DE1183597B - Durch Elektronenbeschuss angeregter optischer Sender oder Verstaerker mit selektiver Fluoreszenz in einem festen Medium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H Ol r;

H 05 b

Deutsche Kl.: 2If- 90

Nummer: 1183 597

Aktenzeichen: C 30369 VIII c/21 f

Anmeldetag: 5. Juli 1963

Auslegetag: 17. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft einen durch Elektronenbeschuß angeregten optischen Sender oder Verstärker mit selektiver Fluoreszenz in einem festen Medium.

Es ist bekannt, daß die Verwendung eines Elektronenbeschusses als Anregungsquelle zahlreiche Vorteile mit sich bringt. Insbesondere ist die Modulation eines Elektronenstrahles sehr laicht. Es ist demzufolge einfach, die Intensität des emittierten Lichtstrahles zu modulieren.

Weiterhin ist die Steuerung der Spannung des Elektronenstrahles leicht, und man kann diese Spannung in einfacher Weise auf eine solche Spannung einstellen, bei der die Besetzung der Anregungszustände ausreicht, um eine selektive Fluoreszenz auszulösen.

Die Eindringtiefe eines Elektronenstrahles in einen Festkörper ist jedoch selbst für hohe Spannungen immer gering (in einem Material mit einer Dichte von etwa 2 beträgt die Eindringtiefe etwa 5 μΐη für 25000VoIt).

Man verwendet deshalb Elektronenstrahlen als Anregungsquelle nur in dem Fall, wenn das selektivfluoreszente Medium ein Gas ist.

Die Erfindung hat zum Ziel, eine Lichtquelle in Form eines optischen Senders oder Verstärkers für selektive Fluoreszenz zu schaffen, bei der gleichzeitig als Anregungsquelle ein Elektronenbeschuß verwendet wird und als selektiv-fluoreszentes Medium ein Festkörper.

Gemäß der Erfindung hat das selektiv-ftuoreszente Medium die Form von Fasern, die koplanar und parallel angeordnet sind und die in Richtung des auftreffenden Elektronenstrahles eine geringe Abmessung haben. Die Abmessungen können in der Größenordnung von 10 μΐη liegen, wodurch ein erheblicher Teil des Volumens des Mediums durchstrahlt wird.

Weiterhin ist das verwendete selektiv-fluoreszente Medium ein Festkörper, in welchem eine selektive Fluoreszenz erzeugt wird, wenn ein Elektron bei invertierter Besetzungsverteilung aus einem Anregungszustand in einen zweiten Anregungszustand übergeht, der ein anderer ist als der Grundzustand. Dies führt dazu, daß die Besetzung dieses zweiten Zustandes bei Raumtemperatur ausreichend gering ist, so daß das emittierte Licht lediglich in geringem Umfang absorbiert wird. Weiterhin entspricht der Grundzustand nicht einem Zustand, in welchem eine Absorption dieses Lichtes möglich ist.

Das selektiv-fluoreszente Medium kann auf einer leitenden Platte angeordnet sein, die zugleich als Beschleunigungsanode und als Kühler dient.

Durch Elektronenbeschuß angeregter optischer
Sender oder Verstärker mit selektiver
Fluoreszenz in einem festen Medium

Anmelder:

CSF Compagnie Generale de Telographie

sans FiI, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Jean Claude Simon;
Guy Mayer, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 6. Juli 1962 (903 140)

Es können Ablenkeinrichtungen für den die selektive Fluoreszenz anregenden Elektronenstrahl vorgesehen sein, um zu ermöglichen, daß jede Faser des Mediums in einer Zeit überstrichen wird, die kleiner ist als ihre Relaxationszeit.

Die Fasern können an ihren Enden gekrümmt sein, so daß die emittierten Oberiächenwellen längs der Achsen dieser Enden geführt sind.

Die Fasern können zwischen zwei semi-transparenten Spiegeln angeordnet sein, und es können optische Einrichtungen vorgesehen sein, welche die emittierten Lichtstrahlen verschieden ablenken.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellt, nochmals erläutert werden. J3s zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Vorganges der selektiven Fluoreszenz im selektivfluoreszenten Medium, das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird,

F i g. 2 und 3 SchemadarsteMimgen des Prinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 5 und 6 eine Schnittansicht und eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels und

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Fig. 7 eine Detailansicht einer möglichen abge- Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines

geänderten Ausführungsform der Erfindung. Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Das Material, welches in der erfindungsgemäßen Glasfasern 1 sind parallel zueinander auf einer Vorrichtung verwendet wird, ist ein Körper, der ein Metallplatte 4 angeordnet. Die Elektronenquelle 2, selektiv-fluoreszentes Medium enthält, in dem eine 5 der zwei Paare von horizontalen und senkrechten selektive Fluoreszenz stattfindet, wenn ein Elektron Ablenkplatten 21-22, 31-32 zugeordnet sind, sowie aus einem höheren angeregten Zustand bei invertier- die Platte 4 sind in einem Vakuumgefäß 5 angeordter Besetzungsverteilung in einen tieferen angeregten net. Die Quelle 3 führt die zur Funktion der Ein-Zustand übergeht. Bei der Darstellung in Fi g. 1 um- richtung erforderliche Gleichspannung zu. faßt der Zyklus den Durchgang durch vier Energie- io Zwei periodisch veränderliche Spannungsquellen 5 stufen des Ions. Die Energie der Anregungsquelle und 6 speisen die Ablenkplatten 21-22 und 21-32. überführt die Elektronen des Grundzustandes 0 in Diese Quellen machen es möglich, daß der Elektrodas stark erhöhte Niveau 1. Diese Elektronen sprin- nenstrahl einmal jede der Fasern überstreicht und gen ohne Lichtemission vom Niveau 1 auf das zum anderen, alle Fasern nacheinander überstreicht. Niveau 2. i₅ Die Ablenkplatten 31-32 ermöglichen eine Schnell-Eine selektive Fluoreszenz findet statt, wenn die ablenkung oder Schnellabtastung, d. h. eine AbElektronen diese überbesetzte Stufe verlassen, um in tastung in einer Zeit, die unterhalb der Relaxaeinen niedrigeren Anregungszustand 3 überzugehen. tionszeit der selektiv-fluoreszenten Substanz bleibt Diese Eigenschaft ist für die Erzeugung einer starken (56-10~⁵sec für Glas mit Neodym). Auf diese Lichtstrahlung günstig, da das Niveau 3 bei Raum- 20 Weise wird eine übermäßige Erwärmung des selektemperatur wenig besetzt ist und da das Niveau 0 tiv-fluoreszenten Mediums vermieden, und der Vorkeinem möglichen Absorptionsniveau dieses Lichtes gang verläuft, als ob die Faser gleichförmig angeregt entspricht. Derartige Stoffe existieren. Es sei ein Glas wäre. Die Abtastung oder Überstreichung, die durch genannt, welches in einem bestimmten Verhältnis in die Ablenkplatten 21-22 bewirkt wird, erfolgt weder Größenordnung von 1 % Ytterbium oder Neodym 25 sentlich langsamer.

enthält. Die Relaxationszeit des Glases mit dem F i g. 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren

Neodym ist bei Zimmertemperatur 56 · 10~⁵ see. Die Ausführungsbeispiels, und Fig. 6 zeigt dieses Aus-

beim Übergang vom Niveau 2 auf das Niveau 3 führungsbeispiel in Draufsicht. Bei diesem Ausfüh-

emittierte Welle weist eine Wellenlänge von 1,06 μία rungsbeispiel liegt das selektiv-fluoreszente Medium

auf. Man kann derartige Gläser in Form von Fasern 30 in der Form von Fasern 1 vor, die zueinander par-

verwenden, die Durchmesser im Bereich von 10 bis allel angeordnet sind und die auf einer Metallplatte 4

30 μΐη haben. angeordnet sind, welche die Rolle der Anode der

Die F i g. 2 und 3 zeigen zwei Schemadarstellungen, Elektronenstrahleinrichtung 2 spielt. Diese Anord-

die das Prinzip der erfindungsgemäßen Lichtquelle nung ist in einem Vakuumgefäß 50 eingeschlossen,

mit selektiver Fluoreszenz zeigen. Aus diesen beiden 35 Der erzeugte Elektronenstrahl weist die Form eines

Figuren ist zu ersehen, daß die selektiv-fluoreszente flachen Strahles auf, dessen Ebene parallel zur

Substanz 1, die in F ig. 2 die Form einer Glasfaser Richtung der Fasern verläuft. Ablenkplatten 21

hat und in F i g. 3 eine sehr dünne Scheibe ist, einem ermöglichen ein aufeinanderfolgendes Abtasten der

Elektronenbeschuß ausgesetzt ist, der von einer Elek- Fasern.

tronenquelle 2 ausgeht, die von einer Quelle 3 ge- 40 Die Anordnung der Fasern 1 ist zwischen zwei speist wird. Die Elektronenquelle 2 richtet auf die semi-transparente Spiegel 7 und 8 eingesetzt, die wie selektiv-fluoreszente Substanz 1 einen Elektronen- ein Interferometer von Perot-Fabry wirken und strahl, der im wesentlichen parallel zur kleinsten Ab- die die Lichtwelle in eine stationäre Welle umwanmessung dieser Substanz verläuft (zum Durchmesser dein, welche in an sich bekannter Weise in Richtung der Faser oder zur Stärke der Platte). Diese Sub- 45 des Pfeiles P emittiert wird. Eine Linse 9 lenkt die stanz 1 oder der Körper 1 ist auf einer Metallplatte 4 von den verschiedenen Fasern abgegebenen Lichtangeordnet, die gegenüber der Elektronenquelle auf wellen in die Richtungen P₁^-P_n ab. Man kann auf einem höheren Potential gehalten ist und die zugleich diese Weise durch eine einfache elektrische Steueals Träger und als Anode dient. rung, welche auf die Ablenkplatten einwirkt, eine

In den beiden Figuren stellen die schraf- 50 Abtastung des Raumes in der Ebene der F i g. 1 er-

fierten Teile die Eindringtiefe des Elektronen- zielen. Diese Anordnung unterscheidet sich grund-

strahles dar. . sätzlich von der der Fig. 4. Es werden nicht mehr

Die Platte oder die Faser haben eine Querabmes- auf der Oberfläche fortschreitende öder wandernde

sung in der Größenordnung von 10 bis 30 μηι. Es ist Wellen erzeugt, sondern stationäre Wellen,

bekannt, daß für eine Beschleunigungsspannung von 55 Es ist auch möglich, die Ablenkplatten fortzu-

25 000 V die Eindringtiefe in der Größenordnung lassen und man kann dadurch eine gleichzeitige An-

von 5 μΐη liegt. Man kann den Vorgang so betrachten, regung aller Fasern erzielen. Flüssiger Stickstoff 10

als ob der Elektronenbeschuß Lichtwellen erzeugen bewirkt eine Kühlung der Metallplatte 4.

würde, die sich über die Länge des Körpers in Form Es sei bemerkt, daß das Vakuum im Gefäß 50 be-

von fortschreitenden Oberflächenwellen ausbreiten. 60 wirkt, daß thermische Verluste durch Leitung ver-

Dies führt wie die Natur der selektiv-fluoreszenten mieden werden.

Substanz zu einer Verminderung der Lichtverluste Die dargestellten und beschriebenen Vorrichtun-

im Inneren des Körpers. Die Wellen werden in der gen weisen die folgenden Vorteile auf:

Richtung der Fasern emittiert. a) Die Funktionsweise ist weitgehend einstell- und

Der größte Teil der erzeugten Lichtenergie breitet 65 beherrschbar. Es genügt, die Anodenspannung

sich in der Richtung senkrecht zum Elektronenstrahl in entsprechender Weise zu regem, um eine

aus, ohne daß Strahlungsverluste in anderen Rieh- Energie zu erhalten, die den in Fig. 1 darge-

tungen auftreten. stellten Anregungszuständen entspricht.

b) Die Modulation des emittierten Lichtes ist außerordentlich einfach. Es genügt, die Spannung des Wehnelt-Zylinders zu modulieren.

c) Es ist möglich, mit einer geringen Intensität des Elektronenstrahles außerordentlich große Energiedichten zu erhalten.

d) Das emittierte Licht wird nicht durch den Stoff oder die Materie absorbiert, und man kann den Zustand der selektiven Fluoreszenz mit einer geringen Anregungsenergie erreichen und man kann Wanderwellen erzeugen.

e) Die Kühlung ist sehr einfach, da die Anodenmasse wegen ihrer thermischen Leitfähigkeit gleichzeitig die Rolle eines Wärmeaustauschers spielt.

f) Unter diesen Bedingungen kann die Optik für die selektive Fluoreszenz kontinuierlich betrieben werden, und die Amplituden-Modulation ist außerdem sehr einfach.

g) Die Lichtquelle in Form eines optischen Ver- ao stärkers für selektive Fluoreszenz kann fortschreitende Wellen erzeugen oder mit semitransparenten Spiegeln stehende Wellen.

h) Alle Elemente der selektiv-fluoreszenten Substanz können gleichzeitig angeregt werden und erzeugen einen einzigen Strahl sehr hoher Energie,
i) Es ist auch möglich, die Fasern nacheinander abzutasten.

Man kann auch in dem Fall der Erzeugung fortschreitender WeEen diese durch ein optisches Ablenksystem leiten, wobei man von der Biegsamkeit der Fasern Gebrauch macht. Wie Fig. 7 zeigt, können die Fasern im Gefäß 50 derart gehalten sein, daß diese an ihren Enden gebogen sind. Die in Fig. 7 dargestellte Faser emittiert das Licht in der Richtung P der Achse ihres Endes.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Durch Elektronenbeschuß angeregter optischer Sender oder Verstärker mit selektiver Fluoreszenz in einem festen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß das selektiv-fluoreszente Medium (1) die Form von Fasern hat, die koplanar und parallel angeordnet sind und die in Richtung des auftreffenden Elektronenstrahles eine geringe Abmessung haben.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektiv-fluoreszente Medium (1) auf einer leitenden Platte (4) angeordnet ist, die zugleich als Beschleunigungsanode und als Kühler dient.

3. Optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ablenkeinrichtungen (21-22, 31-32) für den die selektive Fluoreszenz anregenden Elektronenstrahl vorgesehen sind, um zu ermöglichen, daß jede Faser des Mediums in einer Zeit überstrichen wird, die kleiner ist als ihre Relaxationszeit.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern an ihren Enden gekrümmt sind, so daß die emittierten Oberflächenwellen längs der Achsen dieser Enden geführt sind.

5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zwischen zwei semi-transparenten Spiegeln (7, 8) angeordnet sind und daß optische Einrichtungen (9) vorgesehen sind, welche die emittierten Lichtstrahlen verschieden ablenken.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Applied Optics, Bd. 1, Nr. 1, 1962, S. 33 bis 35;
Physical Review Letters, Bd, 7, Nr. 12, vom
15. 12. 1961, S. 444 bis 446;
Electronics vom 31. 8. 1962, S. 25.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 758/163 12.64 ® Bundesdruckerei Berlin