DE102020006750A1

DE102020006750A1 - Gezielte und kontrollierte freiraumoptische Manipulation von Lichtstrahlung mittels weiterer, anderer Lichtstrahlung in einem fluiden und/oder festen Medium ohne Einsatz von diskreten, freiraumoptischen Komponenten

Info

Publication number: DE102020006750A1
Application number: DE102020006750.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-08-05
Also published as: DE102020006750A9

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur freiraumoptischen oder quasi-freiraumoptischen Manipulation (Strahlführung,-formung, -lenkung und -steuerung) eines ersten Lichtstrahls mittels eines anderen, zweiten Lichtstrahls innerhalb eines fluiden und/oder festen Mediums ohne den Einsatz von diskreten, freiraumoptischen Komponenten wie Spiegel oder Linsen. Dazu wird der erste Lichtstrahl innerhalb eines fluiden und/oder festen Mediums fokussiert: aufgrund der dort vorherrschenden hohen Intensitäten werden die Moleküle des fluiden und/oder festen Mediums innerhalb des Fokusbereichs polarisiert und/oder ionisiert, so dass dort lokal ein Plasma entsteht. Damit ist eine lokale Modifizierung des Brechungsindex innerhalb der Polarisations- oder Plasmazone verbunden, wodurch in Abhängigkeit von der äußeren geometrischen Form der Polarisationszone oder Plasmazone sich ein optisches „Polarisationselement“ oder „Plasmaelement“ ausbildet, beispielsweise eine „Polarisationslinse“ oder „Plasmalinse“, die auf einen einfallenden, zweiten Lichtstrahl eine refraktive Wirkung besitzt.

Description

Stand der Technik:
Vorbemerkung:

Im Folgenden wird zwischen fluiden und festen Medien unterschieden:
- Unter einem fluiden Medium versteht man ein fließfähiges Medium, insbesondere ein gas- oder dampfförmiges oder ein flüssiges Medium oder auch Mischungen davon wie beispielsweise Gas- oder Flüssigkeitsmischungen. Auch Lösungen und Dispersionen wie Emulsionen, Schaum, Suspensionen, Aerosol (Nebel oder Rauch) gehören dazu, auch wenn die disperse oder innere Phase einen festen Aggregatzustand besitzt. Ebenfalls zählen Pulver und Körner und andere partikuläre Medien, bestehend aus einzelnen gleichartigen oder unterschiedlichen Partikel, und mehrphasige Dispersionen zu den fluiden Medien. Dagegen gehören feste Medien wie (kristalline oder amorphe, homogene oder heterogene) Festkörper nicht zu den fluiden Medien, da sie nicht fließfähig sind. Dazu zählen auch Feststoffgemische oder Feststoffgemenge, wenn sie starr und nicht fließfähig sind. Das gilt auch für Einschlüsse, poröse Körper, feste Schäume oder erstarrte Medien, die zuvor fluid gewesen sind.

Polarisation von Materie
Wird ein Laserstrahl fokussiert und befindet sich der Fokusbereich innerhalb eines Mediums, so können bei ausreichend hoher Intensität oder Fluenz des im Brennpunkt gebündelten oder fokussierten Lichts die Moleküle des Mediums polarisiert werden. Im isotropen und optisch linearen Fall geschieht dies gemäß [1]: $P = ε_{0 χ} E oder p = α E mit P = p/V$
, mit P als Polarisationsvektor, ε₀ als Vakuum-Dielektrizitätskonstante, χ als elektrische Suszeptibilität, E als elektrische Feldstärke, p als induziertem Dipolmoment und α als Polarisierbarkeit, oder im isotropen und nichtlinear-optischen Fall gemäß [1]: $P/ ε_{0} = χ^{(1)} E + χ^{(2)} E^{2} + χ^{(3)} E^{3} + ...$
, mit χ⁽¹⁾ als lineare Suszeptibilität und χ⁽ⁿ⁾ mit n > 1 als Suszeptibilität höherer Ordnung, oder im anisotropen und nichtlinear-optischen Fall gemäß [1]: $P/ ε_{0} = {\sum_{j} χ_{ij}^{(1)} E}_{j} + \sum_{jk} χ_{ijk}^{(2)} E_{j} E_{k} + \sum_{jkl} χ_{ijkl}^{(2)} E_{j} E_{k} E_{l} + ...$
, mit P_i als i-te Komponente des Polarisationsvektors P und χ^(z) als Tensoren (z + 1)-ter Stufe und χ_ijk ^(z) als die entsprechenden Tensorelemente.
Die Polarisation der Mediumsmoleküle gelingt umso besser, je größer die elektrische Suszeptibilität χ oder Polarisierbarkeit α ist. Die elektrische Suszeptibilität χ oder Polarisierbarkeit α hängt stark von der Struktur des Moleküls ab. Dabei unterscheidet man zwischen Orientierungs- und Verschiebungspolarisation. Die Orientierungspolarisation ist besonders bei Molekülen mit einem großen Dipolmoment und einer ausreichend hohen Beweglichkeit zumindest um die eigene Achse (Rotation) stark ausgeprägt (z.B. Wassermolekül oder Moleküle mit hoher Asymmetrie), während die Verschiebungspolarisation im Allgemeinen besonders bei Molekülen mit starken ionischen Bindungen und/oder mit stark delokalisierten π-Elektronen (z.B. bei konjugierten Mehrfach-Bindungen oder aromatischen Molekülen) vorkommt.
Analoges gilt auch für die magnetische Polarisation von Molekülen eines Mediums.
Ausbildung eines Plasmas:

Bei ausreichend hoher Intensität oder Fluenz im Fokusbereich kann es auch zu einer Plasmabildung kommen, wenn die eingestrahlte Energie ausreicht, die Atome / Moleküle des Mediums zu ionisieren und / oder zu dissoziieren bzw. zu defragmentieren (sogenannter „Durchbruch“). Man unterscheidet hierbei zwischen zwei Fällen: Beim resonanten Durchbruch werden die Atome oder Moleküle des Mediums entweder elektronisch oder mittels Vibration oder Rotation resonant angeregt, und zwar in Form von Ein- oder Mehrphotonenanregung; somit hängt der Prozess des resonanten Durchbruchs stark von der Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichts ab. Beispielsweise ist bei Umgebungsluft die Intensitätsschwelle für den Durchbruch umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge: I_schwell ∝ 1 /λ⁴ [2]. Bei einem nicht-resonanten Durchbruch wird beispielsweise durch Mehrphotonenionisation oder durch Aufheizen von Schmutz- oder Schwebepartikeln oder anderen inhomogenen Verunreinigungen innerhalb des Mediums Moleküle dissoziiert und somit freie Elektronen erzeugt, die einerseits die umgebenden Moleküle durch (in)elastische Stoßprozesse in Wärmebewegung versetzen, wodurch letztendlich Lichtenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird, und andererseits die freien Elektronen über inverse Bremsstrahlung weiteres Laserlicht absorbieren und dadurch noch weiter aufgeheizt werden. Dabei erzeugen die so stark aufgeheizten Elektronen durch Stoßionisation wiederum weitere freie Elektronen, die dann zu einer Elektronenlawine führen und so eine weitere starke Zunahme der Absorption bewirken, wodurch das Medium noch stärker aufgeheizt wird. Dies mündet in eine totale Ionisation des Mediums innerhalb des Fokusbereichs und letztendlich zur Ausbildung eines Plasmas; der nicht-resonante Durchbruch ist daher weitgehend unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls [3 - 4]. Bei einem gütegeschalteten Nd:YAG-Laser (Wellenlänge = 1064 nm, Pulsdauer im ns-Bereich) liegt die Schwellintensität bei 10¹⁰ W/cm² für einen nicht-resonanten Laserdurchbruch [3 - 4].

Der Anstieg der Elektronendichte n_e bei einem nicht-resonanten Durchbruch wird näherungsweise durch die folgende Formel beschrieben [3 - 4]: ${dN}_{e} / dt = W_{mpi}^{*} {N+N}_{e} * (R_{i} - R_{d} - r_{r}^{*} N_{e})$
, mit W_mpi als Multiphotonenionisationsrate, R_i als Rate der Zunahme der Elektronendichte durch Stoßionisation, R_d als Diffusionsrate der freien Elektronen aus dem Plasma und r_r ^*N_e als Rekombinationsrate, die zu einer Abnahme der Elektronendichte führt.
Es gibt eine Vielzahl von Literatur, die die Entstehung von Plasma mittels elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder (vornehmlich induktiv oder kapazitiv eingekoppelt) und/oder unter Einwirkung von Licht, insbesondere von Laserstrahlung, sowie die entsprechenden Anwendungen bis hin zur lasergestützten Kernfusion beschreiben, wie beispielsweise [5 - 8].
Im Allgemeinen lässt sich in einem gas- oder dampfförmigen Medium ein Plasma relativ einfach erzeugen, während ein gas- oder dampfförmiges Medium bestehend aus Elementen nur schwer zu polarisieren ist. Dagegen sind gas- oder dampfförmige Medien, die aus Molekülen bestehen (wie z.B. Wasserdampf) oder Moleküle beinhalten (wie z.B. bestimmte Dispersionen wie Aerosole, Rauch oder Nebel), einfacher zu polarisieren. Analoges gilt auch für flüssige Medien und somit insgesamt für fluide Medien. Dagegen lässt sich im Allgemeinen ein festes Medium einfach polarisieren, jedoch schwieriger direkt in einen Plasmazustand bringen. Aber auch dies ist möglich wie z.B. bei der fs-Laser basierten Bearbeitung von transparenten Materialien, bei der ein fs-Laserstrahl im Volumen eines transparenten Materials (Glas, Polymer) fokussiert wird und dort durch Mehrphotonenabsorption kurzzeitig ein Plasmazustand entstehen kann [9 - 10].
Gaußoptik
Wenn man für einen Laserstrahl die meist zulässige Näherung eines Gaußstrahls annimmt, dann ist der Fokusbereich einer Sammeloptik nicht punktförmig (Brennpunkt) ausgebildet, sondern nimmt die Form einer endlich großen Brennfläche oder eines endlich großen Brennvolumens an. Die geometrische Form des Fokusbereichs und unmittelbare Umgebung bezeichnet man als Kaustik. Die Kaustik besitzt in der Strahltaille (Fokus) eine endliche kreisförmige Querschnittsfläche mit dem Radius wo [11]. Diese wird u.a. durch die Kenngrößen Rayleigh-Länge z_R und Strahlqualität 1/M² charakterisiert [11].
Lichtausbreitung
Aus physikalisch-technischer Sicht unterscheidet man drei verschiedene Arten der Lichtausbreitung:

Freiraumoptische Lichtausbreitung Im Vakuum oder innerhalb eines fluiden Mediums (gas- oder dampfförmiges oder flüssiges Medium) werden diskrete optische Baukomponenten wie Spiegel, Linsen, Prismen oder Gitter u.a. zur Strahlführung und -formung herangezogen, deren Funktionsprinzipien auf bekannte optische Vorgänge wie Transmission, Absorption, Reflexion, Refraktion und/oder Dispersion beruhen.
Wenn innerhalb eines fluiden Mediums eine Sammellinse oder ein Hohlspiegel durch Licht beaufschlagt wird, so wird das Licht in einem Brennpunkt (Fokus) gebündelt. Aus Sicht der geometrischen Strahlenoptik besitzt der Brennpunkt eine punktförmige Geometrie, d.h. er ist unendlich klein und besitzt theoretisch im Idealfall keine endliche Ausdehnung. Da aber Licht sich beim Ausbreiten wie Wellen verhält, Laserstrahlung näherungsweise meist ein Gaußprofil besitzen und somit beugungsbegrenzt ist und weil Linsen und Spiegel einen endlichen Durchmesser und zusätzlich Abbildungsfehler besitzen, hat der Brennpunkt eine endliche Ausdehnung und meistens eine nicht punkt-, sondern eine kreis- oder kugel- oder ellipsenförmige oder eine irgendwie geartete symmetrische oder asymmetrische Geometrie, die man auch als Kaustik bezeichnet. Im Falle einer bikonvexen und symmetrischen Linse mit kreisrunder Apertur wird die Kaustik näherungsweise mittels eines Gaußprofils beschrieben.

In einem freiraumoptischen Aufbau erfolgt die Strahlführung und -formung sowie die Steuerung und Lenkung von Licht mittels freiraumoptischer Baukomponenten in diskreter Form wie Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter, AOM (Acusto-Optical Modulator), MEMS (Micro-Electronical Mechanical System), MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems), SLM (Spatial Light Modulator) u.a.. Auch nichtlinear-optische Komponenten wie optische Thermoweichen u.a. basierend auf NLO-Materialen kommen zum Einsatz. Ein freiraumoptischer Aufbau macht nur Sinn im Vakuum oder in einem fluiden Medium. In einem festen Medium lässt sich ein freiraumoptischer Aufbau nur sehr schwer realisieren. Um trotzdem Licht in einem festen Medium zu führen und zu formen, gelangt man daher zum Konzept des geführten Lichts mittels Lichtwellenleitern wie im Folgenden diskutiert:
Geführtes Licht
Anstelle von freiraumoptischer Lichtausbreitung kann das Licht mittels Licht(wellen)leitern geführt werden. Dabei unterscheidet man die folgenden zwei unterschiedlichen Typen von Lichtleitern: faseroptisch und integriert-optisch. Bei beiden Lichtleitertypen beruht die Lichtführung auf dem Prinzip der Totalreflexion, wobei sich bei geführtem Licht diskrete Moden ausbilden.
Lichtleiter in faseroptischer Form:

Bei Lichtleitern in Form von Faseroptiken handelt es sich oft um hochtransparente und sehr flexible Glas- oder Kunststofffasern bestehend aus einem Kern („core“), einem Mantel („cladding“) und optional aus einer Schutzbeschichtung („coating“), wobei letzteres für die Funktion der Faseroptik eigentlich keine Rolle spielt, sondern nur eine Schutzfunktion beinhaltet. Bei der Faseroptik besitzt die Brechzahl des Kernmaterials einen höheren Wert als die Brechzahl des Mantelmaterials. Dies ermöglicht die Strahlführung mittels Totalreflexion. Man spricht daher auch von geführtem Licht. Gemäß der Wellengleichung bilden sich aufgrund der durch die räumliche Brechzahlverteilung bedingten Randbedingungen bei der Lichtführung innerhalb des faseroptischen Lichtleiters diskrete Moden aus. Die Steuerung und Lenkung des in der Faseroptik geführten Lichts kann mittels eines anderen Lichtstrahls, Wärme, mechanischen Stress oder Drucks, magnetischen oder elektrischen Feldern erfolgen, und zwar meist mit NLO (Nichtlinear-optischen) Materialien; dabei handelt es sich meist um sogenannte NLO-Polymere mit einer chromophoren Gruppe, die durch stark delokalisierte π-Elektronensysteme, beispielsweise durch konjugierte Mehrfachbindungen oder aromatische Bindungsverhältnisse gekennzeichnet sind [12]. Alternativ kann man zum selben Zweck auch diskrete freiraumoptische Mikrooptiken wie Mikrolinsen oder Mikrospiegel (MEMS u.a.) in eine offene Stelle innerhalb einer oder zwischen zwei Faseroptiken einsetzen. Anstelle von Glas- oder Kunststofffasern kann man auch weniger flexible Glas- oder Kunststoffstäbe benutzen. Hohllichtwellenleiter stellen eine spezielle Art der Lichtwellenleiter dar, deren Funktionsprinzip nicht auf Totalreflexion, sondern auf normaler Reflexion an der Innenwandung der Hohllichtwellenleiter beruhen. Wiederum einen speziellen Sonderfall stellen die Hohllichtwellenleiter für Röntgenstrahlung dar, da bei diesen die sogenannte „äußere“ Totalreflexion stattfindet, weil für Röntgenstrahlung der Brechungsindex von Materie kleiner als 1 ist [13].

Lichtleiter in integriert-optischer Form:

Bei Lichtleitern in integriert-optischer Form vollzieht sich die Lichtführung innerhalb von planaren Schichtstrukturen (dielektrische Substratstrukturen), bei denen die Brechzahl lokal so modifiziert (erhöht oder erniedrigt) worden ist, dass eine Lichtleitung ermöglicht wird. Meist sind integriert-optische Lichtwellenleiter als eindimensionale linienförmige Lichtwellenleiter ausgestaltet. Alternativ können Lichtwellenleiter auch in Schichtenform (dielektrischer Form) oder in anderer Form ausgestaltet werden.

Ähnlich wie im Falle von Faseroptiken geschieht die Steuerung und Lenkung von Licht innerhalb eines integriert-optischen Lichtleiters mittels eines zweiten Lichtstrahls, Wärme, mechanischen Stress oder Drucks, magnetischen oder elektrischen Feldern, und zwar im letzteren Falle ebenfalls meist mit NLO (Nichtlinear-optischen) Materialien. Auch hier kann man alternativ zum selben Zweck auch diskrete freiraumoptische Mikrooptiken wie Mikrolinsen oder Mikrospiegel (MEMS, MOEMS u.a.) in eine offene Stelle oder zwischen zwei integriert-optischen Lichtleitern einsetzen.
Es existieren noch eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Steuerung, Lenkung, Führung, Formung und das Schalten von Licht(strahlung) mittels externer elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder beschrieben wird, insbesondere die Manipulation von Lichtstrahlung durch andere Lichtstrahlung, mittels photoresponsiven oder photorefraktiven Materialien. Im Folgenden werden beispielhaft einige dieser Vorrichtungen und Verfahren kurz umrissen, jedoch ist diese Aufzählung keineswegs als vollständig zu verstehen:

Ein Beispiel von Beeinflussung von Licht durch Licht mittels des Faraday- und/oder Kerr-Effektes ist gegeben durch [14]. Auch mit Hilfe von photonischen Kristallen kann Licht mittels Licht manipuliert werden, wie in US 2004/0175174 A1 ausführlich beschrieben. Ein Beispiel der Steuerung von Lichtstrahlung durch andere Lichtstrahlung mittels Doppelbrechung wird in [15] vorgestellt. Ebenfalls lässt sich Licht nur mittels externer elektrischer oder magnetischer Felder steuern, wie beispielsweise in DE 600 10 053 T2 offenbart. Auf Basis dieser Vorrichtungen und Verfahren lassen sich rein optische Schaltkreise realisieren, wie beispielsweise in US 7 343 065 B2 präsentiert.

Zusammenfassend kann man sagen, dass bei den bereits unter dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Beeinflussung (Manipulation) und Steuerung von einer ersten Lichtstrahlung mittels einer weiteren, anderen zweiten Lichtstrahlung es sich meist sowohl im Falle der ersten sowie der zweiten Lichtstrahlung um geführtes Licht handelt, entweder durch Faseroptiken oder durch integriert-optische Lichtwellenleiter. Außerdem wird zur Manipulation von Licht mittels Licht meist Materialien in einem festen Aggregatzustand verwendet. Bisher sind keine Arbeiten bekannt, die sich mit der Manipulation und Steuerung von sich freiraumoptisch ausbreitender erster Lichtstrahlung durch freiraumoptisch ausbreitender zweiter Lichtstrahlung beschäftigt. Des Weiteren werden in diesem Kontext bisher keine aktiven Steuerungskomponenten oder Schaltelemente zur Beeinflussung von Licht beschrieben, die aus einem strömungsfähigen gasförmigen und/oder flüssigen Medium (Fluidum) bestehen oder sich in einem Plasmazustand befinden, welches ebenfalls strömungsfähig ist. Insbesondere sind bisher keine Vorrichtungen oder Verfahren bekannt, mit denen man innerhalb eines fluiden Mediums (beispielsweise in gas- oder dampfförmiger oder flüssiger Form) Lichtstrahlen ohne Einsatz von diskreten, freiraumoptischen Komponenten wie Spiegel, Linsen oder NLO-Komponenten, jedoch mit Einsatz von anderen Lichtstrahlen temporär gezielt und kontrolliert führen, formen, steuern oder lenken bzw. ablenken kann.
Dasselbe gilt auch für die Lichtführung- und -formung tief im Volumen eines festen Mediums, ausgenommen die Totalreflexion an den Grenzflächen eines Mediums wie im Falle eines Lichtwellenleiters: innerhalb eines beispielsweise würfelförmigen Substrats aus einem festen Material ist eine Lichtführung oder -formung an der Grenzfläche nur mittels Totalreflexion (wie beim Lichtwellenleiter) oder tief im Volumen nur durch eine Brechzahlmodulation des festen Materials möglich. Eine Beeinflussung der Brechzahlmodulation tief im Volumen eines (tansparenten) Festkörpers mittels physikalischer Mittel wie Temperatur, ionisierende Strahlung oder chemischer Mittel wie Einwirkung ätzender Mittel oder Diffusion von Ionen in das Volumen des Festkörpers hinein wäre als Mittel zur Steuerung des Lichts während des Betriebszustandes extrem aufwendig und nur sehr schwer umsetzbar. Eine temporäre Lichtführung oder -formung, bei der eine erste Lichtstrahlung durch eine weitere, zweite Lichtstrahlung mittels des Einsatzes von photoresponsiven fluiden Medien gezielt und kontrolliert geführt, geformt, gesteuert oder gelenkt bzw. abgelenkt werden kann, ist bisher nicht bekannt.
Aufgabenstellung:

Es wird eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren vorgestellt, mit dem man rein freiraumoptisch die Ausbreitung von Laserstrahlung im (freien) Raum ohne Einsatz von diskreten, freiraumoptischen Komponenten wie Spiegel oder Linsen gezielt und kontrolliert manipulieren kann, vorausgesetzt, der (freie) Raum ist gefüllt mit einem Medium wie Gas, Dampf oder Flüssigkeit oder einem Feststoff. In diesem Zusammenhang versteht man unter einem (freien) Raum nicht nur ein Vakuum, sondern auch einen Raum, der mit einem Medium gefüllt sein kann, der aber frei von diskreten, freiraumoptischen Komponenten wie bspw. Spiegel oder Linsen ist.

Allgemeiner Lösungsweg:

Bei diesem Verfahren wird eine erste Laserquelle mit einer passenden Wellenlänge und ausreichender Ausgangsleistung ausgewählt. Die erste Laserquelle wird von einem fluiden und/oder festen Umgebungsmedium wie Gas, Dampf, Flüssigkeit oder Feststoff umgeben. Als fluides Umgebungsmedium sind auch heterogene Stoffgemische (Dispersionen) wie Suspensionen, Emulsionen, Schaum, Aerosol (Nebel oder Rauch) genauso denkbar wie homogene Stoffgemische (Lösungen). Dabei können die unterschiedlichen Komponenten oder Phasen in den Stoffgemischen verschiedene Funktionalitäten besitzen und somit unterschiedliche Aufgaben erfüllen, wie noch weiter unten detailliert erläutert werden wird. Voraussetzung für dieses Verfahren ist jedoch, dass die Moleküle des Umgebungsmediums in einem ausreichenden Maße polarisierbar und/oder ionisierbar und/oder dissoziierbar bzw. defragmentierbar sein müssen. Das Umgebungsmedium in fluider Form kann ruhen oder fließen. Letzteres bietet die Möglichkeit, die Konzentration und/oder Zusammensetzung des fluiden Umgebungsmediums zeitlich und örtlich gemäß einer Vorgabe zu variieren, so dass zeit- und ortsabhängig unterschiedliche Bedingungen gesteuert und kontrolliert vorherrschen können.

Vor der Apertur der ersten Laserquelle, aus der der erste Laserstrahl austritt, wird eine Sammeloptik implementiert, die dem ersten aus der Laserquelle austretenden Laserstrahl eine (leichte) Konvergenz verleiht. Dadurch wird in einer gewünschten Entfernung (Brennweite) ein Brennpunkt (Fokus) mit einer genau definierten Kaustik der Laserstrahlung innerhalb des Volumens des fluiden oder festen Umgebungsmediums erzeugt, so dass sich Moleküle des fluiden oder festen Umgebungsmediums im Fokusbereich des ersten Laserstrahls befinden. Die Sammeloptik kann adaptiv sein, d.h. die Brennweite kann gesteuert und kontrolliert verändert werden. Auch die Form der Kaustik des Fokus kann mittels der adaptiven Sammeloptik kontrolliert gesteuert werden.
Wenn im Folgenden von einem Umgebungsmedium gesprochen wird, dann meint man ein Umgebungsmedium in fluider oder fester Form, wenn nicht explizit etwas anderes angegeben wird. Ansonsten wird ab jetzt der Begriff „Umgebungsmedium“ gelegentlich durch den Begriff „Medium“ abgekürzt, d.h. der Begriff „Umgebungsmedium“ und der Begriff „Medium“ bezeichnen ab hier denselben Sachverhalt.
Innerhalb des Fokus entstehen hohe Strahlintensitäten und somit hohe elektrische und magnetische Feldstärken, die auf die Moleküle des Umgebungsmediums, die sich innerhalb des Fokusbereichs befinden, einwirken und diese stark polarisieren oder gar dissoziieren lassen. Dadurch entsteht ein Bereich innerhalb des Fokus, der eine andere Brechzahl besitzt als das Umgebungsmedium, welches nicht mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird. Durch diesen Brechzahlunterschied entsteht ein Bereich mit einer bestimmten räumlichen Brechzahlverteilung, welche auf einen weiteren, zweiten einfallenden (Laser-)strahl, der von einer zweiten Laserquelle emittiert wird, eine refraktive Wirkung ausübt. Grob abgeschätzt ist der Brechzahlunterschied umso größer, je kleiner der Radius wo der Strahltaille (Fokus) der Kaustik und somit die Rayleigh-Länge z_R = nπ w₀ ² / λ₀ mit n als die Brechzahl des Mediums und λ₀ als die Vakuumlichtwellenlänge ist. Ob nun mit n die Brechzahl des Ausgangsmediums oder die des bereits durch die Beaufschlagung mit Laserlicht polarisierten, dissoziierten Mediums ist, der sich eventuell bereits in einem Plasmazustand befindet, bleibt zu diesem Zeitpunkt der Diskussion offen. Je nach Form und Stärke der Ausprägung dieser räumlichen Brechzahlverteilung innerhalb des Fokusbereichs besitzt diese räumliche Brechzahlverteilung auf den zweiten Laserstrahl die Wirkung eines refraktiven Elements, wie beispielsweise einer Linse (entweder einer Sammel- oder Zerstreuungslinse), eines Prismas oder Phasengitters. Es ergibt sich somit die Möglichkeit, den zweiten Laserstrahl kommend von der zweiten Laserquelle mittels des ersten Laserstrahls kommend von der ersten Laserquelle, zusteuern, zu lenken oder sonst wie zu manipulieren.
Neben der Brechzahl kann innerhalb des Fokusbereichs auch das Transmissions- und/oder das Absorptions- und/oder das Reflexionsvermögen gezielt modifiziert werden, so dass auf den zweiten Laserstrahl eine absorptive oder reflektive Wirkung ausgeübt wird. So ist es auch denkbar, dass der Fokusbereich mit modifizierter Transmission / Absorption / Reflexion auf den einfallenden, zweiten Laserstrahl die Wirkung eines Spiegels, Filters, Amplitudengitters u.a. besitzt, beispielsweise einer „Polarisationslinse“ oder „Plasmalinse“ oder eines sog. „Polarisationsspiegels“ oder „Plasmaspiegels“ [16].
Im Prinzip kann man bereits über Abbildungsfehler einer solchen „Plasmalinse“ wie sphärische oder chromatische Aberration, Koma, Astigmatismus, Verzeichnungen, Verzerrungen oder Bildfeldwölbungen diskutieren; doch zu diesem Zeitpunkt erscheint dies dem Fachmann verfrüht zu sein.
Wird vor der ersten Laserquelle anstelle der adaptiven Sammeloptik oder zusätzlich zu dieser eine SLM-Einheit („Spatial Light Modulator“) vorgeschaltet, so kann man wegen der Kohärenz des Laserlichts des ersten Laserstrahls anstelle des Fokus oder sogar innerhalb des Fokusbereichs eine räumlich (periodische oder nicht-periodische) Brechungsindexmodulation realisieren, die auf den zweiten Laserstrahl eine dispersive Wirkung wie ein Phasengitter („Plasma-Phasengitter“) entfalten kann.
Eventuell kann man sogar die Polarisationsebene oder allgemein die Polarisationseigenschaften des zweiten Laserstrahls mit Hilfe des ersten Laserstrahls verändern („Plasma-Polfilter“).
Dieses Verfahren funktioniert nur, wenn die Moleküle des Umgebungsmediums ausreichend stark polarisiert werden können. Folglich funktioniert dieses Verfahren in einem Medium mit nur schwach oder gar mit nicht-polarisierbaren Molekülen nicht, Im Falle von Dispersionen kann das gasförmige, dampfförmige oder flüssige Trägermedium als Dispersionsmedium eine geringe Polarisierbarkeit besitzen, während die disperse Phase, also die im Dispersionsmedium fein verteilten festen und flüssigen Stoffe, eine sehr hohe Polarisierbarkeit besitzen können und somit die eigentlichen Funktionalitätsträger des fluiden Umgebungsmediums darstellen.
Im Allgemeinen sind Feststoffe oder Festkörper ausreichend stark polarisierbar, während Gas-, Dampf- und Flüssigkeitsmoleküle für dieses Verfahren nicht ausreichend stark polarisierbar und somit auch nicht sonderlich gut geeignet sind.
Um das Problem der schwachen Polarisierbarkeit allgemein bei fluiden Umgebungsmedien zu umgehen, kann man entweder als erste Alternative auf Dispersionen zurückgreifen, bei denen wie bereits oben diskutiert beispielsweise Feststoffe in mikro- oder nanopartikulärer Form als disperse Phase (innere Phase oder Nebenphase) in einem fluiden Medium als Dispersionsmedium (äußere Phase oder Hauptphase) gelöst sind; oder als zweite Alternative zur Lösung des Problems mit der schwachen Polarisierbarkeit bei fluiden Umgebungsmedien kann man die Intensität des Laserstrahls dermaßen stark erhöhen, dass innerhalb des Fokusbereichs ein Plasma erzeugt wird. Dadurch ändert sich der Brechungsindex des fluiden Mediums ausreichend stark, so dass sich im Bereich der Plasmaausbildung praktisch ein refraktives optisches Element in „Plasmaform“ entsteht. In diesem Fall kann das fluide Umgebungsmedium nicht nur aus Molekülen bestehen, sondern kann auch Atome beinhalten, die ja durch Ionisation ebenfalls ein Plasma bilden können. Ebenfalls ändert sich durch die Ausbildung eines Plasmas das Transmissions-, Absorptions- und Reflex-ionsvermögen des fluiden Mediums im durch den ersten Laserstrahl beaufschlagten Bereich. Auch in diesem Fall können die verschiedenen Komponenten einer Dispersion unterschiedliche Funktionen und Aufgaben übernehmen: während das gas- oder dampfförmige oder flüssige Trägermedium als Dispersionsmittel lediglich die disperse Phase in Lösung halten muss und somit eigentlich nur eine passive Rolle als Trägermedium einnimmt, bei der es zumindest für die beiden Laserstrahlen aber optisch möglichst transparent bleiben sollte, können die fein verteilten festen oder flüssigen (oder auch gas- oder dampfförmigen) Stoffe der dispersen Phase die Funktion der Plasmaerzeugung übernehmen und somit für die Plasmaausbildung eine aktive Rolle einnehmen.
Um die Plasmaeigenschaften zu verbessern, kann man optional Edelgase wie Helium, Neon, Argon, Krypten oder Xenon in entsprechender Menge hinzugeben.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei fluiden Umgebungsmedien die Erzeugung einer ausreichend hohen Polarisation nur relativ schwer bzw. gar nicht realisierbar ist, insbesondere bei Elementen in flüssiger oder gas- oder dampfförmiger Form, und man daher entweder auf Dispersionen oder auf Plasmaerzeugung zurückgreifen muss, während bei festen Umgebungsmedien dies genau umgekehrt der Fall ist: da bei festen Umgebungsmedien eine Plasmaerzeugung tief im Volumen zwar nicht unmöglich [9 -10] ist, aber diese sich nur sehr schwer realisieren lässt, greift man im Falle von festen Umgebungsmedien auf die Polarisierbarkeit zurück. Auf die Lösung mit Dispersionen kann in diesem Falle verzichtet werden.
Der erste Laserstrahl selber kann kontinuierlich oder gepulst sein. Im Fall der Ausbildung eines Plasmas ist ein gepulster Laserstrahl von Vorteil, da nur so die für die Plasmaausbildung erforderlichen Spitzenleistungen erreicht werden können. Dabei ist es anstrebenswert, die Pulslänge möglichst gering zu halten, besonders bevorzugt im pico- oder femto-Sekunden-Bereich oder gar darunter, da aufgrund der geringen Pulslänge die Intensität gesteigert wird und somit die Ausbildung eines Plasmas ermöglicht werden kann.
Die Auswahl der Wellenlänge des ersten Laserstrahls hängt stark von der Molekülart des
Umgebungsmediums ab. Es wird bevorzugt eine solche Wellenlänge ausgewählt, welche die Moleküle des Mediums möglichst stark polarisieren oder eventuell gar absorbieren, so dass die Moleküle in einen angeregten, ungebundenen Zustand gelangen, in dem sie dissoziieren und so ein Plasma entsteht. Durch den Zerfall oder Ionisierung der Moleküle entsteht das Plasma genau in dem beaufschlagten Bereich des Mediums durch die erste Laserstrahlung, womit der Plasmabereich vom übrigen Umgebungsmedium räumlich scharf definiert und abgetrennt werden kann.
Die Anregung der Moleküle des Mediums kann entweder im UV/Vis-Bereich elektronisch oder mittels Vibration oder Rotation der Moleküle im nahen, mittleren oder fernen IR-Bereich erfolgen. Eventuell ist auch eine Anregung mittels Hoch- oder Radiofrequenzen denkbar, so dass anstelle einer ersten Laserquelle ein Maser zum Einsatz kommen kann.
Auch Kombinationen mit mehreren Wellenlängen sind denkbar, so dass die erste Laserquelle eigentlich aus mehreren einzelnen Lasern mit gleichen oder unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Ausgangsleistungen bestehen kann (Bündelung mehrerer Laserquellen). Röntgen- oder Gammastrahlung sowie Partikelstrahlung wie Ionen-, Elektronen und Molekülstrahlung kommen als Ersatz für die erste Laserstrahlung wegen der beschränkten Reichweite in dem Umgebungsmedium zur Polarisation der Moleküle oder zur Plasmaerzeugung im Medium eher nicht in Betracht, können aber auch gänzlich nicht ausgeschlossen werden.
In einem gesonderten Ausführungsbeispiel können auch Teilchen wie Elektronen oder lonenstrahlen in das Vakuum emittiert werden; der zweite Lichtstrahl kann dann auf diese Teilchen treffen, der dann bspw. durch Streuung o.ä. manipuliert wird.
Auch die Auswahl die zweite Laserquelle bezüglich Wellenlänge, Ausgangsleistung und Betriebsmodus (kontinuierlich oder gepulst) hängt stark von der Natur des Umgebungsmediums und auch von den Eigenschaften der ersten Laserquelle ab. So sollte das Medium auf jeden Fall für den ersten und zweiten Laserstrahl ausreichend transparent sein. Vorzugsweise wird sowohl der erste als auch der zweite Laserstrahl kontinuierlich emittiert (cw-Modus), oder nur der erste Laserstrahl emittiert kontinuierlich, während der zweite Laserstrahl gepulst ist. Falls der ersten Laserquelle gepulst sein sollte, dann sollte der zweiten Laserquelle ebenfalls dazu synchron gepulst sein: Das Emittieren der beiden Laserstrahlen sollte dann daher miteinander synchronisiert werden, da die Polarisation der Moleküle oder die Plasmaausbildung im Medium nur temporär und intervallmäßig erfolgt; ansonsten bestünde die Gefahr, dass der erste Fokusbereich im Medium durch den zweiten, zu steuernden oder zu lenkenden Laserstrahl zeitlich zwischen den Pulsintervallen des ersten Laserstrahls beaufschlagt wird, also wenn zeitweise gerade keine Polarisation oder Plasmaausbildung im Medium stattfindet, womit dann diese Vorgehensweise sinnlos werden würde.
Alternativ aber kann auch nur der erste Laserstrahl gepulst sein, während der zweite Laserstrahl im cw-Modus kontinuierlich emittiert wird oder Pulsintervalle besitzt, die deutlich länger sind als die Pulsintervalle der ersten Laserstrahlung; dann ist eine Manipulation oder Modulation des zweiten Laserstrahls in zeitlichen Teilabschnitten durch den ersten Laserstrahl ebenfalls möglich.
Figurenliste

1: Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des dazugehörigen Verfahrens
2a,b: weitere Ausführungsbeispiele mit zwei ersten Laserquellen L1a und L1b, einmal gegenüber angeordnet (2a) und einmal fast parallel nebeneinander angeordnet (2b)

Konkrete und spezielle Ausführungsbeispiele:

Die Vorrichtung 1 stellt eine freiraumoptische Vorrichtung zur steuerbaren und kontrollierbaren Lenkung eines Laserstrahls S2 (und optional von einer endlichen Anzahl von weiteren Laserstrahlen S3 bis Sn) innerhalb eines (Umgebungs-)Mediums M dar (1). Dabei kann das Medium M entweder nur aus Atomen oder nur aus Molekülen oder gleichzeitig sowohl aus Atomen und Molekülen bestehen. Das Medium kann homogen sein und nur eine Sorte von Atomen oder Molekülen besitzen; oder es kann ein homogenes oder heterogenes Gemisch oder Dispersion aus mehreren, verschiedenen Atom- oder Molekülsorten darstellen, so dass mehrere Komponenten in ihm vorkommen, die unterschiedliche Funktionalitäten besitzen (wie bereits weiter oben ausführlich diskutiert worden ist).

Dabei befindet sich die Vorrichtung 1 innerhalb eines (Umgebungs-)Mediums M, dessen Atome und/oder Moleküle (elektrisch und/oder magnetisch) polarisierbar und / oder ionisierbar und/ oder dissoziierbar bzw. defragmentierbar sind, so dass innerhalb des Umgebungsmediums M ein (lokales) elektrisches und/oder ein (lokales) magnetisches und / oder ein (lokales) elektromagnetisches Feld oder ein Plasma ausgebildet werden kann.
Bei einem fluiden Umgebungsmedium unterscheidet man zwischen einem statischen und dynamischen Betriebsmodus. Beim statischen Betriebsmodus ruht das fluide Umgebungsmedium, während beim dynamischen Betriebsmodus das fluide Umgebungsmedium sich bewegt. Dabei kann die so erzeugte Flussströmung geradlinig entlang einer Achse oder geschlossen im Kreis strömen. Die Flussströmung kann entweder laminar oder turbulent sein; oder es können sich lokale oder globale Wirbel ausbilden. Im Fall des dynamischen Betriebsmodus kann die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit wunschgemäß eingestellt werden.
Im statischen Betriebsmodus (d.h. das Medium ruht) ist im Allgemeinen das Medium ort- und zeitunabhängig gleichmäßig und homogen im gesamten Bereich verteilt (sozusagen im Gleichgewicht), so dass deren physikalischen / chemischen Eigenschaften (wie beispielsweise Temperatur, Druck, Konzentration, Dichte) an allen Orten und zu jeder Zeit dieselben Werte besitzen. Allerdings ist es auch denkbar, dass temporär kurzzeitig oder permanent die physikalischen / chemischen Eigenschaften lokal voneinander abweichen, beispielsweise bei einer kurzzeitigen oder langanhaltenden und permanenten, punktuellen Erwärmung. Die damit verbundene lokale Fließbewegung des Mediums wird dann in Kauf genommen.
Im dynamischen Betriebsmodus (d.h. das gesamte oder zumindest große Volumenanteile des Mediums befindet sich permanent in einem Zustand einer Fließbewegung) unterscheidet man zwischen einem quasi-stationären und einem nicht quasi-stationären Betriebsmodus: in beiden Fällen fließt oder strömt das Medium, jedoch bei einem quasi-stationären dynamischen Betriebsmodus müssen nicht, aber können sich die physikalischen / chemischen Eigenschaften von Ort zu Ort unterscheiden, d.h., sie können ortsabhängig sein. Allerdings bleiben im quasi-stationären Betriebsmodus die physikalischen / chemischen Eigenschaften zeitlich unverändert, d.h. sie sind zeitunabhängig. Dagegen ändern sich bei einem nicht-quasi-stationären dynamischen Betriebszustand die physikalischen / chemischen Eigenschaften zusätzlich zum Ort auch mit der Zeit, d.h. zur einer eventuellen Ortsabhängigkeit kommt noch eine Zeitabhängigkeit hinzu, so dass die physikalischen / chemischen Eigenschaften sowohl orts- als auch zeitabhängig sein können.
Bei einer zeit- und/oder ortsabhängigen Variation der physikalischen / chemischen Eigenschaften können sich beispielsweise temporäre oder permanente Temperatur- oder Druck- oder Konzentrationsgradienten innerhalb des Mediums M ausbilden. Die Zusammensetzung, Konzentration, Temperatur, Druck u.a. des Umgebungsmediums kann durch Ventile, Flow-Controller u.a. (in 1 nicht gezeigt) gezielt und nach Vorgaben eingestellt werden.
Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei verschiedene Laserquellen L1 und L2, wobei mindestens die erste Laserquelle L1 eine (adaptive) Sammeloptik SO besitzt (1). Optional können noch eine weitere Laserquelle L3 oder mehrere Laserquellen Ln mit n > 3 hinzugefügt werden (siehe weiter unten).
Sämtliche Laserquellen L1 bis Ln sind mit einem Steuerungscomputer SC verbunden, der die einzelnen Laserquellen bezüglich ihrer Strahlemission steuern kann.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Laserquelle L1, vor deren Apertur, aus der der Laserstrahl S1 austritt, eine Sammeloptik SO implementiert worden ist. Die Sammeloptik S0 fokussiert den Laserstrahl S1 so, dass er (leicht) konvergiert und im Brennpunkt F1 (Fokus F1) fokussiert wird. Dabei bildet sich auch die Kaustik K1 des Fokus F1 aus. Die Sammeloptik kann von adaptiver Natur sein, so dass sich die erste Brennweite B1, also der Abstand zwischen der Sammeloptik SO und dem Fokus F1, steuerbar und kontrolliert einstellen lässt. Unter Umständen lässt sich durch die adaptive Sammeloptik auch die Richtung des Laserstrahls S1 steuern. Optional sind in der Sammeloptik SO auch Filter, Raumfilter, (Loch-)Blenden u.a. (nicht gezeigt) eingebaut, um die Strahlqualität des ersten Laserstrahls S1 zu verbessern, beispielsweise um unerwünschte spektrale Wellenlängenbänder oder störende Randstrahlen auszuschneiden. Dadurch lässt sich (falls erwünscht) eine Kaustik des ersten Fokus mit einem Gaußprofil realisieren. Weiter lässt sich durch diese Maßnahmen die Kennwerte und Parameter der Kaustik K1 des ersten Fokus F1 (erste Kaustik K1) wie Beugungsmaßzahl M² oder Rayleigh-Länge z_R, welche die Form, Ausbildung, Ausprägung und Ausgestaltung der Kaustik beschreiben, mittels der adaptiven Sammeloptik SO beeinflussen. Des Weiteren hängen die Kennwerte und Parameter der ersten Kaustik K1 noch von den Strahlparametern des ersten Laserstrahls S1 wie Wellenlänge und Intensität / Fluenz / Strahlleistung sowie von den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Umgebungsmediums ab. Da sich die gesamte Lichtenergie innerhalb des Fokusbereichs des Fokus F1 konzentriert, sind die dort herrschenden Intensitäten ausreichend hoch, so dass sich die im Fokusbereich F1 befindlichen Atome / Moleküle des Mediums M (elektrisch und/oder magnetisch) polarisieren und/oder ionisieren oder dissoziieren bzw. defragmentieren lassen und somit in diesem Bereich ein (lokales) elektrisches und / oder magnetisches Feld oder ein Plasma entsteht. Dadurch ändert sich der Brechungsindex innerhalb des Fokusbereichs F1, so dass sich in genau diesem Bereich eine refraktive Zone ausbildet, die eine refraktive Wirkung auf einen weiteren, zweiten Laserstrahl S2 besitzt, der von einer weiteren, zweiten Laserquelle L2 emittiert wird. Diese refraktive Zone kann man auch als eine diskrete, freiraumoptische Komponente auffassen, beispielsweise je nach Form, Ausbildung, Ausprägung und Ausgestaltung der Kaustik K1, als Sammellinse, die auf den zweiten Laserstrahl S2 einen fokussierenden Effekt besitzt. So wird der Laserstrahl S2 in einen zweiten Brennpunkt F2 (Fokus F2) mit einer zweiten Kaustik K2 fokussiert. Die refraktive Wirkung des Fokusbereichs F1 auf den Laserstrahl S2 kann in Abhängigkeit von den Kennwerten und Parametern (Form, Ausbildung, Ausprägung und Ausgestaltung) der Kaustik K1 kontrolliert gesteuert werden, so dass man die Ausbreitung des Laserstrahls S2 bewusst und gezielt manipulieren kann. Da offensichtlich sowohl die zweite Brennweite B2 (Abstand zwischen erstem Fokus F1 und zweitem Fokus F2) als auch die Lage, die Richtung, die Form, die Ausbildung, die Ausprägung und die Ausgestaltung des zweiten Fokus F2 bzw. der Kaustik K2 von den Kennwerten und Parametern des ersten Fokus F1 bzw. der Kaustik K1 und somit unter anderem auch von den Strahlparametern des Laserstrahls S1 abhängt, kann beispielsweise durch Änderung der Strahlparameter des Laserstrahls S1 die zweite Brennweite B2 gewollt kontrolliert geändert oder sogar die bündelnde oder fokussierende Wirkung des Fokusbereichs F1 auf den Laserstrahl S2 in eine zerstreuende Wirkung umgewandelt werden. Auch andere Arten einer zeitlichen Manipulation des Laserstrahls L2 durch den Laserstahl L1 ist durch diese Art und Weise denkbar wie beispielsweise Kollimation oder Modulation. Auch die Strahlparameter des zweiten Laserstrahls S2 bzw. eine eventuell vorhandene zweite adaptive Optik vor der Apertur der zweiten Laserquelle L2 haben einen Einfluss auf die Brennweite B2 sowie auf die Kennwerte und Parameter der Kaustik K2 des zweiten Fokus F2. Optional lässt sich zusätzlich durch Änderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des strömenden fluiden Umgebungsmediums M ebenfalls die refraktive Wirkung des Fokusbereichs F1 auf den Laserstrahl S2 beeinflussen; allerdings ist diese Methode viel träger und somit diese Maßnahme zur Beeinflussung des Laserstrahls S2 viel zeitaufwendiger.
In einem gesonderten Ausführungsbeispiel kann noch eine dritte Laserquelle L3 hinzugefügt werden, die einen dritten Laserstrahl L3 emittiert. Dieser trifft dann auf den zweiten Fokus F2. Falls die Intensität des Laserstrahls S2 noch ausreichend hoch ist, werden die Atome / Moleküle des Mediums M auch in dem zweiten Fokus F2 polarisiert und/oder ionisiert und/oder dissoziiert, so dass sich in dem Fokusbereich F2 ein weiteres (lokales) elektrisches / magnetisches oder ein weiteres, zweites Plasma ausbildet und somit der Brechungsindex in dem zweiten Fokusbereich F2 modifiziert wird. Dadurch besitzt der zweite Fokus F2 einen refraktiven (bspw. fokussierenden) Effekt auf einen dritten Laserstrahl S3, der von einer dritten Laserquelle L3 emittiert wird. Somit kann der dritte Laserstrahl S3 zu einem weiteren, dritten Fokus F3 mit einer Kaustik K3 und einer Brennweite B3 (Abstand zweiter Fokus F2 zu drittem Fokus F3) fokussiert werden. Genauso wie die Strahlparameter des Laserstrahls S1 bzw. die Kennwerte und Parameter des Fokus F1 / Kaustik K1 die Strahlausbreitung des zweiten Laserstrahls S2 und somit die Kennwerte und Parameter des Fokus F2, der Kaustik K2 und die Brennweite B2 bestimmen, so bestimmen auch die Strahlparameter des Laserstrahls S2 und die Kennwerte und Parameter des Fokus F2 / Kaustik K2 die Strahlausbreitung des dritten Laserstrahls S3 und somit die Kennwerte und Parameter des Fokus F3 / Kaustik K3 und die Brennweite B3. Voraussetzung ist jedoch eine ausreichend hohe Strahlungsleistung oder -intensität der beteiligen Laserstahlen, hier insbesondere des Laserstrahls S2.
Dies kann in einem gewissen Rahmen beliebig oft wiederholt und fortgesetzt werden. Jedoch ist es offensichtlich, dass die so entstehende Kette aus Laserquellen Ln mit Laserstrahl Sn und Fokus Fn mit darin entstehenden elektrischen / magnetischen Feldern oder Plasmen zur Brechungsindexmodifikation und anschließender Manipulation eines weiteren Laserstrahls Sn+1 einer weiteren Laserquelle Ln+1 nur endlich sein kann. In der Praxis lässt sich diese Kaskade nicht endlos fortsetzen, sondern sie besitzt irgendwo eine natürliche Grenze, u.a. auch deswegen, weil der Strahldurchmesser des folgenden Laserstrahls in der Größenordnung des Fokusdurchmessers desjenigen Fokus sein muss, durch welchen er manipuliert werden soll.
Optional kann vor der zweiten Laserquelle L2 ebenfalls eine zweite (adaptive) Sammeloptik und vor der dritten Laserquelle L3 eine dritte (adaptive) Sammeloptik implementiert werden, um den zweiten und den dritten Laserstrahl geeignet vorzuformen, oder die zweite Laserquelle L2 (und die dritte Laserquelle L3) besitzen keine adaptive Optik, sondern die emittierten Laserstrahlen S2 (und S3) bleiben parallel.
Im Folgenden werden in diesem gesonderten Absatz noch einmal die oben diskutierten Abhängigkeiten der Übersicht halber wie folgt zusammengefasst: Die Kennwerte und Parameter des ersten Fokus F1 sowie dessen Kaustik K1 und dessen Brennweite B1 hängen von den Strahlparametern des ersten Laserstrahls S1, den Eigenschaften der ersten adaptiven Sammeloptik SO vor der Austrittsapertur der ersten Laserquelle L1 sowie den physikalischen / chemischen Eigenschaften des Umgebungsmediums M ab. Die Kennwerte und Parameter des zweiten Fokus F2 sowie dessen Kaustik K2 und dessen Brennweite B2 hängen direkt von den Kennwerten und Parametern des ersten Fokus F1 sowie dessen Kaustik K1 und der Brennweite B1, von den Strahlparametern des zweiten Laserstrahls S2, den Eigenschaften einer eventuell vorhandenen zweiten adaptiven Optik vor der Austrittsapertur der zweiten Laserquelle L2 und ebenfalls von den physikalischen / chemischen Eigenschaften des Umgebungsmediums M ab. Die Kennwerte und Parameter des dritten Fokus F3 sowie dessen Kaustik K3 und dessen Brennweite B3 hängen direkt von den Kennwerten und Parametern des zweiten Fokus F2 sowie dessen Kaustik K2 und deren Brennweite B2, von den Strahlparametern des dritten Laserstrahls S3, den Eigenschaften einer eventuell vorhandenen dritten adaptiven Optik vor der Austrittsapertur der dritten Laserquelle L3 und ebenfalls von den physikalischen / chemischen Eigenschaften des Umgebungsmediums M ab.
In einer weiteren gesonderten Ausführungsform können die beiden Laserstrahlen S2 und S3 emittiert von den Laserquellen L2 und L3 beide gleichzeitig auf den ersten Fokus F1 des Laserstrahls S1 (emittiert von der Laserquelle L1) gerichtet werden. Dann werden die beiden Laserstrahlen S2 und S3 von dem Fokus F1 des Laserstrahls S1 gleichzeitig manipuliert; oder aber die Laserquelle L2 (und die Laserquelle L3) besitzen (beide) ebenfalls eine adaptive Sammeloptik, so dass der Laserstrahl S2 (und der Laserstrahl S3 beide) auf den Fokus F1 des Laserstrahls S1 fokussiert werden können, so dass alle zwei (oder drei) Laserstrahlen S1, S2 (und S3) über den gemeinsamen Fokusbereich F1, F2 (und F3) sich gegenseitig beeinflussen können.
Im Falle eines Pulsbetriebs müssen sämtliche Laserquellen L1 bis Ln miteinander synchronisiert werden. Das wird dadurch erreicht, dass alle eingesetzten Laserquellen über einen Steuerungscomputer SC miteinander verbunden sind, welcher den Zeitpunkt der Emissionen der einzelnen Laserpulse, emittiert von den einzelnen Laserquellen, aufeinander abstimmen. Eventuell müssten auch die einzelnen Laufzeiten im Medium berücksichtigt werden. Optional können auch andere Strahlparameter wie Pulsdauer, Wellenlänge, Strahlungsleistung etc. angepasst und/oder örtlich und/oder zeitlich variiert werden, falls es notwendig ist und/oder um die refraktive Wirkung zu optimieren oder zeitlich (periodisch oder nicht periodisch) zu modulieren.
Auch Kombinationen mit mehreren Wellenlängen sind denkbar, so dass die erste Laserquelle eigentlich aus mehreren einzelnen Laserquellen mit gleichen oder unterschiedlichen Wellenlängen oder Ausgangsleistungen bestehen kann. Im Fokus treffen sich dann mehrere Laserstrahlen, die die Polarisation und Plasmaausbildung noch verstärken. Zwei- oder Mehr-Photonen-Prozesse können ausgenutzt werden, damit nur in dem Bereich, in dem sich die mindestens zwei Laserstrahlen schneiden, ausreichend hohe Intensitäten entstehen und somit eine starke Polarisation oder Plasmabildung bewirken.
In einem weiteren, gesonderten Ausführungsbeispiel kann man anstelle eines ersten Lasers L1 zwei erste Laserquellen L1a und L1b einsetzen, die vorzugsweise gegenüberliegen ( 2a). Dadurch wird erstens die Strahlungsintensität in der Kaustik K1 des Fokus F1 erhöht und zweitens erhält die Kaustik K1 des Fokus F1 eine symmetrischere Form als im Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Es besteht auch die Möglichkeit, die beiden ersten Laserquellen L1a und L1b auf derselben Seite fast parallel nebeneinander mit nur einem geringen Neigungswinkel zueinander anzuordnen (2b), so dass die beide Laserstrahlen emittiert von den beiden ersten Laserquellen L1a und L1b im selben Fokus F1 fokussiert werden, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Strahlungsintensität beiträgt; allerdings geht dieses auf Kosten der Symmetrie der Kaustik K1 des Fokus F1.
Falls die beiden ersten Laserquellen L1a und L1b vom selben Typ sind, wird das Ausführungsbeispiel gemäß 2a bevorzugt, falls jedoch die beiden Laserquellen L1a und L1b von unterschiedlichem Typ sind (beispielsweise unterschiedliche Emissionswellenlängen und -leistungen) ist das Ausführungsbeispiel gemäß 2b zwecks Handhabung und Justage vorzuziehen.
Es lassen sich auch konkrete Lasertypen angeben, die in der Vorrichtung 1 zum Einsatz kommen können:

Als erste Laserquelle L1 können die folgenden Lasertypen mit einer ausreichend hohen Ausgangsleistung und passender Wellenlänge zur Polarisation und/oder Ionisation und / oder Dissoziation der Moleküle des Mediums M eingesetzt werden: Nd-YAG-Laser, chemische Laser, Excimerlaser, Ionenlaser wie Ar⁺- oder Kr⁺-Laser, CO₂-Laser, Faser- oder Scheibenlaser, Halbleiter-oder Diodenlaserarrays, free-electron-Laser, fs- oder ps-Laser wie Titan:Saphir-Laser (Erzeugung von Plasmen durch Mehrphotonenübergänge). Als zweite (und dritte) Laserquelle L2 (und L3) können die folgenden Lasertypen eingesetzt werden: HeNe-Laser, Halbleiter- oder Diodenlaser, lonenlaser, Farbstofflaser.

Aussicht:

Es ist nicht notwendig, dass eine Laserquelle zur Polarisation oder Plasmaerzeugung herangezogen werden muss, um eine „Polarisationslinse“ oder „Plasmalinse“ oder ein Polarisationsbereich oder Plasmabereich mit einer refraktiven Wirkung auf einen weiteren, einfallenden Lichtstrahl auszubilden. Auch andere Möglichkeiten oder Energiequellen, die eine Polarisation oder ein Plasma erzeugen können, können in Betracht gezogen werden. Dazu gehört sicherlich eine Polarisationssäule oder eine Plasmasäule, die durch eine Spule innerhalb eines Quarzglasrohres oder zwischen den Platten eines Plattenkondensators induziert werden kann. Dabei wird die Polarisation oder das Plasma entweder durch eine induktiv oder kapazitiv eingekoppelte Hochfrequenzstrahlung erzeugt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0175174 A1 [0015]
DE 60010053 T2 [0015]
US 7343065 B2 [0015]

Claims

Verfahren zur freiraumoptischen Manipulation von einer zweiten Lichtstrahlung S2 mittels einer ersten Lichtstrahlung S1, bei der die erste Lichtstrahlung S1 innerhalb eines Umgebungsmediums M, welches polarisierbar und/oder ionisierbar und/oder dissoziierbar und/oder defragmentierbar ist, fokussiert wird, so dass sich im Fokusbereich F1 eine lokale Zone polarisierter Moleküle und/oder lokal ein Plasma ausbildet mit einem entsprechend lokal modifizierten Brechungsindex, wobei der Fokusbereich F1 mit dem entsprechend lokal modifizierten Brechungsindex wiederum mittels einer zweiten Lichtstrahlung S2 beaufschlagt wird, auf welchen der Fokusbereich F1 mit dem entsprechend lokal modifizierten Brechungsindex einen refraktiven Effekt ausübt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 umfassend mindestens zwei Laserquellen L1 und L2 innerhalb eines Umgebungsmediums M, wobei mindestens die erste Laserquelle L1 an ihrer Emissionsseite eine (adaptive) Sammeloptik besitzt, welche den aus der ersten Laserquelle L1 austretenden, ersten Laserstrahl S1 innerhalb des Umgebungsmediums M mit einer ausreichend hohen Intensität fokussiert und dadurch ein erster Fokus F1 innerhalb eines ersten Fokusbereichs entsteht und dort mittels Polarisation und/oder Plasmaerzeugung ein Gebiet mit einem entsprechend lokal modifizierten Brechungsindex innerhalb des ersten Fokusbereichs F1 sich ausbildet, und der zweite, aus der zweiten Laserquelle L2 austretende Laserstrahl S2 so gerichtet ist, dass dieser den ersten Fokusbereich F1 beaufschlagt und dadurch der Laserstrahl S2 manipuliert wird.