DE1614257A1

DE1614257A1 - Elektrochemisch gesteuerte Lichtreflexion

Info

Publication number: DE1614257A1
Application number: DE19671614257
Authority: DE
Inventors: Osteryoung Robert A; Hansen Wilford N
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Priority date: 1966-06-30
Filing date: 1967-06-21
Publication date: 1970-06-25
Also published as: NL6708484A; GB1196253A; US3476460A

Description

Drying. HANS RUiCHKI ΟίρΙ,-lng. HEIMZ 0UUR

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North American Aviation, Inc.,
El Segundo, Californien

Elektrochemisch gesteuerte Licht-Keflexion.

Die Erfindung bezieht sieh auf ein Verfahren zum Steuern des Reflexionsfaktors einer Oberfläche mit den Schritten eine gedämpfte Gesamtreflexionsgrenzflache zu schaffen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere darauf, von Lasern erzeugtes kohärentes Licht zu modulleren. Es ist wohl bekannt, daß eines oder mehrere der Merkmale kohärenter elektromagnetischer Strahlung moduliert werden kann, so daß Informationen übertragen werden können. Diese Modulation kann

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Phasen-, Frequenz- oder Amplitudenmodulation «ein und verschiedene Techniken und Vorrichtungen wurden bereits vorgeschlagen. Beispielsweise können die Anordnungen zum Modulieren kohärenten Lichtes nach dem aande der Technik Polarisatoren, Kerr-Zellen oder mechanisch verstellbare Fabray-Perot-Reflektoren verwenden. Andere Vorschläge laufen darauf hinaus, den Raum-Ladungsbereich einer p-n-Verbindung in einem Halbleiter als Fenster zu benutzen, dessen Breite durch ein zurEinwirkung gebrachtes Feld moduliert wird. Derartige Vorrichtungen waren nur mit sehr schmalen Lichtstrahlen nützlieh, bringen beträchtliche Verluste an Licht mit sich und erfordern eine ganz genaue Ausrichtung der Lichtstrahlen und der p-n-Verbindung oder bringen schwere Beschränkungen wegen Phasenstörung mit sich. Im allgemeinen bringen die Vorschläge nach dem Stande der Technik zum Modulieren kohärenter Lichtstrahlen Schwierigkeiten in der praktischen Verwendung mit sich, wobei die bedeutendsten der Mangel an Trennfähigkeit ( discreteness) des Modulationseffektes und die Kompliziertheit der Hilfseinrichtung ist, die notwendig ist, um die gewünschte Modulation zu erzielen. Andere Vorschläge verwenden Heduktions-, Oxydationsreaktionen, worin eine lichtabsorbierende Spezies auf eine Oberfläche aufgebracht oder davon entfernt wird, um die Lichtübertragung durch diese Oberfläche zu steuern. Derartige Anordnungen erfordern jedoch einen wesentlich größeren Wert der Ladung als das System nach der vorliegenden Erfindung.

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Weiterhin beeinflußt Jegliche Veränderung in der Gleichmässigkeit der abgelagerten Reflexionsschichten die Übertragung, während in dem System nach der vorliegenden Erfindung nur eine einschichtige Ablagerung erforderlich ist, um weit bessere Ergebnisse zu erzielen, die eine gedämpfte Gesamtreflexion vermeiden.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine optische Strahlung zu modulieren, ohne daß dabei die Nachteile der Verfahren nach dem Stande der Technik auftreten.

Das Ziel wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren erreicht, das die Schritte einschließt, elektrochemisch die lichtabsorbierenden Merkmale der genannten Grenzfläche zu verändern, Licht von dieser Grenzfläche vielfach zu reflektieren und diese elektrochemische Veränderung zu steuern, um v/ahlweise das von der genannten Grenzfläche reflektierte Licht zu modulleren.

Der Abwandlungsschritt besteht im Idealfall draus, eine Spannung in der Grenzfläche zu schaffen und der Kontrollschritt umfaßt idealerweise das

wahlweise Verändern der genannten Spannung, um die Reflexionsmerkmale der genannten Zwischen!'la ehe abzuwandeln und in einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Abwandlungsschritt den Schritt der Anwendung einer Spannung zwischen einen leitenden Medium und einei:. l-.lektrolyten, wobei der Kontrollschritt den

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Schritt umfaßt, dieSpannung in einer vorher bestimmten Art und Weise zu verändern« um das Licht zu modulieren« das von der genannten abgewandelten Grenzfläche reflektiert wurde und der Schritt eine gedämpfte Gesamtreflexion Grenzfläche zu schaffen, umfaßt den Schritt ein transparentes leitendes Mediim auf einer Oberfläche zu bilden und die genannte Oberfläche mit einem Elektrolyten in Berührung zu bringen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der beigefügten schematisehen Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispiels.

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Gerätes zum Ausführen des Verfahrens nach der Erfindung» und

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die elektrochemische Steuerung von Licht darstellt, wobei das Verfahren nach der Erfindung angwendet wird.

Unter Hineis auf die Zeichnungen im einzelnen ist in Fig. 1 eine repräsentative Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt einen Behälter 20, dessen eines Ende eine normale gedämpfte Gesamtreflexionsvorrichtung 22 enthält, die in geeigneter Art und Weise an den Seiten- und Bodenwänden des Behalte» 20 abdichtend

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angebracht ist. Die Reflexionsvorrichtung 22 ist vorzugsweise von der Art wie in dem Aufsatz mit dem Titel "Interne Reflexionsspektroskopie und die Bestimmung optischer Konstanten" von Wilford N. Hansen, in den ISC Transactions (Instrument Society of America) Band 4, No. 3, Juli 1965, Seiten 263-269, beschrieben, aber die Vorrichtung kann auch von jeder beliebigen in der Technik bekannten Art sein.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Pig. I umfaßt die verwendete Mehrfachreflexionsvorrichtung eine strahlungsübertragungsplatte 24 mit einer inneren Oberfläche 26 und einer äußeren Oberfläche 28. An entgegengesetzten Enden der äußeren Oberfläche 28 befindet sich ein Paar Prismen JO in optischem Kontakt mit der Platte 24 und sie sind so ausgerichtet und angeordnet,daß ein Strahl entlang dem bei 32 dargestellten Pfad geleitet wird. Die Innenoberfläche 26 ist mit einer Schicht 34 eines Matoials überzogen, das sowohl elektrisch leitend als auch strahlungsübermittelnd ist. Die Schicht 34 ist vorzugsweise eine Schicht modifizierten Zinnoxydglases, obwohl andere leitende Gläser, Metalle oder andere wohlbekannte leitende Materialien, die für die zu modulierende gewünschte Strahlung durchlässig sind, verwendet werden können.

Das Innere des Behälters 20 ist mit einem Elektrolyten 36 gefüllt, in den eine Hilfselektrode und eine Bezugselektrode 40 eingebracht sind. Diese

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beiden Elektroden zusammen mit der leitenden Schicht j54 und dem Elektrolyt 36 stellen die elektrochemische Zelle dar. Im Betrieb wird das Licht ( sichtbar, ultraviolett oder infrarot) das entlang dem Pfad 32 verläuft, normaleweise vollständig von der Grenzfläche zwischen der leitenden Schicht Jk und dem Elektrolyten reflektiert. Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden und .34 zur Anwendung gebracht wird, wird der Grenzflächenbereich zwischen der leitenden Schicht oder dem Überzug 34 und dem Elektrolyt J>6 elektrochemisch verwandelt, so daß die Lichtabsorptionsmerkmale verändert werden. Auf diese Art und Weise werden die Reflexionspunkte des Pfades 22 an der Grenzfläche schnell in Absorptionspunkte verwandelt und ein Lichtstrahl, der auf dem Pfad 22 hereinkommt, wird bedeutsam gedämpft. Diese Wirkung ist umkehrbar, so daß ein Lichtstrahl wahlweise moduliert werden kann, indem die zwischen den Elektroden 38 und 34 angewendete Spannung gesteuert oder programmiert wird.

Eine Vielzahl elektrochemischer Verfahren kann verweidet werden, um die Lichtabsorptionsmerkmale an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der leitenden transparenten Schicht zu steuern. Beispieleweise können die folgenden Typen verwendet werden? (1) Reduktion-Oxydation-Reaktionen, wobei mindestens eine hochgradig absorbierende Spezies in Lösung vorhanden i (2) Veränderung der Saugfähigkeit einer Spezies,

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die auf öer Überzogenen Elektrodenoberf lach© adsorbiert ist durch Spannungsvi ränderung; (~j>) Veränderung der Oberflächenzuetände der Überzugselektrode; (4) Veränderung der Ionen in der Doppelschicht, d.h. nicht-Faradaysche Verfahren; und (5) Veränderung der Saugfähigkeit einer Spezies in der Nachbarschaft der Grenzfläche durch Spannungeveränderung.

Bei der Benutzung des obenbeschriebenen Gerätes illustrieren die folgenden Beispiele das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung.

Beispiel I

Methylenblau in wasserlöslicher Form, d.h.

als ein Salz, wurde dem Wasser hinzugefügt. Die Konzentration war so, daß ungefähr 3 cm Lösung gegenüber gewöhnlichem Raumlicht undurchsichtig war. Methylenblau adsorbiert sieh schnell und einfach auf dem mit Zinnoxyd überzogenen Glas, das als Elektrode ~$k verwendet wird und das Spektrum des adsorbierten Materials war ohne weiteres zu sehen.

Eine Spannung wurde zwischen den Elektroden >4 und 38 mit verschiedenen Werten bis hinauf zu drei Volt zur Anwendung gebracht. Gleichzeitig wurde die Absorptionsfähigkeit der raehrfach-intern-Reflexions-Zelle mit einem Spektrophotometer überwacht« Große Veränderungen in der Aba©pptionsflhigk©it wurden beobachtet, ö«h<> eine Veränderung in der übertragenen Lichtenergie von bis zu 20 j& je Heflektion, wurde erzielt.

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Die Veränderungen in der Absorptionsfähigkeit waren so schnell wenn die Spannung verändert wurde, daß die Schreibstiftansprechzeit (0.5 see.) der Begrenzungsfaktor war. -

Zusätzlich zur Verwendung einer Elektrode J4 von Zinnoxyd auf Glas wurden dünne Metallfilme benutzt. Beispielsweise gaben Gold-, Platin- und Paladiumfllme gleichartige Wirkungen mit Methylenblau. Jedoch wurde ihr Anhaften an dem Glas durch die wässrige Lösung beeinflußt.

Beispiel II

Ferroin wurde anstelle des Methylenblau nach _v Beispiel I zum Einsatz gebracht. Vergleichbare Modulationswirkungen wurden beobachtet, aber der optimale Wellenlängenbereich wurde verschoben.

Beispiel III

Jodit-Jodlösungen wurden anstelle von Methylenblau nach Beispiel I angewendet. Die Modulationswirkungen wurden beobachtet, hatten aber eine verringerte Intensität.

Beispiel IV

Line leicht saure Lösung, z.B., wobei nichts im VJasser vorhanden war ausser genügend HpSOk, um einen pH-Wert von 2 zu ergeben, wurde verwendet. Die Spannung der Zinnoxydelektrode J4 wurde verändert und die Absorption aufgezeichnet, wobei die Absorptionsfähigkeit A = N log l/R, wobei R der Reflexionsfaktor

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für eine einzelne Reflexion ist und N die Anzahl der Reflexionen an der Lösungs-Elektroden-Grenzfläche. Wenn die Spannung der Elektrode 34 genügend negativ gemacht wurde, um in dem Bereich zu liegen, wo eine Wasserstoffentwicklung erwartet werden konnte, nahm die Absorptionsfähigkeit schnell zu und wurde so groß wie eine Veränderung in der Absorptionsfähigkeit von zwei für fünf Grenzflächenreflexionen. Je negativer die Spannung, umso schneller und größer die Wirkung. Diese Wirkung trat, auch ein, wenn andere Reagenzien in der Lösung vorhanden waren, unter der Voraussetzung, daß die Spannung negativ genug war. Die niedrige Absorptionskraft konnte wiedergewonnen werden, indem die Spannung der Elektrode .34 positiv gemacht wurde, so daß der Punkt, wo Sauerstoff entwickelt wurde, nahezu erreicht wurde. Hur eine teilweise Wiedergewinnung der niedrigen Absorption wurde beobachtet, wenn eine weniger positive Spannung verwendet wurde.

Fig» 2 ist eine graphische Darstellung, die die elektrochemische Steuerung der Lichtreflexion darstellt, die die Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet, Jn Fig. 2 stellt die Kurve 50 eine Kurve Strom/Spannung dar, die mit einer linearen Spannungsableitung von 0,1 V/see erzielt wurde, angewendet an der leitenden Glaselektrode 34. Die Spannung wird zwischen den Elektroden 34 und 38 zur Anwendung gebracht und zwischen der gesättigten Calomel-Elektrode 40 und der Glaselektrode 34 gemessen. Wenn der Strom anodisch

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ist, und die Spannungsrampe wie in der Abszisse nach Fig. 2 gezeigt, zunimmt, wird das organische Material oxydiert, um eine farbige, hochgradig absorbierende Ganzheit an der Grenzfläche zu bilden. Dies wird durch eine starke Vergrößerung in der Absorptionsfähigkeit, Kurve 52* gezeigt und zwar während des ersten Teiles des Anstieges mit zunehmender Spannung* Der Strom, Kurve 50, ist diffusionsbegrenzt und nimmt daher ab, nachdem er eine Spitze von ungefähr 1 Volt erreicht hat. Die Absorptionsfähigkeit bleibt ungefähr die gleiche bis die abnehmende angewendete Rampenspannung ungefähr 1 Volt erreicht, zu welchem Zeitpunkt sowohl der Strom, Kurve 50 als auch die Absorptionsfähigkeit rasch abnehmen. Wenn derStrom kathodisch ist, wird das Oxydationsprodukt verringert, d.h. von der Grenzfläche entfernt und die Lichtabsorptionsfähigkeit wird auf einen Hintergrundwert verringert. Da die Ablenkungsspur (sweep) mit Zeit und Richtung linear ist, wird die Spannungsrarape periodisch umgekehrt»

Die Kurve 52 zeig? die Modulationssteuerung« die erzielt werden kann und zeigt daß die Perlodizitat und die Dauer eines vorgewählten AbsorptionEfählgkeitsniveaus verändert werden kann durch Verändern der zur Einwirkung gebrachten Spannung entweder von Hand oder in einer automatisch programmierten Art und V/eise, so daß die Modulation des reflektierten Lichtes

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Obwohl besondere AusfUhrungsformen der vorstehenden Erfindung beschrieben wurden, sind verschiedene Abwandlungen für dlePachleute klar, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen AusfUhrungsformen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, beschränkt und von ihnen begrenzt, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.

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Claims

Patentansprüche : --'U_n'.±

IJ Verfahren zum.Steuern des Reflexionsfaktors einer Oberfläche mit dem Schritt der Bildung einer gedämpften Gesamtreflexionsgrenzfläche, da durch gekennzeichnet, daß elektrochemisch die Lichtabs or ptionsrnerkmale der genannten Grenzfläche verändert werden, Licht von der Grenzfläche mehrfach reflektiert wird und die elektrochemische Veränderung gesteuert wird, um wahlweise das Licht zu modulieren, das von der genannten Grenzfläche reflektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verändungsschritt den Schritt umfaßt« eine Spannung in der Grenzfläche zur Einwirkung zu bringen und daß der Steuerungsschritt das selektive Verändern der Spannung umfaßt, um die Keflektionsmerkmale der genannten Grenzfläche zu verändern.

2, Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Veränderungsschritt den Schritt umfaßt, eine Spannung zwischen einem leitenden Medium und einem Elektrolyten zur Einwirkung zu bringen und der Kontrollschritt den Schritt umfaßt, die Spannung in einer vorher bestimmten Art und Weise zu «rändern, um das Licht zu modulleren, das von der genannten veränderten Grenzfläche reflektiert wird.

0 0 9 8 2 fi / 0 5 5 9 °^{RlQINAL IN8i=E0TEI:>}

4. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt; des Bildens einer gedämpften Gesamtreflexionsgrenzfläche den Schritt umfaßt, ein transparentes leitendes Medium auf einer Oberfläche zu bilden und diese Oberfläche mit einem Elektrolyten in Berührung zu bringen.

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