DE1298206B

DE1298206B - Process for generating free electrons and arrangement for carrying out this process

Info

Publication number: DE1298206B
Application number: DE1965S0096702
Authority: DE
Inventors: Dr Eberhard; Groschwitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-04-23
Filing date: 1965-04-23
Publication date: 1969-06-26

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung freier Elektronen durch Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Festkörpern, die in ihrem Gitter bei Zimmertemperatur frei bewegliche Elektronen aufweisen.The present invention relates to a method for generating free Electrons from the interaction of laser radiation with solids that are in their Lattice have electrons that can move freely at room temperature.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention also relates to an arrangement for performing this Procedure.

Derartige freie Elektronen bzw. Elektronenstrahlen können z. B. für Zwecke der Nachrichtentechnik, insbesondere der bei der Verstärkung von Mikrowellen, in der Elektronenoptik, zur Materialprüfung für medizinische Zwecke zur Anwendung kommen. Die energetisch strukturierte Strahlung bietet dabei vor allen Dingen den Vorteil, daß eine Möglichkeit geschaffen wird, einen solchen Elektronenstrahl selektiv zu behandeln.Such free electrons or electron beams can, for. B. for Purposes of communications engineering, in particular for the amplification of microwaves, in electron optics, for material testing for medical purposes come. The energetically structured radiation offers above all the Advantage that a possibility is created to selectively use such an electron beam to treat.

Beispielsweise kann in einem nach diesem Verfahren arbeitenden Emitter von Halbleiterbauelementen eine Emission in verschiedene Energiebereiche erfolgen, wodurch im Gegensatz zum Bekannten selektive Steuerungsmöglichkeiten erzielbar sind. Insbesondere lassen sich hierbei bestimmte Energiebereiche durch Braggsche Reflektionen in Kristallen oder im Vakuum durch äußere zusätzliche elektrische und/oder magnetische Felder dosiert ausblenden. Außerdem kann durch eine vorgebbare Energiestruktur des emittierenden Elektronenstromes, der durch einen Emitter in ein Kristallgebiet emittiert wird, unter Berücksichtigung der anisotropen Verhältnisse des Leitungs- bzw. Valenzbandes. in speziellen Halbleitern eine Bevorzugung bestimmter Teilbänder mit speziellen elektrischen Leitungseigenschaften stattfinden. Jeder Energiebereich kann auch als Träger von Informationen dienen.For example, in an emitter operating according to this method semiconductor components emit in different energy ranges, whereby, in contrast to what is known, selective control options can be achieved. In particular, certain energy ranges can be determined by Bragg reflections in crystals or in a vacuum by external additional electrical and / or magnetic Fade out fields in a dosed manner. In addition, a specifiable energy structure of the emitting electron current that emits through an emitter into a crystal area taking into account the anisotropic conditions of the conduction or valence band. in special semiconductors a preference for certain sub-bands with special ones electrical conduction properties take place. Any energy domain can also be called Carriers of information serve.

Bei Anwendung im medizinischen Gebiet ist vor allen Dingen die geometrische Kleinheit einer Anordnung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ein hervorstechender Vorteil, wobei insbesondere energieabhängige Resonanz- bzw. Absorptionseffekte in einstellbaren Tiefen der durchstrahlten organischen Materie in detaillierterer Form als bisher, und zwar hinsichtlich der Dosierung und der räumlichen Struktur dieser Effekte, erzielbar sind. Es können dabei feinste Gewebeschichten in mikroskopisch kleinen räumlichen Ausdehnungen bestrahlt werden. Eine solche Möglichkeit wäre z. B. für folgende Fälle bedeutsam: Bestrahlung extrem kleiner Nervenbereiche in der Neurologie, in der Gehirnchirurgie, im Bereich des vegetativen Nervensystems, bei Augenbehandlungen usw.When used in the medical field, the geometrical one is the most important Smallness of an arrangement for carrying out the present method is a salient one Advantage, whereby in particular energy-dependent resonance or absorption effects in adjustable depths of the irradiated organic matter in more detailed form than before, namely with regard to the dosage and the spatial structure of this Effects that are achievable. It can use the finest layers of tissue microscopically small spatial expansions are irradiated. Such a possibility would be e.g. B. significant for the following cases: irradiation of extremely small nerve areas in the Neurology, in brain surgery, in the area of the autonomic nervous system Eye treatments, etc.

Aus der Zeitschrift »Brit. J. Appl. Phys.«, 1965, Vol. 16, No. 2, S. 271 bis 276, ist es bekannt, daß aus Metallfolien durch Laserstrahlen induzierte Elektronen- und Ionen-Emissionen möglich sind. Dabei wird ein Laserstrahl auf eine an einem vorgegebenen Potential liegende Metallfolie geschickt. Durch äußeren Photoeffekt werden dabei freie Elektronen oder Ionen erzeugt. Eine derartige Anordnung ist jedoch auf Grund der festen Frequenz des Laserlichtes auf Energien der freien Elektronen bzw. Ionen beschränkt, wie sie durch die Photonenenergie des Laserstrahls vorgegeben sind, d. h., die Austrittsenergie der Elektronen bzw. Ionen ist auf einen bestimmten Wert festgelegt.From the magazine »Brit. J. Appl. Phys. ”, 1965, Vol. 16, No. 2, P. 271 to 276, it is known that from metal foils induced by laser beams Electron and ion emissions are possible. A laser beam is applied to a sent metal foil lying at a given potential. By external photo effect free electrons or ions are generated in the process. However, such an arrangement is Due to the fixed frequency of the laser light on energies of the free electrons or ions, as specified by the photon energy of the laser beam are, d. This means that the exit energy of the electrons or ions is at a certain level Set value.

Aus der »Zeitschrift für Physik«, Bd. 147, 1957, S. 442 bis 464, ist es ebenfalls bekannt, aus dünnen Festkörperschichten, in deren Gitter bei Zimmertemperatur frei bewegliche Elektronen vorhanden sind, durch Lichtstrahlung mit Hilfe des äußeren Photoeffekts freie Elektronen auszulösen. Dabei tritt ebenfalls der Nachteil auf, daß die Austrittsenergie der freien Elektronen auf einen durch die Quantenenergie des einfallenden Lichtes gegebenen Wert festgelegt ist.From the "Zeitschrift für Physik", Vol. 147, 1957, pp. 442 to 464, is it is also known to consist of thin solid layers, in their lattice at room temperature freely moving electrons are present by light radiation with the help of the external Photoelectric effect to trigger free electrons. This also has the disadvantage that the exit energy of the free electrons is due to the quantum energy the value given by the incident light.

Aus der Zeitschrift »Journal of Applied Phys.«, Bd. 35, 1964, Heft 7, S. 2152 bis 2158, ist es bekannt, durch Bestrahlung nichtlinearer optischer Medien mit Laserlicht über Frequenzvervielfachung energiereichere Photonen zu gewinnen. Mit Hilfe derartiger nichtlinearer optischer Medien ist es also möglich, aus der durch eine bestimmte Laserlichtquelle festgelegten Frequenz des Laserlichtes, neue Laserfrequenzen zu erzeugen.From the journal "Journal of Applied Phys.", Vol. 35, 1964, issue 7, pp. 2152 to 2158, it is known by irradiating non-linear optical media to win more energetic photons with laser light through frequency multiplication. With the help of such non-linear optical media, it is possible from the by a certain laser light source fixed frequency of the laser light, new Generate laser frequencies.

Dabei können auch Strahlungen mit Mischfrequenzen (Summen- oder Differenzfrequenzen) gewonnen werden, wenn gemäß der deutschen Auslegeschrift 1169 585 ein optisches nichtlineares Medium durch zwei Lichtquellen unterschiedlicher Frequenz bestrahlt wird.Radiations with mixed frequencies (sum or difference frequencies) can also be used. can be obtained if according to the German Auslegeschrift 1169 585 an optical nonlinear medium irradiated by two light sources of different frequencies will.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, wobei eine frei wählbare energetische Strukturierung der aus dem Festkörper austretenden freien Elektronen möglich ist.The present invention is based on the object of a method or to specify an arrangement of the type mentioned at the beginning, one freely selectable energetic structuring of the free electrons emerging from the solid is possible.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß durch Laserstrahlung in einem optisch nichtlinearen Medium, dessen im optischen Bereich liegende Bandabstände kleiner oder gleich der Energie der primär einfallenden Elektronen sind, durch Frequenzvervielfachung Lichtstrahlung erzeugt wird und mit dieser Lichtstrahlung in dem Festkörper durch äußeren Photoeffekt Elektronen ausgelöst werden.This task is performed in a method of the type mentioned at the beginning solved in that by laser radiation in an optically non-linear medium, whose band gaps in the optical range are less than or equal to the energy the primary incident electrons are light radiation through frequency multiplication is generated and with this light radiation in the solid by external photo effect Electrons are released.

Dieses Verfahren zur Erzeugung eines energetisch strukturierten Elektronenstrahls geht von der Erkenntnis aus, daß in optisch nichtlinearen Medien, insbesondere auf der Basis einer eingestrahlten Laserstrahlung als Fundamentalfrequenz, eine Frequenzleiter neuer Laserstrahlung harmonischer Frequenzverteilungen erzeugt werden kann. Außerdem ist es in optisch nichtlinearen Medien möglich, aus mindestens zwei Laserfundamentalstrahlungen Mischfrequenzen zu erzeugen. Das vorliegende Verfahren macht sich diesen Sachverhalt zunutze. Der Grundgedanke besteht darin, die in dem optisch nichtlinearen Medium erzeugte Strahlung, die durch eine bestimmte gestufte Photonenenergie gekennzeichnet ist, zur Erzeugung eines energetisch entsprechend gestuften Elektronenplasmas heißer Elektronen in einem angrenzenden Medium mit entarteter Elektronenkonzentration heranzuziehen. Die Struktur der Photonenenergie wird somit auf die Energiestruktur eines Plasmas heißer Elektronen abgebildet.This method of generating an energetically structured electron beam is based on the knowledge that in optically non-linear media, in particular on the basis of an irradiated laser radiation as a fundamental frequency, a frequency ladder new laser radiation of harmonic frequency distributions can be generated. aside from that it is possible in optically non-linear media from at least two laser fundamental radiations To generate mixing frequencies. The present proceedings address this issue advantage. The basic idea is that in the optically non-linear medium generated radiation, which is characterized by a certain graduated photon energy is hotter to generate an energetically graded electron plasma To attract electrons in an adjacent medium with a degenerate electron concentration. The structure of the photon energy is thus based on the energy structure of a plasma hot electrons mapped.

Diesem Gedanken tritt noch ein weiterer zur Seite. Er besteht darin, daß die in dem optisch nichtlinearen Medium erzeugte neue Laserstrahlung, die hinsichtlich ihrer Frequenz als Harmonischenleiter ausgebildet ist, in bezug auf ihre Energieverteilung über der Frequenzleiter gesteuert werden kann. Diese Steuerung der Energieverteilung einer Frequenzleiter mit an sich beliebig wählbarer Fundamentalfrequenz wird durch optimale Wahl des veränderbaren Verhältnisses der verbotenen Bandbreite des optisch nichtlinearen Mediums zur eingestrahlten Quantenenergie der Fundamentallaserstrahlung eingestellt. Der Grund hierfür liegt in der physikalischen Erkenntnis, daß die Breite des verbotenen Bandes und ihr Verhältnis zur Größe der Quantenenergie der Laserfundamentalfrequenz einen wesentlichen Einfluß auf die Größenordnung der nichtlinearen Suszeptibilität des optisch nichtlinearen Mediums besitzt, welche die Harmonischenintensitäten bestimmt. Das genannte Verhältnis: Breite des verbotenen Bandes zur Quantenenergie der Fundamentalstrahlung muß zur Erzeugung wirksamer Nichtlinearitäten kleiner als Eins sein. Innerhalb dieser Voraussetzung jedoch ist je nach der gewählten Zusammensetzung und stofflichen Eigenart des nichtlinearen Mediums ein bestimmter besonders günstiger Wert im Hinblick auf bestimmte Energiestrukturen des am Ende erzeugten Elektronenstrahls zu wählen.Another thought comes to the side. It consists in that the new laser radiation generated in the optically non-linear medium, which in terms of its frequency is designed as a harmonic conductor with respect to its energy distribution can be controlled via the frequency conductor. This control of power distribution a frequency conductor with arbitrarily selectable fundamental frequency is through optimal choice of the changeable ratio of the forbidden bandwidth of the optically non-linear medium to the irradiated quantum energy the fundamental laser radiation set. The reason for this lies in the physical knowledge that the width of the forbidden band and its relationship to the magnitude of the quantum energy of the laser fundamental frequency has a significant influence on the order of magnitude of the nonlinear susceptibility of the optically non-linear medium, which determines the harmonic intensities. The ratio mentioned: width of the forbidden band to the quantum energy of the fundamental radiation must be less than one to produce effective non-linearities. Within this The prerequisite, however, is depending on the selected composition and material characteristics of the non-linear medium a certain particularly favorable value with regard to to choose certain energy structures of the electron beam generated in the end.

Die Variation dieses Verhältnisses kann einerseits durch Wahl der veränderlichen stofflichen Zusammensetzung, z. B. in Verbindungen wie Zinksulfid-Cadmiumsulfid oder Cadmiumsulfid-Cadmiumselenid, erzeugt werden; sie kann aber auch durch veränderliche mechanische äußere Kräfte an ein und derselben Modifikation in der gewünschten Weise bestimmt werden, wobei diese mechanischen äußeren Kräfte im allgemeinen gerichtete Kräfte sind, welche eine merkliche Veränderung der jeweils bestehenden verbotenen Bandbreite auch unter Berücksichtigung anisotroper Bandverhältnisse bewirken.The variation of this ratio can on the one hand by choosing the changeable material composition, e.g. B. in compounds such as zinc sulfide-cadmium sulfide or cadmium sulfide-cadmium selenide; but it can also be changed by changing mechanical external forces on one and the same modification in the desired manner These mechanical external forces are generally directional Forces are, which are a noticeable change of the respectively existing forbidden Achieve bandwidth also taking into account anisotropic band ratios.

Der Vorgang einer Frequenzvervielfachung in einem optisch nichtlinearen Medium kommt durch die hohe Aussteuerung des Suszeptibilitätstensors mittels einer Strahlung hinreichend hoher Intensität zustande. Das Auftreten neuer Frequenzen ist dabei als Entwicklung dieses Tensors in eine Potenzreihe nach dem Quadrat der elektrischen Feldstärke zu begreifen. Diese Entwicklung steht in Analogie zu Übersteuerungseffekten in Nachrichtenorganen, bei denen die Entwicklung der Kennlinie nach einer zu übertragenden Größe den Grad der Nichtlinearität in einem betrachteten Aussteuerungsbereich bestimmt. Das Hinzunehmen höherer Bereiche der Kennlinie entspricht bei diesem Vergleich der Berücksichtigung weiterer Glieder in der Entwicklung des Tensors.The process of frequency multiplication in an optically non-linear Medium comes through the high modulation of the susceptibility tensor by means of a Radiation of sufficiently high intensity. The appearance of new frequencies is the expansion of this tensor into a power series after the square of to understand electric field strength. This development is analogous to override effects in news organs, where the development of the characteristic curve after a to be transmitted Size determines the degree of non-linearity in a modulation range under consideration. The addition of higher areas of the characteristic corresponds to this comparison Consideration of further links in the development of the tensor.

Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens werden durch Mischung zweier Laserfundamentalfrequenzen die Mischfrequenzen als neue Fundamentalfrequenzen zur Erzeugung von Harmonischenleitern frei wählbarer Spektralverteilung als in das Festkörpergebiet mit entarteter Elektronenkonzentration eingestrahlte Sekundärstrahlung verwendet. Dabei werden in einem ersten optisch nichtlinearen Medium die Mischfrequenzen und in einem zweiten die Harmonischenleitern erzeugt, wobei das Verhältnis zwischen Quantenenergie der Mischfrequenzen und dem Bandabstand des zweiten optisch nichtlinearen Mediums derart gewählt wird, daß die aus diesem zweiten nichtlinearen Medium austretende Sekundärstrahlung eine frei wählbare Harmonischenspektralverteilung bildet.According to a further development of this method, by mixing two laser fundamental frequencies, the mixed frequencies as new fundamental frequencies for generating harmonic conductors of freely selectable spectral distribution than in the Solid body area with degenerate electron concentration irradiated secondary radiation used. The mixing frequencies are used in a first optically non-linear medium and in a second generating the harmonic conductors, the ratio between Quantum energy of the mixing frequencies and the band gap of the second optically non-linear Medium is chosen such that the emerging from this second non-linear medium Secondary radiation forms a freely selectable harmonic spectral distribution.

Gemäß einer besonderen Ausbildung des Verfahrens kann das Verhältnis zwischen der Quantenenergie der Fundamentallaserstrahlung und dem Bandabstand des optisch nichtlinearen Mediums entweder durch das Mengenverhältnis der Legierungskomponenten des optisch nichtlinearen Mediums oder durch von außen aufgebrachte mechanische Spannungen in diesem bestimmt werden.According to a special embodiment of the method, the ratio between the quantum energy of the fundamental laser radiation and the band gap of the optically non-linear medium either by the quantitative ratio of the alloy components of the optically non-linear medium or by externally applied mechanical Tensions in this are determined.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß der aus dem Festkörpergebiet mit entarteter Elektronenkonzentration austretende Elektronenstrom in seiner Energieverteilung durch steuerbare Potentiale in einem elektrischen Gegenfeld selektiv ausgeblendet wird. Weiterhin kann durch ein zusätzliches äußeres elektrisches Feld der Potentialwall in einer dünnen Oberflächenschicht zwischen optisch nichtlinearem Medium und Festkörpergebiet mit entarteter Elektronenkonzentration gesteuert werden, wodurch die für die beiden Medien charakteristische Austrittsarbeit und die Emissionsrate des Tunneleffektes in der Zwischenschicht gesteuert werden.According to a further embodiment of the method, it is provided that that the one emerging from the solid-state region with a degenerate electron concentration Electron flow in its energy distribution through controllable potentials in one electrical opposing field is selectively hidden. Furthermore, an additional external electric field the potential wall in a thin surface layer between optically non-linear medium and solid-state area with degenerate electron concentration can be controlled, whereby the work function characteristic of the two media and the emission rate of the tunnel effect in the intermediate layer can be controlled.

Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß der Potentialwall in der dünnen Zwischenschicht zwischen optisch nichtlinearem Medium und Festkörpergebiet mit entarteter Elektronenkonzentration durch wenigstens eine äußere Lichtstrahlung gesteuert wird. Es kann schließlich der Potentialwall im Rhythmus der Mischfrequenz zweier Lichtstrahlungen verschiedener Frequenz gesteuert werden, wodurch bestimmte Energieanteile des Elektronenstroms im Rhythmus der Mischfrequenz moduliert werden.Another development provides that the potential wall in the thin intermediate layer between the optically non-linear medium and the solid state with degenerate electron concentration due to at least one external light radiation is controlled. Finally, the potential wall can be in the rhythm of the mixing frequency two light rays of different frequency are controlled, whereby certain Energy components of the electron flow are modulated in the rhythm of the mixing frequency.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Laserstrahlung ein Festkörperlaser vorgesehen ist, daß mit dem lichtemittierenden Bereich des Lasers ein optisch nichtlineares Medium optisch gekoppelt ist, daß sich an das optisch nichtlineare Medium im Strahlengang der aus diesem austretenden Lichtstrahlung eine Metallfolie anschließt und daß im Anschluß an die Metallfolie ein durch dieses Festkörpergebiet und wenigstens eine Elektrode gebildeter Raumbereich vorgesehen ist.The arrangement for carrying out the method according to the invention is characterized in that a solid-state laser is used to generate the laser radiation it is provided that the light-emitting area of the laser is an optically non-linear one Medium is optically coupled to the optically non-linear medium in the beam path the light radiation emerging from this is followed by a metal foil and that im Connection to the metal foil through this solid-state region and at least one Electrode formed space area is provided.

Der durch die Metallfolie und die Elektrode ausgebildete Raumbereich kann einerseits ein Vakuum oder andererseits mit einem Dielektrikum ausgefüllt sein. Die Metallfolie ist vorzugsweise als Elektrode ausgebildet. Die Dicke der Metallfolie ist kleiner als die Dämpfungslänge der heißen Elektronen in diesem Gebiet.The space formed by the metal foil and the electrode can be filled on the one hand with a vacuum or on the other hand with a dielectric. The metal foil is preferably designed as an electrode. The thickness of the metal foil is smaller than the attenuation length of the hot electrons in this area.

An dieser Stelle sollen kurz die Begriffe »heiße Elektronen« und »Dämpfungslänge von heißen Elektronen« definiert werden.At this point the terms "hot electrons" and "damping length by hot electrons «.

Die in einem metallischen Leiter zur elektrischen Leitfähigkeit führenden quasi freien Elektronen gehorchen bei Normalbedingungen thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten, bei denen die Energieverteilung durch die Boltzmann-Statistik beschrieben wird. Aus diesem Grunde spricht man in der Kristallphysik auch von »thermischen Elektronen«. Dieser Zustand wird bei sich selbst überlassenem metallischem Leiter als thermodynamisches Gleichgewicht bezeichnet.Those leading to electrical conductivity in a metallic conductor quasi free electrons obey thermodynamic laws under normal conditions, where the energy distribution is described by the Boltzmann statistics. For this reason one speaks of "thermal electrons" in crystal physics. This state is called thermodynamic when a metallic conductor is left to its own devices Called equilibrium.

Werden die Elektronen nun durch Energiezufuhr, beispielsweise durch Lichtenergie, energetisch angeregt, so wird das thermodynamische Gleichgewicht gestört. Derartige, energetisch höher angeregte Elektronen werden als »heiße Elektronen« bezeichnet.The electrons are now supplied with energy, for example by Light energy, energetically stimulated, the thermodynamic equilibrium is disturbed. Such electrons, which are more energetically excited, are called "hot electrons" designated.

Der hinsichtlich des thermodynamischen Gleichgewichtes gestörte Zustand ist natürlich kein stabiler Zustand; er klingt mit einer bestimmten Relaxationszeit wieder ab. Diesem Abklingzustand ist auch eine gewisse Strecke zuzuordnen, welche die Elektronen auf Grund ihrer kinetischen Energie zurücklegen, bis sie wieder in den thermodynamischen Gleichgewichtszustand zurückgefallen sind. Diese Strecke wird als »Dämpfungslänge« bezeichnet.The disturbed state in terms of thermodynamic equilibrium is of course not a stable state; it sounds with a certain relaxation time off again. A certain distance can also be assigned to this decay state, which the electrons travel due to their kinetic energy, until they have fallen back into the state of thermodynamic equilibrium. These Distance is referred to as the »attenuation length«.

Das Dielektrikum kann schichtenförmig ausgebildet sein, und zwar derart, daß eine erste Schicht als eine die Austrittsarbeit des Festkörpergebietes mit entarteter Elektronenkonzentration bestimmende Oberflächenschicht, insbesondere eine Oxydschicht oder eine isolierende Fremdschicht, und eine zweite Schicht als Dielektrikum mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante gegenüber der Oberflächenschicht bzw. als Vakuum ausgebildet ist. Die Oberflächenschicht besitzt dabei eine Dicke von etwa einigen 10 A.The dielectric can be formed in layers, namely in such a way that that a first layer as one the work function of the solid area with degenerate Surface layer that determines the electron concentration, in particular an oxide layer or an insulating foreign layer, and a second layer as a dielectric with different dielectric constant compared to the surface layer or is designed as a vacuum. The surface layer has a thickness of about a few 10 A.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.The invention is illustrated with reference to FIGS. 1 to 5 explained in more detail.

Die F i g. 1 zeigt schematisch die physikalischen Prinzipien, insbesondere die energetischen Verhältnisse, die der Erfindung zugrunde liegen.The F i g. 1 shows schematically the physical principles, in particular the energetic relationships on which the invention is based.

Eine Laserstrahlung mit der Fundamentalfrequenz uoF trifft mit einstellbarem Winkel auf das optisch nichtlineare Medium I. In diesem werden die Harmonischenstrahlungen mit den Frequenzen 2 coF, 3 coF, 4 o)F ... erzeugt, die einschließlich der Fundamentalfrequenz r)F in die Metallfolie II eingestrahlt werden. Durch die oben erläuterte Einstellung des Verhältnisses zwischen der Quantenenergie der Fundamentalstrahlung und der Breite des verbotenen Bandes des Kristalls I erhält das Strahlungsfeld mit den Harmonischenfrequenzen eine steuerbare Energieverteilung. In der Metallfolie II ist die Anregung des Elektronengases nach Maßgabe des eingestrahlten Strahlungsfeldes mit entsprechenden Energiestufen schematisch dargestellt. Die Fermigrenze ist durch das Energieniveau E" gekennzeichnet. Die untere Grenze des Leitungsbandes ist durch das Energieniveau E, angedeutet. Das angeregte Elektronengas wird ersichtlich durch die dünne Oberflächenschicht III in das Dielektrikum IV emittiert, wobei das Gebiet IV nicht notwendig ein Dielektrikum sein muß, sondern auch ein Vakuum sein kann. In den Bereichen II, III und IV ist außerdem der auf ein Nullniveau der Elektronenenergie bezogene Verlauf eines elektrostatischen Makropotentials -eV strichpunktiert dargestellt. Dieses zeigt beispielsweise in der dünnen Oberflächenschicht III einen schmalen Potentialwall, durch dessen Höhe, ausgehend vom Ferminiveau EF, die Austrittsarbeit des Metalls bestimmt wird.A laser radiation with the fundamental frequency uoF hits the optically non-linear medium I at an adjustable angle. In this, the harmonic radiation with the frequencies 2 coF, 3 coF, 4 o) F ... is generated, which including the fundamental frequency r) F in the metal foil II are irradiated. By setting the ratio between the quantum energy of the fundamental radiation and the width of the forbidden band of the crystal I, as explained above, the radiation field with the harmonic frequencies receives a controllable energy distribution. In the metal foil II, the excitation of the electron gas is shown schematically in accordance with the irradiated radiation field with corresponding energy levels. The Fermi limit is indicated by the energy level E. "The lower limit of the conduction band is indicated by the energy level E. The excited electron gas is evidently emitted through the thin surface layer III into the dielectric IV, whereby the area IV does not necessarily have to be a dielectric. In areas II, III and IV, the course of an electrostatic macropotential -eV related to a zero level of the electron energy is shown in dash-dotted lines the work function of the metal is determined by the Fermi level EF.

Im vorliegenden Beispiel wird gezeigt, daß der Anteil des Elektronengases mit den Anregungsstufen h coF und h 2 c)F die Oberflächenschicht III durch den Potentialwall durchtunnelt (h bedeutet hier das Plancksche Wirkungsquantum). Die höheren Anregungsstufen treten unmittelbar mit einer überschüssigen kinetischen Energie in den Bereich IV aus, welche durch die Differenz zwischen der jeweiligen Quantenenergie und dem Gipfel des Potentialberges bestimmt wird. Der Potentialberg wird durch ein äußeres, mit Hilfe einer nicht dargestellten Gegenelektrode angelegtes elektrisches Potential gesteuert. Hierdurch wird sowohl die Höhe als auch die Breite des Potentialberges modifiziert. Dies hat zur Folge, daß das gesamte Energiespektrum der Elektronenemission vorgebbar beeinflußt werden kann. Einerseits werden nämlich die Emissionsraten der niederen Quantenenergie durch Steuerung des Tunneleffektes modifiziert, und andererseits wird die überschüssige kinetische Energie der Elektronen mit höheren Energiestufen durch Variation der Gipfelhöhe des Potentialberges beeinflußt.In the present example it is shown that the proportion of the electron gas with the excitation levels h coF and h 2 c) F tunnels the surface layer III through the potential wall (h here means Planck's quantum of action). The higher levels of excitation emerge directly into area IV with excess kinetic energy, which is determined by the difference between the respective quantum energy and the peak of the potential mountain. The potential mountain is controlled by an external electrical potential applied with the aid of a counter electrode (not shown). This modifies both the height and the width of the potential mountain. The consequence of this is that the entire energy spectrum of the electron emission can be influenced in a predefinable manner. On the one hand, the emission rates of the lower quantum energy are modified by controlling the tunnel effect, and on the other hand, the excess kinetic energy of the electrons with higher energy levels is influenced by varying the height of the peak of the potential mountain.

An Stelle einer Steuerung der Austrittsarbeit der Elektronen durch ein äußeres elektrisches Potential kann jedoch die Austrittsarbeit auch durch mindestens eine zusätzliche äußere Lichteinstrahlung gesteuert werden. Hierbei ist insbesondere der Fall von Interesse, daß zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz eingestrahlt werden, so daß der Potentialberg in der Schicht III im Rhythmus der Mischfrequenz variiert wird und entsprechend die Elektronenemission einen mit der Mischfrequenz pulsierenden zeitlichen Verlauf annimmt.Instead of controlling the work function of the electrons through an external electrical potential can, however, also reduce the work function by at least an additional external light irradiation can be controlled. Here is in particular the case of interest that two light beams of different frequencies are irradiated so that the potential mountain in layer III in the rhythm of the mixing frequency is varied and accordingly the electron emission one with the mixing frequency pulsating time course assumes.

Darüber hinaus können auf das optisch nichtlineare Gebiet I zwei Strahlen mit den Frequenzen co, und c)2 wählbarer Einfallrichtungen gestrahlt werden. Damit ergeben sich im Gebiet I zunächst Mischfrequenzen coF = coi - c)2 und uJF = oh -I- c)2. Die Fundamentalfrequenz für die Harmonischenerzeugung wird nunmehr in diesem Fall durch die erzeugte Mischfrequenz gebildet; beispielsweise wird als Fundamentalfrequenz coF = (01- w2 verwendet. Mit Hilfe der neu erzeugten Fundamentalfrequenz entsteht, wie bereits oben ausgeführt, ein Strahlungsfeld in Harmonischen, welches zur Erzeugung des Elektronengases im Gebiet II herangezogen wird.In addition, two beams with frequencies co and c) 2 of selectable directions of incidence can be radiated onto the optically non-linear region I. This results in mixed frequencies coF = coi - c) 2 and uJF = oh -I- c) 2 in area I. The fundamental frequency for the harmonic generation is now formed in this case by the generated mixed frequency; For example, the fundamental frequency used is coF = (01-w2. With the help of the newly generated fundamental frequency, as already explained above, a radiation field in harmonics is created, which is used to generate the electron gas in region II.

Das optisch nichtlineare Medium I kann in zwei optisch nichtlineare Gebiete verschiedener Substanz aufgeteilt werden, wobei im ersten die neue Fundamentalfrequenz als Mischfrequenz erzeugt wird, welche in der zweiten Substanz das Harmonischenstrahlungsfeld bildet.The optically nonlinear medium I can be divided into two optically nonlinear ones Areas of different substance are divided, the first being the new fundamental frequency is generated as a mixed frequency, which is the harmonic radiation field in the second substance forms.

In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung schematisch dargestellt. Ein optisch nichtlinearer Kristall I mit einer ebenen Basisfläche und einer ellipsoidischen Oberfläche trägt eine dieser angepaßte Metallschicht II. Der Kristallkörper befindet sich in Halterungen 1 und 2, welche mechanische Druckkräfte auf den optisch nichtlinearen Kristall I ausüben. Hierdurch werden die Anisotropieverhältnisse des Kristalls und insbesondere das oben beschriebene Anpassungsverhältnis zwischen der Quantenenergie der Laserstrahlung cor und den Teilen des wirksamen verbotenen Bandes bzw. Teilbandes gesteuert. Das kuppenförmige Ellipsoid des Kristalls I ist nach Lage der Kristallorientierung gewählt, derart, daß bei einer bestimmten räumlichen Einstrahlungsrichtung der Laserstrahlung coF das anisotrope Strahlungsfeld der erzeugten Harmonischen in den Richtungskegel ausgestrahlt wird, welcher durch die Metallkappe II bestimmt ist. Die ellipsoidische Form wird durch die anisotropen Dispersionsverhältnisse, d. h. durch das Strahlungsellipsoid des Harmonischenfeldes im Kristall, bestimmt.In Fig. 2 is an embodiment of the arrangement schematically shown. An optically non-linear crystal I with a flat base surface and an ellipsoidal surface carries this adapted metal layer II. The Crystal body is in brackets 1 and 2, which mechanical compressive forces exert on the optically non-linear crystal I. This results in the anisotropy ratios of the crystal and in particular the above-described matching ratio between the quantum energy of the laser radiation cor and the parts of the effective prohibited Band or sub-band controlled. The dome-shaped ellipsoid of crystal I is chosen according to the location of the crystal orientation, such that at a certain spatial Direction of irradiation of the laser radiation coF the anisotropic radiation field of the generated Harmonic is emitted in the directional cone, which is through the metal cap II is determined. The ellipsoidal shape is due to the anisotropic dispersion ratios, d. H. by the radiation ellipsoid of the harmonic field in the crystal.

In F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei dem gleichartige Elemente wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.In Fig. 3 another embodiment is shown schematically, in which elements similar to those in FIG. 1 provided with the same reference numerals are.

Der optisch nichtlineare Kristall I ist in diesem Fall mit einem konusförmigen Rand ausgebildet, auf dem sich im zentralen Bereich eine ellipsoidische Kuppel befindet, welche durch die Metallfolie II bedeckt ist. Die Fundamentalfrequenz für das Harmonischenfeld wird durch Frequenzmischung aus den beiden Laserfrequenzen co, und o)2 erzeugt. Die Steuerung der anisotropen Energiebänder geschieht durch mechanische Scherspannungen, welche durch die Halterung 1 und 2 erzeugt werden.The optically non-linear crystal I is in this case with a cone-shaped Edge formed on which there is an ellipsoidal dome in the central area, which is covered by the metal foil II. The fundamental frequency for the harmonic field is generated by frequency mixing from the two laser frequencies co, and o) 2. The anisotropic energy bands are controlled by mechanical Shear stresses generated by the holder 1 and 2.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 unterscheidet sich von dem nach F i g. 2 in erster Linie durch das erzeugte mechanische Spannungsfeld. Dieses wird beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 hauptsächlich durch Scherspannungen bestimmt, während beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 im wesentlichen uniaxiale Drücke vorliegen. Die Wahl der Ausgestaltung des Spannungsfeldes hängt von den elektronischen Energieverhältnissen des gewählten nichtlinearen Kristallgitters ab, wobei für bestimmte Gittertypen jeweils bestimmte Spannungsfelder den Vorzug haben.The embodiment according to FIG. 3 is different from the one after F i g. 2 primarily through the generated mechanical stress field. This will in the embodiment according to FIG. 3 mainly determined by shear stresses, while in the embodiment according to FIG. 2 essentially uniaxial pressures are present. The choice of the design of the tension field depends on the electronic Energy ratios of the selected nonlinear crystal lattice, with certain Grid types each have certain areas of tension.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist gegenüber denen nach F i g. 2 und 3 ein schichtenförmiger optisch nichtlinearer Kristall mit den Schichten I a und I b vorgesehen. Die an den optisch nichtlinearen Kristall angrenzenden mechanischen Halterungen 1 und 2 zur Übertragung von Drücken sind in den Grenzflächen der Kristalle I a und I b mit spiegelnden Flächen 3, 4 und 5 versehen.In the embodiment according to FIG. 4 is opposite to those after F i g. 2 and 3 a layered optically nonlinear crystal with the layers I a and I b provided. The mechanical adjacent to the optically non-linear crystal Holders 1 and 2 for transferring pressures are in the interfaces of the crystals I a and I b are provided with reflective surfaces 3, 4 and 5.

Aus der Anwendung von zwei Schichten verschiedener optisch nichtlinearer Medien ergeben sich die oben beschriebenen Sachverhalte. Durch die Spiegelflächen 3, 4 und 5 entsteht ein Strahlungsraum, in welchem das Harmonischenfeld bevorzugt mit einem Intensitätsmaximum in den mit der Metallfolie 1I bedeckten ellipsoidischen Bereich eingestrahlt wird. Die Ausbildung der Trennfläche zwischen den Schichten I a und I b ist dem mechanischen Spannungsfeld und den anisotropen Dispersionsverhältnissen in optimaler Weise angepaßt.The facts described above result from the use of two layers of different optically non-linear media. The mirror surfaces 3, 4 and 5 create a radiation space in which the harmonic field is radiated, preferably with an intensity maximum, into the ellipsoidal area covered with the metal foil 11. The formation of the interface between the layers I a and I b is optimally adapted to the mechanical stress field and the anisotropic dispersion conditions.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel im Querschnitt dargestellt, bei dem sich an die laseraktive Raumladungszone 8 eine Laserdiode mit den hochdotierten Gebieten 6 und 7 und optisch nichtlineare Kristalle I a und I b derart anschließen, daß die Laserstrahlung als Fundamentalstrahlung in das Gebiet Ia eintritt und das Harmonischenfeld in die kappenförmige Metallfolie 1I eingestrahlt wird. Die gesamte Anordnung soll beispielsweise als ringförmiger Elektronenemitter gedacht werden. Die optisch anisotropen Kristalle I a sind in bezug auf ihre optische Achse derart geschnitten, daß das erzeugte Harmonischenfeld in Richtung der Kristalle I b emittiert wird und dort einen Emissionskegel von emittierten Elektronen ungefähr in der Mitte der Metallkappe erzeugt. In einer etwas anderen Modifikation können die Kristalle I a und I b auch durch einen einzigen Kristall mit optisch nichtlinearen Eigenschaften ersetzt werden. Die Wirkungsweise ergibt sich in analoger Weise aus den obigen Ausführungen.In Fig. 5 another embodiment is shown in cross section, in which the laser-active space charge zone 8 is a laser diode with the highly doped Connect areas 6 and 7 and optically non-linear crystals I a and I b in such a way that that the laser radiation enters the area Ia as fundamental radiation and that Harmonic field is radiated into the cap-shaped metal foil 1I. The whole Arrangement should be thought of as a ring-shaped electron emitter, for example. The optically anisotropic crystals I a are of this type with respect to their optical axis cut that the generated harmonic field is emitted in the direction of the crystals I b and there an emission cone of emitted electrons roughly in the middle generated by the metal cap. In a slightly different modification the crystals I a and I b also by a single crystal with optically non-linear properties be replaced. The mode of operation results in an analogous manner from the explanations above.

Die Anordnung nach F i g. 5 besitzt vor allen Dingen den Vorteil einer extrem räumlichen Kleinheit.The arrangement according to FIG. 5 above all has the advantage of being extremely small size.

Claims

Claims: 1. Method for generating free electrons by Interaction of laser radiation with solid bodies in their lattice at room temperature have freely movable electrons, characterized in that by the laser radiation in an optically non-linear medium, its band gaps lying in the optical range are less than or equal to the energy of the primary incident photons, due to frequency multiplication Light radiation is generated and with this light radiation in the solid through external photoelectric effect electrons are released.

2. The method according to claim 1, characterized characterized in that the in the optically non-linear, for frequency multiplication used medium radiation entering a second optically non-linear medium by frequency mixing of the radiation of at least two lasers of any fundamental frequencies is produced.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Spectral distribution within the radiation resulting from frequency multiplication by the ratio of the energy used in the frequency multiplication Radiation entering the medium to the band gaps in the optical range this medium is determined.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the band gaps of the medium used for frequency multiplication can be determined by the proportions of its alloy components.

5. Procedure according to one of claims 1 to 4, characterized in that the band gaps of the the medium used to multiply its frequency due to mechanical stresses in it Medium can be varied.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that that the slower free electrons escaped from the solid body through a electrical opposing field of controllable magnitude located outside the solid body be hidden.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that that the shape of the work function and the tunnel effect influencing potential wall in the electron-emitting surface layer of the solid by an additional electric field is changed. B.

Method according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the shape of the potential wall by irradiating the electron-emitting Solid surface is changed with at least one light source.

9. Procedure according to one of claims 1 to 8, characterized in that the shape of the potential wall by irradiating the electron-emitting solid surface with a through Frequency mixing of the light from two sources with different frequencies Radiation is modulated in the cycle of the intensity fluctuations of this radiation.

10. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that that a solid-state laser is provided for generating the laser radiation that with the light-emitting area of the laser is an optically non-linear medium optically is coupled to the optically non-linear medium in the beam path from This emerging light radiation is followed by a metal foil and that in connection on the metal foil a spatial area formed by this and at least one electrode is provided.

11. Arrangement according to claim 10, characterized in that that the space formed between the metal foil and the electrode is evacuated is.

12. The arrangement according to claim 10, characterized in that the between the Metal foil and the electrode formed space area filled with a dielectric is.

13. Arrangement according to one of claims 10 to 12, characterized in that the metal foil is designed as an electrode.

14. Arrangement according to one of the claims 10 to 13, characterized in that the thickness of the metal foil is smaller than that Is the attenuation length of the electrons in this area.

15. Arrangement according to one of the Claims 10 to 14, characterized in that between the metal foil and the dielectric located on the electrode is formed in layers, in such a way that that a first layer of a determining the work function of the metal foil Surface layer and a second layer of the dielectric or the vacuum consists.

16. Arrangement according to claim 15, characterized in that the surface layer an oxide layer .is.

17. Arrangement according to one of claims 10 to 16, characterized in that the surface layer of the metal foil has a thickness of a few 10A.