Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere von Licht Unter den nicht mechanischen Verfahren zur Lichtsteuerung hat bisher nur der Kerr-Effekt grö ssere Bedeutung erlangt. Dieser beruht bekanntlich darauf, dass manche Flüssigkeiten im elektrischen Feld doppelbrechend werden. Aber auch der Kerr- Effekt besitzt grosse Nachteile, die eine umfassendere praktische Anwendung verhindern. Zu diesen Nach teilen gehören z. B.
1. Die relativ geringe Lichtausbeute, die wegen der Verwendung polarisierten Leichtes stets unter 50 0/a liegt, 2. Die Notwendigkeit hoher Spannungen, 3. Die Tatsache, dass eine flächenhafte Bildver stärkung nicht zu erzielen ist.
Aus diesem Grunde konnte der Kerr-Effekt z. B. auf dem Gebiet des Fernsehens oder zur Bildverstär kung nicht eingesetzt werden.
Es wurde nun gefunden, dass man eine Steuerung elektromagnetischer Strahlen, z. B. Licht auch da durch erreichen kann, dass man erfindungsgemäss durch ein elektrisches Feld in einem Medium, z. B. Elektrolytlösung oder Kolloidsystem, mit in diesem Feld wandernden Komponenten an einer Grenzfläche, z. B. Membran, Konzentrationsänderungen und da durch bedingte Änderungen der optischen Eigen schaften des Mediums zur Steuerung ausnutzt. Bei kolloiden Systemen sind solche Konzentrationsän derungen von den Verfahren der Elektrodekatation und Elektroosmose her bekannt.
Ebenso sind seit den Arbeiten von Bittorf (1853) die Konzentrations änderungen an Elektroden beim Stromdurchgang durch Elektrolytlösungen bekannt. Insbesondere sind es der Brechungsindex und die Absorptionskonstante, die in der Umgebung der Elektroden und Membra nen im elektrischen Feld durch die beschriebene Kon zentrationsänderung geändert werden. Das Raumge- biet, in dem die Änderungen der optischen Eigen schaften auftreten, soll @im folgenden mit Steuer schicht bezeichnet werden. Diese Änderungen der optischen Eigenschaften können nun in bekannter Weise nach verschiedenen Methoden sichtbar gemacht werden, so z.
B. durch Schlierenmethoden, Phasen kontrastverfahren, Dunkelfeldmethoden oder auch durch die Beeinflussung der Totalreflexion. Bei den ersten drei Verfahren tritt das Licht entweder einmal oder nach Reflexion mehrmals durch die Steuer schicht hindurch, bei der letzten Methode werden durch die Konzentrationsänderungen die Voraussetzungen für eine Totalreflexion geschaffen oder aufgehoben, je nach dem benutzten System. Es lassen sich sowohl die Konzentrationserhöhungen wie auch die Konzen- trationsverarmungen in der Steuerschicht ausnutzen.
Geeignete Systeme sind wässnige und nichtwässrige Lösungen von Elektrolyten, makromolekularen Sub stanzen, Farbstoffen, wässrige und nichtwässrige kol loide Systeme (Sole, Gele), solubilisierte Systeme (z. B. Chlorbenzol in wässriger Dimethylaminhydro- chloridlösung).
Für den Effekt ist es optimal, wenn der Bre chungsindex der gelösten Substanz (z. B. Ionen, Kol- loidteilchen) möglichst stark verschieden ist von dem des Lösungs- oder laispersionsmittels, und wenn die Konzentration möglichst hoch ist, so dass der Bre chungsindex, z. B. der- Lösung, stark verschieden ist von dem des Lösungsmittels. Um die aufzuwen dende elektrische Energie klein zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die pro elektrische Ladungseinheit überführte Substanzmenge möglichst gross ist.
Bei der Totalreflexion kann auch die Änderung der Ab sorptionskonstante in der Steuerschicht benutzt her- den.
Die Strahlung, deren Intensität gesteuert wird, braucht nicht dem sichtbaren Wellenlängenbereich anzugehören; es kann sich ebensogut um ultraviolet tes Licht oder um Röntgenstrahlen handeln.
Für die Ausbildung der Konzentrationsänderung wird eine Zeit benötigt, die abhängt von der Feld stärke, der Beweglichkeit der Teilchen sowie von der Dicke der Schicht, deren Konzentration geändert wird; Schichtdicken von einer Wellenlänge reichen im allgemeinen zur Aussteuerung aus. Die Beweg lichkeit der Teilchen liegt in der Grössenordnung von 1 ,u\sec pro V'cm, oft ist sie noch wesentlich grösser. Die maximal möglichen Feldstärken liegen in der Grössenordnung von 105 V(cm. Rechnet man mit einer Schichtdicke von 1jc, so ergeben sich für die volle Aussteuerung Zeiten von 10-5 sec und weniger.
Die Rückgängigmachung der Konzentrationsänderun gen kann durch Diffusion, elektrische Gegenimpulse oder Ultraschallwellen erfolgen.
Der Brechungsindex von konzentrierten Systemen kann von dem Brechungsindex des reinen Lösungs- bzw. Dispersionsmittels um<I>An</I> = 0,1 bis 0,2 abwei chen. Die bei Stromdurchgang auftretende Änderung des Brechungsindex, z. B. bei Wasser von 1,5 auf <B>1,33,</B> entspricht einem Grenzwinkel der Totalrefle xion von 63 , das heisst einem Öffnungswinkel von 27 . Durch die Brechung des Lichtes an der Eintritts fläche ergibt sich der praktisch ausnutzbare C)ffnungs- winkel zu i 40 .
Der für den Phasenkontrast mass gebende optische Wegunterschied hängt von der Schichtdicke<I>d</I> ab und beträgt<I>d n - d,</I> für<I>d n = 0,2</I> und d = l0-4 cm = 1 /c, also 0,2,u, das heisst 2!3 für eine Wellenlänge von 600 m p. Dieser optische Weg unterschied reicht zur Aussteuerung bei Phasenkon trast völlig aus.
Die für einen einmaligen Effekt notwendige elek trische Energie hängt von dem spezifischen Wider stand des Systems, der Grösse der Steuerfläche (der Elektrode oder Membran) und der angelegten Span nung, bei vorgegebener Feldstärke also von dem Elektrodenabstand ab. Sie beträgt z. B. für eine Feld stärke von 103 V.!cm, einen Elektrodenabstand von l0-2<B>cm=</B> 0,1 mm, das heisst eine Spannung von 10 V, und einen spezifischen Widerstand von 10s Q <B><I>-</I></B>cm weniger als 10-2 Wattsekunden pro cm2 Steuerfläche.
Für die praktische Anwendung ist der Verar mungseffekt an Membranen in kolloiden Systemen aus folgenden Gründen besonders günstig: 1. Die pro Ladungseinheit überführte Substanz menge ist besonders gross.
2. Der Mechanismus des Stromtransports be steht hier nicht - wie bei Elektrodenprozessen - in der Ausbildung einer Diffusionsschicht, sondern die geladenen Kolloidteilchen werden durch gleichgela dene Ionen, die durch die Membran einwandern, ersetzt.
3. Die Beweglichkeit, das heisst die Geschwindig keit pro Feldstärkeeinheit, der Kolloidteilchen ist von der gleichen Grössenordnung wie die der Ionen und durch Zusätze zu verändern. 4. Die Grenzfläche, an der sich die für den opti schen Effekt massgebenden Konzentrationsänderun gen abspielen, ist von der Elektrodenfläche mit ihren unter Umständen störenden Elektrodenreaktionen räumlich getrennt.
5. Aus 1. und 3. folgt, dass die zur Erzielung eines bestimmten optischen Effektes notwendige elek trische Energie besonders klein ist.
6. Bei geeigneter Wahl der Membran kann die elektroosmotische Wasserüberführung den Effekt noch vergrössern. Elektrode und Elektrolyt zusammen können bei geeigneter Wahl als Spannungsquelle be nutzt werden, so dass unter Umständen auf eine äussere Spannungsquelle verzichtet werden kann.
Abb. 1 zeigt eine beispielsweise Anordnung, bei der durch die Änderung der optischen Eigenschaften eine Beeinflussung der Totalreflexion erfolgt. Zwi schen zwei Elektroden 1 und 2 befindet sich, von den Membranen 3 und 4 abgeschlossen, eine kolloide Lösung 5, deren Teilchen elektrisch geladen sind, aber nicht durch die Membranen hindurchtreten können. Zwischen den Membranen und den Elek troden befindet sich eine Elektrolytlösung 6, die die leitende Verbindung zwischen den Elektroden und der kolloiden Lösung herstellt. Auf die Membran 3 fällt ein Lichtstrahl 7 auf.
Man kann nun die ver schiedenen Stoffe so auswählen, dass die Brechungs- indices von Elektrolytlösung 6, Membran 3 und kol loider Lösung 5 einander gleich sind. Ist dies der Fall, dann geht der Lichtstrahl 7 ungebrochen durch die Grenzfläche Membran - kolloide Lösung hindurch Sind die Teilchen der kolloiden Lösung z. B. positiv geladen, so findet bei Anlegung eines elektrischen Feldes, bei dem die obere Elektrode 1 die Anode ist, eine Abwanderung der Kolloidteilchen aus der Grenzschicht unmittelbar unterhalb der Membran 3 statt, so dass nun dort die Konzentration und damit - bei geeigneter Wahl des Kolloids - der Bre chungsindex geringer wird.
Dadurch trifft der Licht strahl 7 nunmehr auf ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex und wird, bei geeigneter Wahl des Einfallswinkels, total reflektiert (Strahl 8). Je nach der Dicke der verarmten Schicht kann auch eine teil weise Reflexion des Lichtes erfolgen (siehe z. B. L.
Bergmann, Cl. Schaefer, Lehrbuch der Experimental physik, Band 11I, 1, S. 334-343); auf diese Weise lässt sich die Intensität des reflektierten Lichtes zwi- schen Null und 100% (Totalreflexion!) steuern. Die Helligkeitssteuerung kann bei Frequenzen ober halb 20 Hertz bekanntlich auch dadurch erfol gen, dass das Verhältnis von Impulsdauer und Im pulspause variiert wird.
Bei der Anordnung nach Abb. 1 kann die obere Elektrode 1 auch als durchsichtige Elektrode direkt auf die Membran 3 aufgebracht werden. Sie kann auch unterhalb der Membran 3 angebracht werden; man hat dann nur dafür Sorge zu tragen, dass die Stromlinien im wesentlichen durch die Membran 3 hindurchgehen. Die Elektrode 2 kann ebenfalls in die kolloide Lösung 5 verlegt werden, wenn stö rende Elektronenreaktionen vermieden werden.
Wenn man die Anordnung so wählt, wie Abb. 1 zeigt, kann trotz grossen Elektrodenabstandes der grösste Teil des Spannungsabfalles in die kolloide Lösung verlegt werden, wenn die Leitfähigkeit des Elektrolyten 6 gross ist gegenüber der Leitfähigkeit der kolloiden Lösung 5.
Wenn man an Stelle des Elektrolyten 6 die gleiche kolloide Lösung 5 benutzt, treten an den Elektroden und den den Elektroden zugewandten Grenzflächen der Membranen ebenfalls Konzentrationsänderungen auf, die natürlich auch zur Lichtsteuerung benutzt werden können.
Man kann natürlich mit der Anordnung nach Abb. 1 auch eine Verringerung der Lichtintensität bei Anlegen des elektrischen Feldes erzielen; hierzu mass der Brechungsindex des kolloiden Systems zu nächst kleiner als der der Membran 3 sein. Bei Strom durchgang im richtigen Sinne findet eine Konzentra tionserhöhung und damfit eine Vergrösserung des Brechungsindex in der membrannahen Schicht statt, so dass die ursprünglich vorhandene Totalreflexion nunmehr mehr oder weniger aufgehoben wird.
Umgekehrte Effekte, wie sie oben beschrieben wurden, lassen sich natürlich erzielen, wenn der Brechungsindex der Teilchen kleiner ist als der des Dispersionsmittels.
Bei der Totalreflexion ist eine Aussteuerung der reflektierten Intensität bis auf Null z. B. auf folgende Arten möglich: a) Der Brechungsindex der Elektrode bzw. Mem bran ist gleich dem des Elektrolyten bzw. kolloiden Systems.
b) Das einfallende Licht äst parallel der Einfalls ebene linear polarisiert. Bei Beobachtung unter dem Polarisationswinkel ist die reflektierte Intensität gleich Null, während bei Totalreflexion die gesamte Inten sität reflektiert wird.
c) Das einfallende Licht ist linear polarisiert. Ein Analysator sperrt das regulär reflektierte, linear pola risierte Licht vollständig. Da das totalreflektierte Licht aber elliptisch polarisiert ist, geht ein grosser Teil durch den Analysator.
d) Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelele mente. Besitzt ein Element z. B. eine Rest-Reflexion von 511/o, so werden bei Hintereinanderschaltung von 3 Elementen nur noch 0,01211/a reflektiert.
Für die Sichtbarmachung der Konzentrationsän derungen lässt sich eine grosse Zahl von experimen tellen Anordnungen angeben, wie sie z. B. von den Methoden des Phasenkontrastes, der Dunkelfeldbeob- achtung und den Schlierenmethoden her bekannt sind. Es braucht hier nicht näher darauf eingegangen zu werden; das gemeinsame wesentliche Kennzeichen aller dieser Anordnungen besteht darin, dass die im elektrischen Feld auftretenden Konzentrationsände rungen und die daraus resultierenden Änderungen der optischen Eigenschaften mit an sich bekannten opti schen Methoden sichtbar gemacht werden.
Es sollen jetzt noch einige experimentelle Ergebnisse mitge teilt werden: An Silberelektroden in Silbernitrat-Lösung wurde die zeitliche Ausbildung der Steuerschicht sichtbar gemacht; ein Lichtstrahl, der zunächst unter einem grossen Einfallswinkel auf die Elektrode auftraf, wurde bei Stromdurchgang in der sich ausbildenden Diffusionsschicht so abgelenkt, als ob er an der Schicht reflektiert worden sei.
An dünnen Drahtelektroden wurden mittels Dun kelfeld- und Schlierenbeobachtung Zeiten für das Zustandekommen des Effektes von weniger als 10-5 sec erreicht.
Die Lichtsteuerung durch Beeinflussung der Totalreflexion an einer Membran (siehe Abb. 1) wurde mit in Wasser solubilisiertem Chlorbenzol so wie mit Polystyrolemulsionen nachgewiesen. Abb. 2 zeigt das Beispiel eines Oszillogramms; Kurve 9 stellt den elektrischen Impuls dar (Zeitdauer etwa 20 m sec, Feldstärke etwa 10 V/cm), Kurve 10 die mit einer Photozelle gemessene Intensität des reflek tierten Lichtes.
Eine solche Anordnung kann natür lich auch als photographischer Verschluss dienen; es wurden bereits Aufnahmen mit diesem elektroopti schen Verschluss hergestellt.
Das Einschalten und die Veränderungen des für den Effekt notwendigen elektrischen Feldes kann z. B. auf folgende Arten erfolgen: mechanisch, elektrisch, magnetisch, elektromagnetisch, thermoelektrisch. Es kann auch durch Korpuskularstrahlen (z. B. Elektronen, Ionen) erfolgen, entweder direkt oder über die durch Korpuskularstrahlen bewirkten Leitfähigkeitsänderun- gen von Halbleiterschichten.
Ferner können auch elektromagnetische Strahlungen (Röntgenstrahlen, ultraviolettes sichtbares oder ultrarotes Licht) über die bekannten photoelektrischen Effekte die für die Lichtsteuerung notwendigen Änderungen des elek trischen Feldes hervorrufen. In Abb. 3 ist das Schema einer solchen Anordnung beispielsweise dargestellt. Die einfallende Strahlung 20 (z. B. Elektronen oder Licht) fällt durch eine dünne Metallschicht 11, die als Elektrode dient, auf eine Halbleiterschicht 12, die bei Bestrahlung ihren elektrischen Widerstand ändert.
Über eine Elektrodenschicht 13 werden die resultie renden Stromänderungen auf ein System analog Abb. 1 übertragen (14 Elektrolytlösung, 15 Mem bran, 16 kolloides System, 17 Membran, an der die Lichtsteuerung erfolgt, 18 Elektrolyt, 19 Elektrode). Je nach der Intensität der auffallenden Strahlung 20 wird die Intensität des reflektierten Lichtes 22, ganz analog wie oben bei Abb. 1 beschrieben, verändert. Fällt keine 'Strahlung auf die Halbleiterschicht 12, so geht das Licht 21 ungebrochen durch die Mem bran 17 hindurch. 23 ist eine Spannungsquelle.
Bei Beschuss mit Elektronenstrahlen kann die Elektrode 11 bzw. 13, die Halbleiterschicht 12 und die Spannungsquelle 23 fortfallen; die Beschleuni gungsspannung für die Elektronen liegt dann zwi schen Elektronenquelle (z. B. Glühkathode) und Elek trode 19. Dann ist der fliessende Strom direkt durch die auffallenden Elektronen 20 gegeben.
Bei der An ordnung gemäss Abb. 3 besteht aber die Möglich keit, den Elektronenstrom zu verstärken und den Steuer strom (das ist der Strom, der die Lichtintensität steuert) länger fliessen zu lassen als den primären Elektronenstrom 20; dies bedeutet, dass man das Elektronenbild speichern kann, was zu einer wei teren effektiven Bildverstärkung führt. Ganz analog lässt sich natürlich auch das Bild elektromagne tischer Strahlung vermittels der Halbleiterschicht 12 speichern.
Um eine wirkliche Bildverstärkung und Bildwand lung auf diese Weise durchzuführen, muss man die Komponente des elektrischen Feldes, die parallel zur Membran 17 verläuft, in dem Raumgebiet zwischen Elektrode 11 und Membran 17 möglichst klein ma chen. Dies kann z. B. durch sehr dünne !Schichten 12, 13, 14, 16 und ein gut homogenes elektrisches Feld zwischen 11 und 19 geschehen.
Sehr vorteilhaft ist eine Unterteilung von 13, 14 und 16 in Einzelzellen sehr kleiner Grösse mittels isolierender Zwischen wände (nicht dargestellt), wodurch auch bei längerem Bildstand ein Konzentrationsausgleich unter den be nachbarten Volumenelementen verhindert wird. Im letzteren Falle erhält man ein Bildraster, dessen Feinheit durch die Grösse der Einzelzellen bestimmt ist.
Die Intensitätssteuerung des reflektierten Bildes kann wieder, wie oben bereits beschrieben, durch die Stromstärke oder, bei konstantem Strom, durch die Zeit erfolgen, die der Steuerstrom, relativ zu den Dunkelpausen, fliesst.
Zum Zwecke der Bildwandlung und Bildver-_ Stärkung lassen sich wieder zahlreiche Anordnungen angeben, die aber letztlich alle darauf hinauslaufen, das primäre Bild vermittels der bekannten photo elektrischen Effekte in entsprechende Stromstärke- oder Spannungsänderungen umzuwandeln und damit, wie oben beschrieben, das Licht einer Fremdlicht quelle zu steuern.
Das hier beschriebene Verfahren zur Lichtsteue rung lässt sich z. B. auf folgenden Gebieten anwenden: A) als photographischer Verschluss.
B) zur Lichtsteuerung für Tonfilmzwecke.
C) als stroboskopische Lichtquelle grosser Hel ligkeit ohne mechanisch bewegte Teile, wobei jede beliebige Primärlichtquelle verwendet werden kann.
D) als Bildverstärker für sichtbares Licht, z. B. für Projektionszwecke.
E) als Bildwandler und Bildverstärker für ultra rotes Licht.
F) als Bildwandler und Bildverstärker für Rönt genstrahlen, z. B. für die medizinische Untersuchung oder die technische Materialprüfung.
G) als Bildwandler und Bildverstärker für ultra violettes Licht, z. B. für die Ultraviolett-Mikroskopie. H) als Bildwandler und Bildverstärker für Elek tronenbilder, z. B. für die Elektronenmikroskopie. J) als Bildwandler für die Strahlung radioaktiver Isotope. K) als Bildspeicher für Kurzzeitaufnahmen: ein Bild von sehr kurzer Zeitdauer, zum Beispiel 10-5 sec, kann sehr lange, z. B. 1 sec, gespeichert werden und während der ganzen Speicherzeit photographisch wirksam sein.
L) zur Fernseh-Projektion: das primäre Elektro nenbild der Braunschen Röhre wird, wie oben be schrieben, in ein sichtbares Bild umgewandelt; dieses kann mit beliebiger Grösse und Helligkeit projiziert werden. Das Verfahren kann auch im normalen Fern sehempfänger angewandt werden und bringt folgende Vorteile: a) es braucht nicht mehr mit so hohen Span nungen wie bisher gearbeitet zu werden, b) die grossen evakuierten Bildröhren fallen weg; es genügen zum Beispiel Schirmgrössen von 5 cm Durchmesser, c) grössere Bildhelligkeit und -grösse, d) verringerte Unfallgefahr, e) wesentliche Verbilligung der Herstellung.
M) als Empfänger von farbigen Fernsehbildern: Mit drei nach den hier vorgeschlagenen Verfah ren arbeitenden Bildröhren können die drei Farb- auszüge des Fernsehbildes übereinander projiziert werden, indem man drei Lichtquellen geeigneter Farbe verwendet bzw. von einer Lichtquelle über entsprechende optische Filter die Steuerflächen der drei Bildröhren beleuchtet.
Vorteile: a) Keine Sonderanfertigung von Bildröhren zum Farbempfang notwendig, b) bessere Farbabstufung möglich. Weitere Vorteile wie unter 11. beschrieben.
N) zur Sichtbarmachung von Ultraschallwellen, z. B. für die Materialprüfung. Der Ultraschall kann die Konzentrationsänderungen in der Steuerschicht, die im elektrischen Feld erzeugt werden, rückgängig machen.
O) für Zwecke der Bildtelegraphie als Licht relais.