem nichtlinearoptischen Element der vorliegenden Erfindung verwendete nichtlinearoptische Einheit aus einer oder mehreren aus einem nichtlinearoptischen aktiven Substanzsystem hergestellten Mikrokugeln bestehen.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten transparenten Mikrokugeln können einen Brechungsindex von mindestens 1,4 bevorzugt-mindestens 1,45 aufweisen, so daß sie ausgezeichnete optische Eigenschaften zeigen können.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten transparenten Mikrokugeln müssen eine Transparenz aufweisen, die hoch genug ist, um einen Lichteinschlußeffekt zu zeigen, und es wird in der Praxis bevorzugt, daß sie eine Transparenz von 5 · 10 cm&supmin;¹ oder weniger aufweisen. Hier ist die Transparenz als α in I&sub0;exp(-αL) definiert, die Intensität des durchgelassenen Lichtes, wenn Anregungslicht mit einer Intensität des Einfallslichtes Io durch ein Medium mit einer Dicke von L cm tritt.
Damit das nichtlinearoptische Element seine nichtlinearoptische Funktion ausreichend zeigt, weisen die transparente Mikrokugel oder die Mikrokugeln einen nichtlinearoptischen Koeffizienten χ³ von 10&supmin;¹³ esu oder größer auf. Das nichtlinearoptische aktive Substanzsystem, welches den nichtlinearoptischen aktiven Bereich bildet, kann aus nur einer(m) nichtlinearoptischen aktiven Substanz oder Material, oder aus mehreren nichtlinearoptischen aktiven Substanzen oder Materialien bestehen. Wenn die transparente Mikrokugel ausschließlich aus einem Polymer oder Polymeren mit nichtlinearoptischen Eigenschaften besteht, müssen das Polymer oder die Polymere die Bedingung des vorstehend beschriebenen dritten harmonischen nichtlinearoptischen Koeffizienten χ³ erfüllen. Andererseits reicht es aus, wenn die transparente Mikrokugel aus einer Mischung eines Matrixmaterials und einer nichtlineaxoptischen aktiven Substanz besteht, die nichtlinearoptische aktive Substanz in Mengen beizumischen, daß die Mikrokugel in ihrer Ge samtheit einen dritten harmonischen nichtlinearoptischen Koeffizienten χ³ von 10&supmin;¹³ esu oder größer aufweist.
Die transparenten Mikrokugeln, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, können einen Durchmesser von üblicherweise 1 bis 200 um und bevorzugt 10 bis 100 um aufweisen. Wenn der Durchmesser der Mikrokugel kleiner als 1 um ist, ist es schwierig, Licht in der Mikrokugel einzuschließen, so daß Flüstermodi nur schwer auftreten und somit der Q-Wert (Gütefaktor) verringert wird, der den Wirkungsgrad der Einschlusses oder Einfangs von Licht repräsentiert. Wenn im Gegensatz dazu die transparente Mikrokugel einen Durchmesser von über 100 um aufweist, kann eine große Anzahl von Modi eingeschlossen sein, was die optische Information kompliziert macht.
Um das Auftreten eines ausreichenden Lichteinschlußeffektes in der transparenten Mikrokugel zu ermöglichen, kann die Mikrokugel bevorzugt eine regelmäßig geformte Kugel sein und eine glatte Oberfläche in der Art aufweisen, daß auf der Oberfläche keine Eindellungen oder Vorsprünge oder Risse, Brüche oder irgendwelche andere Arten von Unregelmäßigkeiten mit einer Tiefe oder Höhe von 1/10 oder mehr, bevorzugt 1/20 oder mehr der Wellenlänge des aufgestrahlten Lichtes auftreten.
In dem Falle, daß das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung unter Verwendung mehrerer transparenter Mikrokugeln mit einem gleichmäßigen Partikeldurchmesser hergestellt werden soll, ist der Variationskoeffizient des Partikeldurchmessers der transparenten Mikrokugeln bevorzugt 5% oder kleiner. Wenn der Variationskoeffizient des Partikeldurchmessers innerhalb dieses Bereiches liegt, werden die Lichteinschlußmodi in den entsprechenden Mikrokugeln gleichförmig, und die Mikrokugeln können unter gleichen Bedingungen verwendet werden.
Hier wird der Variationskoeffizient des Partikeldurchmessers durch die nachstehende Formel ausgedrückt:
Variationskoeffizient = Standardabweichung / mittlerer Parikeldurchmesser · 100(%)
Der Partikeldurchmesser jedes Partikels wird unter dem Mikroskops gemessen.
Die transparente Mikrokugel kann beispielsweise (1) aus einem organischen Polymer, (2) einer anorganischen Substanz, oder (3) aus einer Verbundsubstanz bestehen, die aus einer anorganischen Substanz und einem organischen Polymer zusammengesetzt ist.
Beispiele für das organische Polymer oder das Bestandteil der Verbundsubstanz, umfassen Homopolymere und Copolymere von Styrol, Methakrylate (wie z. B. Methylmethakrylat), Akrylate (wie z. B. Methylakrylat) Vinylazetat, Divinylbenzol, Vinylmonomere mit einer alizyklische Gruppe (wie z. B. einer Zyklohexylgruppe) und konjugierte Polymere wie z. B. Polydiazetylene, Polytyophene, Polyp-phenylenvinylene, usw. umfassen. Die konjugierten Polymere können vorteilhaft dann verwendet werden, wenn der nichtlinearoptische Teil nur mit (einem) organischen Polymer(en) aufgebaut werden soll.
Die aus dem organischen Polymer hergestellten transparenten Mikrokugeln können zweilagig sein, wovon der Kernanteil aus einem ersten organischen Polymer besteht, und dessen Oberfläche mit einem zu dem ersten unterschiedlichen zweiten organischen Polymer beschichtet ist. In diesem Falle kann die nichtlinearoptische aktive Substanz entweder nur in einem oder sowohl in dem Kernteil als auch in der Oberflächenschicht (Außenschale) enthalten sein.
Die aus einem organischen Polymer bestehenden transparenten Mikrokugeln kann durch herkömmliche Emulsionspolymerisation hergestellt werden. Sie können auch durch Impfpolymerisation der so erhaltenen Mikrokugeln hergestellt werden, wobei ein Monomer auf den transparenten Mikrokugeln polymeri siert wird, während man diese in einem Lösungsmittel bei Vorhandensein einer Quellhilfe oder dergleichen aufquellen läßt.
Als anorganische Substanz können aus Metalloxiden wie z. B. aus verschiedenen Gläsern, Aluminiumoxid, Siliziumoxid usw. bestehende anorganische optische Materialien verwendet werden. In dem Falle, daß aus der anorganischen Substanz hergestellte nichtlinearoptische aktive Teil als eine Lichtquelle für einen Lasereffekt mit einer Wellenlänge von 1000 nm oder mehr verwendet wird, können bevorzugt Gläser verwendet werden, welche als nichtlinearoptische aktive Substanz Seltene Erdelementeionen wie z. B. Nd³&spplus; (Neodymionen), Eu³&spplus; (Europiumionen), Er³&spplus; (Erbiumionen), oder dergleichen und Gläser, die gemischte Ionen bestehend aus dem vorstehend erwähnten Seltene Erdelementeionen plus Metallionen wie z. B. Cr³&spplus; (Chromionen) enthalten, verwendet werden.
Die aus einem Glas, das Seltene Erdelementeionen enthält, bestehende anorganische Substanz umfaßt z. B. Gläser wie Silikatglas (SiO&sub2;), Phosphatglas (P&sub2;O&sub5;) oder Fluorphosphatglas (LiFAl(PO&sub3;)&sub3;), in welchen im allgemeinen 10 Gew.-% oder weniger, gewöhnlich etwa 3 Gew.-% eines Oxides der vorstehend erwähnten Seltene Erdelemente enthalten ist. Die Gläser können mittels eines Blasverfahrens kugelförmig hergestellt werden, welches das Schmelzen der Rohzusammensetzung bei etwa 1500ºC, im allgemeinen bei 800 bis 900ºC bei Zusatz einer Schmelzhilfe beinhaltet, um Bruchglas herzustellen, Zermahlen des Bruchglases, Klassifizieren der sich ergebenden Glasfragmente und nochmaliges Schmelzen der Glasfragmente in einer Flamme beinhaltet, um aus Glas bestehende transparente Mikrokugeln zu erhalten.
Die aus einer Verbundsubstanz bestehenden transparenten Mikrokugeln können diejenigen sein, von denen die Verbundsubstanz aus der anorganischen Substanz und dem organischen Polymer zusammengesetzt ist. Beispielsweise können die transparenten Mikrokugeln Kernteile, welche eine regelmäßige Kugelform besitzen und aus einer anorganischen Substanz oder einem organischen Polymer bestehen, und eine auf den Oberflächen der Kernteile ausgebildete Außenschicht oder Schale aufweisen, wobei die Schicht oder Schale aus einem organischen Polymer bzw. aus einer anorganischen Substanz besteht. In diesem Falle kann ein aus einer nichtlinearoptischen Substanz bestehendes festes Medium als die äußerste Schicht auf die Oberfläche der aus der anorganischen Substanz oder dem organischen Polymer bestehenden Mikrokugel aufgeschichtet werden, um dadurch einen Teil der transparenten Verbundmikrokugel zu bilden.
Insbesondere können die Oberflächen der Glasperlen mit einem eine Vinylgruppe aufweisendem Silanverbindungsmittel mit behandelt werden, und das vorgenannte Vinylmonomer wird bei Vorliegen eines Radikalinitiators wie z. B. Benzoylperoxid auf den Oberflächen der behandelten Glasperlen polymerisiert, um transparente Verbundmikrokugeln zu erhalten. Die transparenten Verbundmikrokugeln, welche ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen aus Polysiloxan, Polysilan oder dergleichen bestehende transparente Mikrokugeln mit einer oder mehreren organischen Ersatzgruppen, die durch ein herkömmliches Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, und beliebige transparente Mikrokugeln deren Oberflächen mit dem vorgenannten Sol-Gel-Verfahren behandelt werden.
Die nichtlinearoptischen aktiven Substanzen in dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten nichtlinearoptischen aktiven Substanzsystem können aus denen ausgewählt werden, welche mittels eines als Einfallslicht verwendeten Laserstrahls angeregt werden können. Wenn der nichtlinearoptische aktive Teil aus einer nichtlinearoptischen aktiven Substanz und einem Matrixmaterial besteht, verwendet man bevorzugt zu dem Matrixmaterial kompatible nichtlinearoptische aktive Substanzen.
Wenn das nichtlinearoptische Element für Lasereffekte verwendet werden soll, kann das nichtlinearoptische aktive Substanzsystem aus den Substanzen ausgewählt werden, welche starkes Fluoreszenzlicht ausstrahlen, wie z. B. organische Fluoreszenzfarbstoffe, wie z. B. Rhodamin 6 g, Nilrot und Kuma rin, die vorstehend erwähnten Seltene Erdelementeionen, und Lasermaterialien, die aus Halbleitern der III-V Gruppe, wie z. B. GaAs und dergleichen bestehen. Wenn das nichtlinearoptische Element für andere als Laseranwendungen gedacht ist, können zusätzlich zu den vorgenannten Lasermaterialien dritte nichtlinearoptische Materialien mit organischen konjugierten Verbindungstypen mit niedrigem Molekulargewicht, wie z. B. Stilbit (Desmin) und Methylnitroanilin, die vorgenannten konjugierten Polymere, Verbindungshalbleiter der II-VI Gruppe, z. B. CdS, CdSxSe1-x, CuCl, ZnSe usw., sowie auch organometallische Komplexe, Komplexsalze, organische Farbstoffe, organische Pigmente und dergleichen verwendet werden.
Insbesondere ist es in Fällen, bei denen sich die Aufmerksamkeit auf dritte harmonische nichtlinearoptische Phänomene konzentriert, wichtig, daß das nichtlinearoptische aktive Substanzsystem eine Transparenz und eine nichtlinearoptische Empfindlichkeit aufweist, die in einem Wellenlängenbereich des verwendeten Laserstrahls hoch genug sind. In einem Wellenlängenbereich von 400 bis 900 nm zieht man es beispielsweise vor, die nichtlinearoptischen aktiven Substanzen aus den organischen Polymeren oder konjugierten Polymeren, vermischt mit organischen Farbstoffen, den vorstehend erwähnten organischen konjugierten Verbindungen mit niedrigen Molekulargewichten, den vorstehend erwähnten Verbindungshalbleiter der II-VI Gruppe, und dergleichen auszuwählen. In dem Wellenlängenbereich von 900 nm oder höher werden anorganische Verbindungen, wie z. B. Seltene Erdelementeionen, enthaltende Gläser bevorzugt.
Ferner wird, wenn das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung als ein Laser verwendet werden soll, zuerst ein gewünschter Laser-Wellenlängenbereich festgelegt und dann ein geeignetes nichtlinearoptisches aktives Substanzsystem ausgewählt, wobei berücksichtigt wird, welcher Anregungsstrahl verwendet werden soll. Beispielsweise werden in dem Laserbereich von 400 bis 900 nm Substanzen mit einer hohen Fluoreszenzintensität, wie z. B. Laserfarbstoffe, An thrazen, usw. bevorzugt verwendet. Insbesondere verwendet man für einen Lasereffekt in dem Bereich des 1062 nm Bandes bevorzugt transparente Mikrokugeln aus Nd³&spplus; enthaltendem Silikatglas, während für einen Lasereffekt in dem 1054 nm Band, transparente Mikrokugeln aus Nd³&spplus; enthaltenden Phosphatglas bevorzugt werden.
Die vorstehend beschriebenen transparenten Mikrokugeln können individuell als ein nichtlinearoptisches Element funktionieren und dritte harmonische nichtlinearoptische Phänomene zeigen, und somit kann das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung nur eine einzige auf einem Substrat befestigte transparente Mikrokugel aufweisen.
Alternativ können zwei oder mehr transparente Mikrokugeln auf einen Substrat eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional angeordnet und daran fixiert sein, und ergeben somit ein nichtlinearoptisches Element, das für verschiedene Anwendungen geeignet ist.
Gemäß vorstehender Beschreibung weist das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung eine auf einem Substrat fixierte nichtlinearoptische Einheit auf. Als Fixierungsmittel zu Fixieren oder Feststellen kann ein festes Medium verwendet werden. Das feste Medium weist einen Brechungsindex auf, welcher niedriger als der der transparenten Mikrokugel ist, und die Differenz im Brechungsindex zwischen dem festen Medium und der transparenten Mikrokugel 0,05 oder größer, bevorzugt 0,1 oder größer. Wenn die Differenz zwischen den beiden kleiner als 0,05 ist, wird der Koeffizient für den Lichteinschluß in der Mikrokugel kleiner, und bringt somit keine in der Praxis annehmbare für nichtlinearoptische Elemente ausreichende nichtlinearoptische Eigenschaften hervor.
Jedes Material, das einen Brechungsindex aufweist, der mindestens um 0,05 niedriger als der der transparenten Mikrokugel oder des transparenten Kernpartikels ist und die transparente Mikrokugel auf dem Substrat fixieren kann, kann als das feste Medium in der vorliegenden Erfindung verwendet wer den. Insbesondere wird das feste Medium aus Klebern, organischen Polymeren, anorganischen Verbindungen und dergleichen ausgewählt. Beispielsweise können Fluor enthaltende photohärtende Materialien, Urethanakrylat, mit Glutaraldehyd gehärtete Gelatine, Polymethylmethakrylat, Wasserglas, ein durch ein Sol-Gel-Verfahren erzieltes glasartiges Produkt, verwendet werden. Das feste Medium kann auch ein Gel, wie z. B. ein wässriges Gel sein, sofern es nicht-fluid oder immobil ist. Ferner kann in der vorliegenden Erfindung das feste Medium selbst das Substrat bilden.
Das feste Medium kann entweder die gesamte(n) Oberfläche(n) der oder jeder transparenten Mikrokugel berühren oder überdecken oder einen Teil davon, wenn die oder jede transparente Mikrokugel damit an dem Substrat fixiert oder damit festgestellt werden. In beiden Fällen ist es erforderlich, daß ein Lichtpfad sichergestellt ist, über welchen der Anregungsstrahl auf die Oberfläche der oder jeder transparenten Mikrokugel geführt wird, und auch ein Ausgangslichtstrahl sichergestellt ist, über welchen die gezeigten nichtlinearoptischen Phänomene beobachtet oder zu der Außenseite der transparenten Mikrokugel(n) übertragen werden.
Alternativ kann die oder jede transparente Mikrokugel mechanisch fixiert oder festgesetzt werden, indem die transparente(n) Mikrokugel(n) mit zwei Substraten geklemmt wird.
Bei der Fixierung der transparenten Mikrokugel(n), kann eine individuelle transparente Mikrokugel erfaßt und auf dem Substrat mit einem Diamantstift, einem Manipulator oder dergleichen angeordnet werden, oder eine einzelne transparente Mikrokugel oder eine Population transparenter Mikrokugeln kann auf dem Substrat mittels des Drucks eines Laserstrahls bewegt und geeignet angeordnet werden. Ein auf einer Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche oder einer Flüssigkeit/Flüssigkeits-Grenzfläche ausgebildeter dünner Film der transparenten Mikrokugeln kann auf das Substrat übertragen werden.
Das Substrat kann unter Verwendung eines Resistmaterials strukturiert werden, bevor die transparente Mikrokugel darauf befestigt wird. Die Bereitstellung der Muster macht es möglich, die transparente Mikrokugel oder die Mikrokugeln an einer vorbestimmten Position bzw. Positionen leicht und sicher zu positionieren. Das Substrat kann mit einer Nut oder einer Mikrovertiefung für die Aufnahme der oder jeder transparenten Mikrokugel ausgebildet werden, um das sichere Halten der transparenten Mikrokugel(n) zu erleichtern.
Mehrere der transparenten Mikrokugel(n) können eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional in einem nicht miteinander verbundenen (berührungslosen) Zustand angeordnet sein, oder in einem Zustand, in welchem ein Teil oder eine erforderliche Anzahl transparenter Mikrokugeln miteinander verbunden sein (sich berühren) und zwar direkt oder indirekt über ein optisches Medium, wie z. B. eine optische Faser gefolgt von einer Fixierung, um nichtlinearoptische Elemente mit verschiedenen Zwecken entsprechenden Funktionen zu erhalten.
Zur Emission eines für die Steuerung der nichtlinearoptischen Eigenschaften der nichtlinearoptischen Elemente der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Anregungsstrahls oder Lichtes, d. h., um zu ermöglichen, daß sich nichtlinearoptische Effekte selektiv zeigen, können verschiedene Laserstrahlquellen verwendet werden. Im allgemeinen können Dauerstrichlaser (CW-Laser) wie z. B. Gaslaser, Festkörperlaser, Farbstofflaser und Halbleiterlaser und Impulslaser verwendet werden. Laserstrahlen von derartigen Lasern weisen eine Wellenlänge innerhalb des Bereichs von üblicherweise 0,2 bis 2 um, und bevorzugt von 0,4 bis 1,2 um auf. Der Anregungsstrahl, welcher monochromatisch oder ein Gemisch von zwei oder mehr Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen sein kann, kann geeignet in Abhängigkeit von dem Typ der transparenten Mikrokugel, die das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung bildet, und von den zu erzielenden nichtlinearoptischen Effekten gewählt werden.
Während die Energie des Anregungsstrahls hoch genug sein muß, um eine Laseremission zu bewirken, wenn ein herkömmli ches nichtlinearoptisches Element für den Lasereffekt verwendet wird, kann beispielsweise eine nur schwache Anregung in der Höhe von etwa 100 pJ oder weniger nichtlinearoptische Phänomene ausreichend bewirken.
Fig. 1 bis Fig. 7 stellen spezifische Befestigungsarten der transparenten Mikrokugeln dar; Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines nichtlinearoptischen Elementes, welche die Lichtausbreitung darin darstellt; Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element gemäß einem weiteren Beispiel darstellt; Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element gemäß noch einem weiteren Beispiel darstellt; Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element gemäß noch einem weiteren Beispiel darstellt; Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element gemäß weiteren Beispielen darstellt; Fig. 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element gemäß einem weiteren Beispiel darstellt; und Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche ein nichtlinearoptisches Element gemäß noch einem weiteren Beispiel darstellt.
Gemäß Darstellung in Fig. 1 weist ein nichtlinearoptisches Element 30 ein Substrat 32 in der Form eines dreieckigen Prismas aus Glas auf, auf welchem mehrere transparente Mikrokugeln 34 angeordnet und darauf mit einem (nicht dargestellten) aus einem Kleber bestehenden festen Medium fixiert oder festgesetzt sind. In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind die transparenten Mikrokugeln voneinander beabstandet angeordnet. In Fig. 2 weist das nichtlinearoptische Element 30 das Substrat 32 und mehrere in einem festen Medium 36 dreidimensional verteilte transparente Mikrokugeln 34 auf. Die transparenten Mikrokugeln 34 und das feste Medium 36 bilden zusammen eine feste Schicht 38, welche auf dem Substrat 32 befestigt ist. In Fig. 3 wird das nichtlinearoptische Element 30 alleine von der festen Schicht 38 gebildet, welche die transparenten Mikrokugeln 34 in dem festen Medium dreidimensional verteilt hat. In dieser Anordnung dient die feste Schicht auch als das Substrat 30. Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Anordnung, weist das nichtlinearoptische Element 30 das aus Glas bestehende Substrat 32 und die feste Schicht 38 auf, die auf dem Substrat 32 befestigt ist und aus den eindimensional in dem festen Medium 36 verteilten transparenten Mikrokugeln besteht. In Fig. 5 weist das nichtlinearoptische Element 30 das aus Glas bestehende Substrat 32 auf, auf welchem die feste Schicht 38 befestigt ist. Die feste Schicht 38 enthält das feste Medium 36 mit eindimensional darin verteilten transparenten Mikrokugeln 34. Der Anregungsstrahl breitet sich in dem Substrat unter wiederholten Reflexionen wie durch Pfeile dargestellt aus. Die transparenten Mikrokugeln sind in der festen Schicht 38 in der Weise angeordnet, daß sie von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 32 und dem festen Medium in einem Abstand in der Größenordnung von ~ bis zum 2- fachen der Wellenlänge des verwendeten Anregungsstrahls angeordnet sind. Gemäß der in Fig. 6 dargestellten Anordnung weist das nichtlinearoptische Element 30 das Substrat 32 auf, welches mit einer Nut 40 in V-Form auf seiner Oberfläche ausgebildet ist. Die transparenten Mikrokugeln 32 sind in die Nut eingelegt und darin mit einem (nicht dargestellten) festen Medium oder Kleber befestigt. Die transparenten Mikrokugeln 32 sind in einem vorbestimmten Abstand, im allgemeinen von ¹/&sub2; bis zum 2-fachen der Wellenlänge des verwendeten Anregungsstrahls angeordnet, d. h., in 0,3 bis 0,5 um. In Fig. 7 ist das Substrat 32 des nichtlinearoptischen Elementes 30 an seiner Oberfläche mit mehreren Mikrovertiefungen 42 versehen, z. B. solchen mit kugelförmigen Oberflächen, die bevorzugt derselbe Krümmung wie die der Kugeloberfläche der zu befestigenden Mikrokugel aufweisen. Die transparenten Mikrokugeln 32 sind in den entsprechenden Vertiefungen angeordnet und mit einem (nicht dargestellten) festen Medium fixiert.
Die Form des Substrats 32 ist nicht auf dreieckige Prismen oder dergleichen beschränkt. Die transparenten Mikroku geln können auch direkt mit optischen Medien wie z. B. optischen Fasern verbunden und daran fixiert werden.
In dem Fall, bei dem mehrere von den transparenten Mikrokugeln festgesetzt werden, können sie in Kontakt miteinander in einem Abstand oder Raster von dem ¹/&sub2;- bis 2-fachen der Wellenlänge des verwendeten Anregungsstrahls, oder in einem Abstand oder Raster mehr als dem 2-fachen der Wellenlänge des verwendeten Anregungsstrahls angeordnet werden. Eine dieser Anordnungen wird abhängig von dem Zweck gewählt, für welche das nichtlinearoptische Element verwendet wird.
Das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung zeigt dritte harmonische nichtlinearoptische Effekte und kann somit für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Insbesondere kann das Element der Erfindung in den nachstehenden Anwendungen verwendet werden:
(1) Frequenz-Verdreifachern, wie solchen, die eine dritte harmonische Wellenschwingung (ω + ω + ω → 3ω) nutzen;
(2) Ultraschnellen Verschlüssen, wie solchen, welche den Kerr-Effekt nutzen (ω + 0 + 0 → ω)
(3) Optischen Speichern, optischen Rechenelementen usw., wie solchen, welche die optische Bistabilität nutzen (ω + ω - ω → ω); und
(4) Rhamen-Spektroskopen, wie solchen, welche die optische Mischung nützen (ω1 + ω2 + ω3 → ω4).

BEISPIELE

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung detaillierter anhand von Beispielen beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht als darauf eingeschränkt betrachtet werden.

Beispiel 1

Eine transparente Mikrokugel aus Polystyrol mit einem Partikeldurchmesser von 40 um wurde unter Anwendung eines herkömmlichen Emulsionsfärbeverfahrens mit Nilrot (Diethyl amino-9-Naphtophenoxazon, einen von Aldrich hergestellten roten Farbstoff) und eines Tensids gefärbt, um eine aus Nilrot enthaltendem Polystyrol bestehende transparente Mikrokugel mit einer regelmäßigen Kugelform und einer glatten Oberfläche zu erhalten, wobei die Mikrokugel Nilrot als die nichtlinearoptische aktive Substanz (Brechungsindex = 1,6, Transparenz = 20 cm&supmin;¹ oder höher, dritter nichtlinearoptischer Koeffizient χ³ = 10&supmin;¹³ esu oder höher) aufweist. Die Mikrokugel wurde auf einer Oberfläche eines Quarzglases mit einem Kleber (festem Medium: mit Glutaraldehyd gehärteter Gelatine, Brechungsindex: 1,5) befestigt, um ein nichtlinearoptisches Element zu erhalten.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Messen von nichtlinearoptischen Eigenschaften darstellt; und Fig. 9 ist eine Teilquerschnittsansicht, welche das nichtlinearoptische Element und eine damit verbundene optische Faser darstellt. Das so erhaltene nichtlinearoptische Element wurde mittels der in Fig. 8 dargestellten Anordnung hinsichtlich seiner nichtlinearoptischen Eigenschaften gemessen. Gemäß Darstellung in Fig. 8 weist eine Vorrichtung 50 zum Messen der nichtlinearoptischen Eigenschaften des nichtlinearoptischen Elementes 30 ein mit einer Kamera 54 ausgerüstetes Stereomikroskop 52 auf. Das vorgenannte nichtlinearoptische Element 30 ist so plaziert, daß es in dem Sichtfeld des Mikroskops 52 liegt. Die Vorrichtung 50 enthält eine Lichtquelle oder Excimerlaser 56, der optisch mit einem Farbstofflaser 58 verbunden ist, welcher einen Laserstrahl zur Anregung erzeugt. Der Anregungsstrahl wird bei einem Spiegel 60 reflektiert und durch eine Linse 62 geführt und in die auf dem Glassubstrat 32 befestigte transparente Mikrokugel 34 eingeleitet. Ein Austrittsstrahl aus dem nichtlinearoptischen Element 30 wird von einer optischen Faser 64 aufgenommen, durch eine Linse 66 geführt und zu einem Spektroskop 68 geleitet, welches mit einem Box-Kerr-Integrator 70 verbunden ist. Der Integrator 70 ist mit einem Computer 72 verbunden. Andererseits wird der Anregungsstrahl mittels Strahlteilern 74 bzw. 76 aufgeteilt und durch Pin-Dioden 78 bzw. 80 geführt, welche beide mit dem Box-Kerr-Integrator 70 verbunden sind.
Gemäß Darstellung in Fig. 9 ist die transparente Mikrokugel 34 auf dem Substrat 32 mit einem (nicht dargestellten) Kleber oder festen Medium befestigt, und eine Spitze 64a der optischen Faser 64 ist unter der unteren Oberfläche des Substrats 32 so angeordnet, daß die Spitze 64a der transparenten Mikrokugel gegenüberliegt.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, welche die Ergebnisse der Messung des Lichtemissionsspektrum eines nichtlinearoptischen Elementes dieses Beispiels nach einer Bestrahlung mit einem gepulsten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm (Energie = 100 W) unter Verwendung der Vorrichtung 50 mit scharfen Spitzen in dem Bereich von 600 bis 620 nm darstellt, welche repräsentativ für Modi sind, die für die Nilrot enthaltende transparente Mikrokugel charakteristisch sind, welche das nichtlinearoptische Element bildet. Solche scharfen Spitzen werden mit einer homogenen Nilrot- Lösung nicht erzielt. Die (nachstehend als "Flüstermodi" bezeichneten) Modi sind typische Muster, welche einen Lichteinschlußeffekt bei bestimmten Wellenlängen in dem nichtlinearoptischen Element dieses Beispiels zeigen.
Anschließend wurden verschiedene transparente Polystyrol- Mikrokugeln mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern, d. h., von 1, 5, 10, 20, 30, 40, 60 und 90 um in derselben Weise wie vorstehend erwähnt hergestellt und verwendet. Die transparenten Mikrokugeln wurden auf entsprechenden Substraten befestigt, um vier nichtlinearoptische Elemente zu erhalten.
Die sich ergebenden nichtlinearoptischen Elemente wurde jeweils mit einem gepulsten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm (Energie = 100 W) bestrahlt und Messungen der Modusintervalle durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse sind über dem reziproken Partikeldurchmesser jeder transparenten Mikrokugel in Fig. 11 aufgetragen. Aus Fig. 11 ist zu sehen, daß das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung ein guter Hohlraum für die Erzielung eines Lichtein schlusses ist, und daß die Regelmäßigkeit des Modusintervalls von dem Partikeldurchmesser der transparenten Mikrokugel abhängt, welches das nichtlinearoptische Element bildet.

Beispiel 2

Eine regelmäßig runde, aus Nilrot enthaltendem Polystyrol bestehende und einen Durchmesser von 40 um aufweisende transparente Mikrokugel wurde in derselben Weise wie im Beispiel 1 hergestellt und auf einem aus Glas bestehenden Substrat in derselben Weise wie im Beispiel 1 befestigt, um ein nichtlinearoptisches Element zu erhalten.
Eine Messung der Emissionsintensität des nichtlinearoptischen Elementes wurde unter Variierung der Intensität des Anregungsstrahls ausgeführt, und die erzielten Ergebnisse sind in Fig. 12, 13 und 14 dargestellt. Fig. 12 stellt die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität des nichtlinearoptischen Elementes von der Intensität des Anregungsstrahl dar; Fig. 13 stellt die Abhängigkeit des Verhältnisses der Lichtemissionsintensität in dem Laserwellenlängenbereich zu der in einem Wellenlängenbereich spontaner Fluoreszenz des nichtlinearoptischen Elementes von der Intensität eines Anregungsstrahls dar; und Fig. 14 stellt die Zeit-Antworteigenschaften der Lichtemission des nichtlinearoptischen Elementes dar;
Aus Fig. 12 ist zu sehen, daß scharfe Lichtemissionsspitzen in einem Wellenlängenbereich von 600 bis 630 nm abhängig davon auftreten, wie die Intensität des Anregungsstrahls ansteigt. Die Lichtemissionsspitzen werden rückschließend aus der in Fig. 13 dargestellten Abhängigkeit der Intensität des Anregungsstrahls und den in Fig. 14 dargestellten Zeit-Antworteigenschaften als Entsprechungen des Lasereffektes der Flüstermodi betrachtet. In Fig. 13 bezeichnet IL die Intensität der Emission im Laserwellenlängenbereich und IF die Intensität von Emissionslicht in spontaner Emission des Wellenlängenbereichs spontaner Fluoreszenz.
In Fig. 14 bezeichnen Kurven c und b Zeit-Antworteigenschaften von Lichtemissionen bei Anregungsstrahlintensitäten unterhalb des Schwellenwertes bzw. oberhalb des Schwellenwertes. Die Kurve c zeigt ein typisches Profil für spontane Emission, während die Kurve b durch ein abrupten Anstieg nach dem Pumpstrahl und durch ein kurze Relaxationszeit gekennzeichnet ist, woraus geschlossen wird, daß die Kurve b ein Profil eines Lasereffektes zeigt.
Gemäß vorstehender Beschreibung kann das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung auch dann als eine Laserstrahlquelle funktionieren, wenn es nur eine einzige auf dem Substrat befestigte transparente Mikrokugel aufweist. Daher kann durch zwei- oder dreidimensionales Anordnen der transparenten Mikrokugeln und Befestigen dieser das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung als zwei- oder dreidimensionales Array für Planemissionslaser und optische Computer verwendet werden.

Beispiel 3

Als Beispiele nichtlinearoptischer Elemente, in welchen die transparente Mikrokugel eine auf dem Substrat befestigte transparente Verbundmikrokugel mit einer schalenartigen Schicht auf der Oberfläche einer transparenten Mikrokugel ist, sind Fig. 15A und 15B jeweils eine Querschnittsansicht des nichtlinearoptischen Elementes der vorliegenden Erfindung.
In der in Fig. 15A dargestellten Anordnung wurde eine aus Glas (Brechungsindex: 1,9) bestehende und einem Partikeldurchmesser von 40 um aufweisende Mikrokugel 34 mit Nilrot enthaltendem Polymethylmethakrylat 33 beschichtet, um eine transparente Verbundmikrokugel 35 zu erzielen, welche dann auf einem Quarzglassubstrat 32 befestigt wurde, um ein nichtlinearoptisches Element 30 der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Auch das nichtlinearoptische Element 30 der Erfindung gemäß Darstellung in Fig. 15B wurde durch Beschichtung der aus Glas (Brechungsindex: 1,5) bestehenden und einen Partikeldurchmesser von 40 um aufweisenden transparenten Mikrokugel 34 mit Nilrot enthaltenden Polystyrol 33 und Befestigung der sich ergebenden transparenten Verbundmikrokugel 35 auf dem Quarzglassubstrat 32 hergestellt. Bei einer Bestrahlung mit einem Anregungsstrahl wurde Fluoreszenzlicht aus dem in dem Polymethylmethakrylat oder Polystyrol enthaltenen Nilrot emittiert, und das emittierte Licht wurde in die transparente Mikrokugel eingeleitet und darin gemäß Darstellung in Fig. 15A eingeschlossen, oder breitete sich in der Schicht (dem festes Medium oder dem nichtlinearoptischen aktiven Teil) 33 gemäß Darstellung in Fig. 15B aus. Der Unterschied in dem Bereich, in welchem sich der Flüstermodus aufbaute, hängt von dem Unterschied des Brechungsindex zwischen der transparenten Mikrokugel 34 und der an der transparenten Mikrokugel 34 anliegenden Beschichtungslage ab.

Beispiel 4

Ein nichtlinearoptisches Element mit demselben Aufbau wie das von Beispiel 1 wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
Auf die das nichtlinearoptische Element bildende transparente Mikrokugel wurde ein Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm zum Erzeugen von Laseremissionsmodi in einem Wellenlängenbereich von 600 bis 630 nm gestrahlt und dann ein Steuerstrahl (zweiter Anregungsstrahl) mit einer Wellenzahl (Wellenlänge) gleich der des spezifizierten Laserbereichs zusätzlich aufgestrahlt. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß die Intensität einer Lasermission bei der spezifizierten Wellenzahl (Überwachungswellenzahl) abhängig von der Wellenzahl der Steuerstrahls reduziert wurde oder nicht.
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Messen nichtlinearoptischer Eigenschaften des Elementes der vorliegenden Erfindung darstellt. Die in Fig. 16 dargestellte Vorrichtung weist im wesentlichen dieselbe Konstruktion wie die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung auf. Unterschiede bestehen darin, daß ein Farbstofflaser 59 (Rhodamin 610) zur Emission eines Steuerstrahls vorgesehen ist und die Pin- Photodiode 80 in der in Fig. 16 dargestellten Vorrichtung weggelassen ist. Die Farbstofflaser 58 und 59 sind zueinander parallel geschaltet und der Strahl aus dem Excimerlaser 56 wird von dem Strahlteiler 76 aufgesplittet und in die jeweiligen Farbstofflaser eingeleitet. Der aus dem Farbstofflaser 59 austretende Strahl kann mit dem aus dem Farbstofflaser 58 austretenden Strahl über den Spiegel 60 und den Halbspiegel 76 kombiniert werden. Dieselben oder ähnliche Teile oder Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
Ein Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm wurde auf das nichtlinearoptische Element mit oder ohne Bestrahlung durch einen Steuerstrahl gestrahlt und Lichtemissionsmodi und (mittels einer numerischen Berechnung abgeschätzte) Flüstermodi erhalten. Die erzielten Ergebnisse sind in den Fig. 17A und 17B dargestellt. Fig. 17A stellte die Beziehung zwischen dem Lichtemissionsmodus und dem Flüstermodus dar, wenn das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung nur mit dem Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm bestrahlt wurde. In Fig. 17A werden scharfe Spitzen bei Wellenzahlen in dem Bereich zwischen 16150 und 16550 (Wellenlängen: 619 und 604 nm) beobachtet. Fig. 17B stellt die Beziehung zwischen der reduzierten Laseremissionsintensität bei einer Wellenzahl von 16390 (Wellenlänge: 610 nm) und dem Flüstermodus dar, wenn das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung mit demselben Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm zusammen mit einem Steuerstrahl aus dem Rhodamin 610 Laser 59 unter kontinuierlicher Änderung der Wellenzahl des Steuerstrahls von 16150 bis 16550 cm&supmin;¹ (Wellenlänge: 619 bis 604 nm) bestrahlt wurde. Die wichtigen Fakten sind die, daß die verriegelten Modi (Modi mit reduzierten Laseremissionsintensitäten, wie sie durch die Pfeile in Fig. 17B dargestellt sind, dieselben Ordnungszahlen s wie die Überwachungswellenzahl (16390 cm&supmin;¹) aufweisen, und daß die Intervalle zwischen den verriegelten Modi regelmäßig und periodisch sind. Hier ist die Ordnungszahl ein Index der die Verteilung des elektromagnetischen Feldes in der radialen Richtung der Mikrokugel angibt. In diesem Beispiel sind die Ordnungszahlen s = 2 und s = 3 dieselben wie die in Fig. 17A und 17B dargestellten. Das Ein- oder Ausschalten des Steuerstrahls, welches zu einer Injektionsmodusverriegelung oder Erholung davon führt, findet mit einer Ansprechgeschwindigkeit in Picosekunden statt, und somit kann das nichtlinearoptische Element als ein bei Raumtemperatur arbeitender sehr schneller optischer Schalter verwendet werden. Die Tatsache, daß die Bestrahlung mit dem Steuerstrahl (s = 5) mit einer Wellenzahl von 16320 cm&supmin;¹ keine Injektionsmodusverriegelung in den Überwachungslaseremissionsmodi (s = 2, 3) bei 16390 cm&supmin;¹ bewirkt, ermöglicht die Bestrahlung mit mehreren Steuerstrahlen mit unterschiedlichen Wellenzahlen und demzufolge eine Änderung (Vergrößerung/Verkleinerung) von Lichtemissionsspitzen in unterschiedlichen Ordnungszahlen, d. h., die Realisierung eines optisch steuerbaren Mehrfachmodusspeichers.

Beispiel 5

Unter Verwendung desselben nichtlinearoptischen Elementes und derselben Vorrichtung zum Messen nichtlinearoptischer Eigenschaften wie denen in Beispiel 4, wurden die nachstehenden Tests ausgeführt, um zu bestätigen, daß das nichtlinearoptische Element als ein optischer Verstärker wirkt.
D. h., die Nilrot enthaltende Polystyrol-Mikrokugel mit einem Partikeldurchmesser von 40 um wurde mit einem Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm bestrahlt, um Lichtemissions-(Laser)-Modi in einem Wellenlängenbereich von 600 bis 630 nm zu erzeugen, und dann wurde ein Steuerstrahl (zweiter Anregungsstrahl) mit einer Wellenlänge von 610 nm zusätzlich aufgestrahlt, um eine Injektionsmodusverriegelung zu bewirken. Die Intensitäten der Laseremission vor und nach der Bestrahlung mit dem Steuerstrahl wurde gemessen und integriert. Unter Berücksichtigung des Einflusses der Streuung wurde ein Vergleich zwischen den integrierten Laserintensitäten durchgeführt. Der Anstieg in der Intensität der Laseremissionen ist einer teilweisen Umwandlung spontaner Emission in Laseremission zuzurechnen. Die Ergebnisse zeigen, daß das nichtlinearoptische Element der vorliegenden Erfindung als ein optischer Verstärker (lichtverstärkendes Element) funktioniert.
Fig. 18A, 18B und 18C sind schematische Teildraufsichten, welche jeweils die Verbindung des nichtlinearoptischen Elementes der vorliegenden Erfindung mit optischen Fasern zum Erzielen einer Injektionsmodusverriegelung oder Photoverstärkung darstellen. In den Fig. 18A, 18B und 18C ist das nichtlinearoptische Element 30 mit zwei oder mehr optischen Fasern 82 verbunden. Pfeile a, b und c bezeichnen die Ausbreitungsrichtungen eines Anregungsstrahls, eines Steuerstrahls und · eines Signalstrahls (Lichtemission) nach der Steuerung. Offensichtlich erlaubt die Anordnung eines Netzwerkes, welches ein derartiges nichtlinearoptisches Element (transparente Mikrokugel) in zwei oder drei Dimensionen aufweist, eine Parallelbearbeitung von Information.

Beispiel 6

Eine transparente Mikrokugel aus Silikatglas mit drei Gew.-% Nd&sub2;O&sub3; als einer nichtlinearoptischen aktiven Substanz und mit einer regelmäßigen Kugelform mit einem Partikeldurchmesser von 50 um und mit einer glatten Oberfläche (Brechungsindex = 1,55, Transparenz = 2 · 10 cm&supmin;¹, dritten nichtlinearoptischen Koeffizienten χ³ = 10&supmin;¹³ esu oder höher) wurde in herkömmlicher Weise hergestellt und auf einem Quarzglassubstrat in derselben Weise wie in Beispiel 1 befestigt, um ein nichtlinearoptisches Element zu erhalten.
Dann wurde unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung zum Messen nichtlinearoptischer Eigenschaften ein roter Laserstrahl aus einem Halbleiterlaser (Energie = 10 bis 100 mW) als ein Anregungsstrahl auf das nichtlinearoptische Element gestrahlt. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß ein Lasereffekt in dem Band von 1062 nm stattfand.
Ähnlich führte die Verwendung eines Laserstrahle mit einer Wellenlänge des 800 nm Bandes aus einem roten Farbstofflaser als Anregungsstrahl zu einem Lasereffekt.
Ferner wurde ein weiteres nichtlinearoptisches Element in derselben Weise wie vorstehend mit der Ausnahme erzeugt, daß die transparente Mikrokugel unter Verwendung von Phosphatglas anstelle von Silikatglas hergestellt wurde. Eine zur vorstehenden ähnliche Messung wurde an diesem nichtlinearoptischen Element durchgeführt, welche bestätigte, daß ein Lasereffekt in dem Band von 1054 nm auftrat.
Ähnliche Tests wie diejenigen in Beispiel 3, die an dem letzteren nichtlinearoptischen Element ausgeführt wurden, betätigten, daß eine Injektionsmodusverriegelung des Laserstrahls und darauf basierende Schaltphänomene auftraten.
Ferner wurde eine ähnliche Messung wie die vorstehende an den transparenten Mikrokugeln aus Silikatglas und an den transparenten Mikrokugeln aus Phosphatglas mit variierten Partikeldurchmessern in dem Bereich von 10 bis 100 um durchgeführt, was ähnliche Ergebnisse wie die vorstehenden ergab.

Beispiel 7

Regelmäßig runde transparente Mikrokugeln bestehend aus Nilrot enthaltendem Polystyrol und mit einem Partikeldurchmesser von 40 um (Variationskoeffizient = 2,8%) wurden in derselben Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, und auf einem aus Glas bestehenden Substrat unter Verwendung eines Klebers (festen Mediums) in derselben Weise wie im Beispiel 1 so hergestellt, daß die transparenten Mikrokugeln in zwei Dimensionen ohne gegenseitige Berührung angeordnet waren, um ein nichtlinearoptisches Element zu erhalten.
Auf die das nichtlinearoptische Element bildenden transparenten Mikrokugeln wurde ein Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm zur Erzeugung von Flüstermodi gestrahlt und in diesem Zustand wurde einer roter Steuerstrahl zusätzlich aufgestrahlt. Als Ergebnis wurde eine starke reflektierte Welle beobachtet, welche aufdeckte, daß das nichtlinearoptische Element auch als phasenkonjugierter Spiegel arbeitet.

Beispiel 8

Unter Bezugnahme auf Fig. 19, welche eine schematische Querschnittsansicht ist, die ein nichtlinearoptisches Element dieses Beispiels darstellt, wird die Übertragung des Flüster modus von Mikrokugel zu Mikrokugel und die Verstärkung der Emissionsintensität erläutert.
Drei regelmäßig runde transparenten Mikrokugeln bestehend aus Nilrot enthaltendem Polystyrol und mit einem Partikeldurchmesser von 40 um (Variationskoeffizient = 2,8%) wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Die transparenten Mikrokugeln 34a, 34b und 34c wurden auf dem aus Quarz bestehenden Substrat 32 in derselben Weise wie in Beispiel 1 so angeordnet, daß die transparenten Mikrokugeln 34a, 34b und 34c in einer Linie mit gegenseitiger Berührung angeordnet waren, um ein nichtlinearoptische Element zu erhalten, in welchem der nichtlinearoptische aktive Bereich innerhalb der entsprechenden transparenten Mikrokugeln 34a, 34b und 34c vorhanden ist.
Auf den nichtlinearoptischen aktiven Bereich einer der transparenten Mikrokugeln der an einer Seite des Tripletts (linke Seite von Fig. 19) vorliegt, d. h., auf die erste transparente Mikrokugel 34a wurde ein Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm aufgestrahlt, um Flüstermodi mit Wellenlängen in dem Bereich von 600 bis 630 nm nicht nur in der ersten Mikrokugel 34a sondern auch in der zweiten Mikrokugel 34b, welche die erste direkt berührt, und in der dritten Mikrokugel 34c, welche die erste Mikrokugel indirekt oder über die zweite Mikrokugel 34b berührt, zu erzeugen. Die Aufstrahlung eines Steuerstrahls mit einer Wellenlänge in dem Bereich der Wellenlängen einer Laseremission durch die optische Faser 64 auf die dritte Mikrokugel in derselben Weise wie im Beispiel 5 führte zu einer Verstärkung der Intensität einer Lichtemission aus der dritten Mikrokugel 34c.

Beispiel 9

Regelmäßig runde transparente Mikrokugeln aus Nilrot enthaltendem Polystyrol und mit Partikeldurchmesser von 30 um bzw. 40 um wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und auf einem aus Glas bestehenden Substrat unter Verwendung einer Klebers (festen Mediums) in derselben Weise wie in Beispiel 1 so befestigt, daß die transparenten Mikrokugeln einander berührend angeordnet waren, um ein nichtlinearoptisches Element zu erhalten. Auf die transparente Mikrokugel mit einem Partikeldurchmesser von 40 um wurde selektiv ein Anregungsstrahl mit einer Wellenlänge von 530 nm in derselben Weise wie im Beispiel 1 aufgestrahlt. Als Ergebnis wurde beobachtet, daß ein Teil der Flüstermodi, die sich in der 40 um Mikrokugeln aufbauen sollten, in die 30 um Mikrokugel übertragen wurde, was zu einer Vereinfachung der Modi führt. Die Ergebnisse zeigen, daß es möglich ist, Flüstermodi zu vereinfachen, wenn das transparente Mikrokugeln mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern aufweisende nichtlinearoptische Element verwendet wird. Ferner wurde bestätigt, daß in einem Zustand, in welchem Flüstermodi in den entsprechenden transparenten Mikrokugeln mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt werden, die Aufstrahlung eines Steuerstrahls auf eine Mikrokugel in der derselben Weise wie in Beispiel 3, die Steuerung von Laseremissionsmodi in einer anderen Mikrokugel ermöglichte.
Ferner verkleinerte die Aufstrahlung eines Steuerstrahls mit einer Wellenlänge (610 nm), die derjenigen des für die eine transparente Mikrokugel charakteristischen Modus entspricht, die Intensität der Lichtemission mit einer Wellenlänge (510, 5 nm), die derjenigen des für die andere transparente Mikrokugel charakteristischen Modus entspricht, auf 10% oder weniger der Intensität ohne Bestrahlung mit dem Steuerstrahl. Die Ergebnisse zeigen, daß die Verbindung transparenter Mikrokugeln die Kopplung von Lichteinschlußmodi ermöglicht.
Daher kann das nichtlinearoptische Element mit den in eindimensionaler, zweidimensionaler oder dreidimensionaler Weise angeordneten und befestigten transparenten Mikrokugeln in stark gerichteten Lichtquellen, Kurzimpuls-Lichtquellen usw. auf der Basis der Modi mehrerer transparenter Mikrokugeln und synchronisierter Lasereffekte, und auch in optischen Integrierten Schaltungen zur Signalübertragung auf der Basis einer Sammlung oder eines Arrays transparenter Mikrokugeln verwendet werden.

Beispiel 10

Ein nichtlinearoptisches Element mit zwei transparenten Mikrokugeln mit Partikeldurchmessern von 30 um bzw. 40 um wurde in derselben Weise wie in Beispiel 9 hergestellt. Die Mikrokugeln mit 30 um und mit 40 um wurden gleichzeitig in derselben Weise wie in Beispiel 1 angeregt. Als Folge wurde eine Multimodus-Laseremission komplexer als und sich aus der Kopplung der für die jeweilige Mikrokugel charakteristischen Laseremissionsmodi ergebend beobachtet. Das Ergebnis zeigt, daß eine Verbindung der Mikrokugeln untereinander eine Diversifikation der Lichtemissionsmodi ermöglicht.

Beispiel 11

Eine transparente Mikrokugel aus Silikatglas mit drei Gew.-% Nd&sub2;O&sub3; als einer nichtlinearoptischen aktiven Substanz und mit einer regelmäßigen Kugelform mit einem Partikeldurchmesser von 50 um und mit einer glatten Oberfläche (Brechungsindex = 1,55, Transparenz = 2 · 10 cm&supmin;¹, dritten nichtlinearoptischen Koeffizienten χ³ = 10&supmin;¹³ esu oder höher) wurde in herkömmlicher Weise hergestellt und auf einem aus Quarzglas (Brechungsindex: 1,45) bestehenden Prisma unter Verwendung eines Fluor-haltigen photohärtenden Mittels (Brechungsindex 1,45) in derselben Weise wie in Beispiel 1 befestigt, um ein nichtlinearoptisches Element zu erhalten.
Dann wurde ein Anregungsstrahl auf das nichtlinearoptische Element unter Verwendung eines Halbleiterlasers als Anregungsstrahlquelle und unter Wahl der Wellenlänge des Anregungsstrahls in der Weise aufgestrahlt, daß die Transparenz von Neodym-Glas 20 cm&supmin;¹ oder höher, und die Absorptionsintensität der Nd³&spplus;-Ionen 0,5 bis 50% der Absorptionsintensität bei λmax war. Die Intensitäten der Absorptionsspektren wurden unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung für die Messung nichtlinearoptischer Eigenschaften gemessen. Als Ergebnis wurde eine von der Intensität des Anregungsstrahls abhängige optische Bistabilität beobachtet, was zeigt, daß das nichtlinearoptische Element als ein intrinsisches, optisch bistabiles Element funktionieren kann.
Die Erfindung wurde detailliert in Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, und aus dem Vorstehenden wird es nun für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein, daß Änderungen und Modifikationen ausgeführt werden können ohne von der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Nichtlinearoptisches Element (30) mit einem Substrat (32) und mindestens einer auf dem Substrat (32) befestigten transparenten Mikrokugel (35), dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Mikrokugeln (35) aus zwei Substanzen bestehen, nämlich aus einer nichtlinearoptischen aktiven Substanz und einem organischen Polymer, daß die transparente Mikrokugel (35) aus einem Kernpartikel (34) besteht, das aus einer der beiden Substanzen hergestellt ist, daß eine äußere schalenartige Schicht (33), welche auf dem Kernpartikel (34) ausgebildet ist, aus der anderen der beiden Substanzen hergestellt ist, und daß die nichtlinearoptische Substanz einen nichtlinearoptischen Koeffizienten χ³ von 10&supmin;¹³ esu oder größer aufweist.

2. Nichtlinearoptisches Element nach Anspruch 1, wobei das nichtlinearoptisches Element (30) ferner ein festes Medium (36) aufweist, mittels welchem die mindestens eine transparente Mikrokugel auf dem Substrat befestigt ist.

3. Nichtlinearoptisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die schalenartige Schicht (33) die Oberfläche des Kernpartikels (34) konzentrisch dazu überdeckt.

4. Nichtlinearoptisches Element nach Anspruch 3, wobei die schalenatige Schicht (33) das nichtlinearoptische aktive Substanzsystem aufweist.

5. Nichtlinearoptisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Element (30) mehrere von den transparenten Mikrokugeln (34) in eindimensionaler Anordnung aufweist.

6. Nichtlinearoptisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Element (30) mehrere von den transparenten Mikrokugeln (34) in zweidimensionaler Anordnung aufweist.

7. Nichtlinearoptisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Element (30) mehrere von den transparenten Mikrokugeln (34) in dreidimensionaler Anordnung aufweist.

8. Nichtlinearoptisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die transparente Mikrokugel (35) einen Partikeldurchmesser von 1 bis 200 um aufweist.

9. Nichtlinearoptisches System, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

1) eine Anregungsstrahlquelle (56), und

2) ein nichtlinearoptisches Element (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Nichtlinearoptisches System nach Anspruch 9, ferner mit:

3) einer Steuerstrahlquelle (59), die optisch mit dem nichtlinearoptischen Element (30) verbunden ist.

11. Verfahren zum Verstärken von Licht mit den Schritten:

1) Bereitstellen einer Anregungsstrahlquelle (56) und eines nichtlinearoptischen Elementes (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das optisch mit der Anregungsstrahlquelle (56) verbunden ist;

2) Aufstrahlen eines Anregungsstrahls aus der Anregungsstrahlquelle (56) auf das nichtlinearoptische Element (30) zum Anregen eines nichtlinearoptischen aktiven Mediums in der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34); und

3) Einleiten eines Signalstrahls in die mindestens eine transparente Mikrokugel (34) und wiederholtes Reflektieren des Strahls in der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34), um den Signalstrahl zu verstärken.

12. Verfahren zum Verstärken von Licht nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt:

4) Aufstrahlen eines Steuerstrahls aus einer Steuerstrahlquelle (59) auf die mindestens eine transparente Mikrokugel (34), wobei der Steuerstrahl eine spezifizierte Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich aufweist, der gleich dem des Signalstrahls ist, um dadurch die Lichtemissionsintensität des Signalstrahls in der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34) zu erhöhen.

13. Verfahren zum Steuern des Injektionsmodus mit den Schritten:

2) Aufstrahlen eines Anregungsstrahls aus der Anregungsstrahlquelle (56) auf das nichtlinearoptische Element (30) zum Einleiten des Anregungsstrahls in die mindestens eine transparente Mikrokugel (34), um einen Strahl in der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34) zu emittieren;

3) wiederholtes Reflektieren des Strahls in der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34) zum Bewirken einer Laseremission, um einen Laserstrahl zu emittieren; und

4) Aufstrahlen eines Steuerstrahls aus einer Steuerstrahlquelle (59) auf die mindestens eine transparente Mikrokugel (34), wobei der Steuerstrahl eine spezifizierte Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich aufweist, der entsprechend dem des Laserstrahls ist, um dadurch die Laseremissionsintensität der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34) zu erhöhen, um den Injektionsmodus bei einer Ordnungszahl entsprechend der des Steuerstrahls zu steuern.

14. Verfahren zum optischen Schalten mit den Schritten:

3) wiederholtes Reflektieren des Strahls in der mindestens einen transparenten Mikrokugel zum Bewirken einer Laseremission, um einen Laserstrahl zu emittieren;

4) Aufstrahlen eines Steuerstrahls aus einer Steuerstrahlquelle (59) auf die mindestens eine transparente Mikrokugel (34), wobei der Steuerstrahl eine spezifizierte Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich aufweist, der entsprechend dem des Laserstrahls ist, um dadurch die Laseremissionsintensität der mindestens einen transparenten Mikrokugel (34) zu erhöhen, um den Injektionsmodus bei einer Ordnungszahl entsprechend der des Steuerstrahls zu steuern; und

5) Ein- und Ausschalten des Steuerstrahls, um optisches Schalten zu realisieren.

15. Verfahren zum Koppeln von Flüstermodi mit den Schritten:

1) Bereitstellen einer Anregungsstrahlquelle (56) und eines nichtlinearoptischen Elementes (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das optisch mit der Anregungsstrahlquelle (56) verbunden ist;

2) Aufstrahlen eines Anregungsstrahls aus der Anregungsstrahlquelle (56) auf das nichtlinearoptische Element (30) zum Einleiten des Anregungsstrahls in die mehreren transparenten Mikrokugeln (34), um mindestens einen Strahl zu erzeugen; und

3) wiederholtes Reflektieren des mindestens einen Strahls in den mehreren transparenten Mikrokugeln (34).

16. Verfahren zum Koppeln von Flüstermodi nach Anspruch 15, ferner mit dem Schritt:

4) Aufstrahlen eines Steuerstrahls auf mindestens eine von den mehreren transparenten Mikrokugeln (34) mit einer spezifizierten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich entsprechend der, die für die eine von den mehreren transparenten Mikrokugeln (34) charakteristisch ist, um dadurch die Flüstermodi zu steuern.

17. Verfahren zum Koppeln von Flüstermodi nach Anspruch 15 oder 16, wobei mindestens zwei von den mehreren transparenten Mikrokugeln (34) jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

18. Anwenden eines nichtlinearoptischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei der Steuerung nichtlinearoptischer Eigenschaften einer optischen Vorrichtung.