-
-
Anordnung zum Erzeugen einer fein abgestuften, steuerbaren, laserinduzierten
Strahlung.skombinatioIl, bestehend aus einer mit einer Laserstrahlung gekoppelten
Elektronenstrahlung Dic vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeigen
einer fein abgestuften, steuerbaren, laserinduzierten Strahlungskombination, bestehend
aus einer mit einer Laserstrahlung gekoppelten Elektronenstrahlung, insbesondere
für nachrichtentechnische, technische oder medizinische Anwelidungen.
-
Es ist bekannt, daß man mit Laserstrahlen durch Wechselwirkung in
einem Festkörper bzw. in Festkörperschichten aus Metall oder Halbleitern, vorzugsweise
dotierten Halbleitern, eine neue Laseremission erzeugen kann.
-
Weiterhin ist es bekannt, daß man durch eine Wechselwirkung einer
Laserstrahlung mit einer solchen Festkörperschicht eine fotoelektrisch induzierte
Elektronenemission erzeugen kann.
-
Aufgabe der vorliegenden erfindung ist es, eine Anordnung zum Erzeugen
einer fein abgestuften, steuerbaren, laserinduzierten Strahlungskombination, bestehend
aus einer mit ein er Laserstrahlung gekoppelten Elektronenstrahlung, anzu-@eben,
die insbesondere für nachrichtentechnische, technische oder medizinische Anwendungen
geeignet ist.
-
Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die vorstchende
Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch mindestens eine Laserstrahlungsquelle zur Emission
kohärenter optischer Strahlung, durch eine Vorrichtung zum fest einstellbaren
und/oder
zeitlich veränderbaren Dosieren der kohärenten optischen Strahlung hinsichtlich
ihrer Intensität und/oder zum Einstellen steuerbarer optischer Polarisationsvexhaltnisse,
und durch eine Festkörperschichtanordnung, in welcher die dosierte Laserstrahlung
zumindest teilweise zur Wechselwirkung mit der Festkörpermaterie kommt, und eine
aus der Festkörperschichtanordnung austretende Strahlung erzeugt, welche aus einer
mit einer Laserstrahlung steuerbar gekoppelten Elektronenstrahlung besteht.
-
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
nachfolgenden Erläuterungen sowie aus der Beschreibung von AusfUhrungebeispielen
anhand der Figuren 1 bis 7.
-
Es s sei bemerkt, daß sich die Erfindung nicht allein auf die speziell
angegebenen AusfUhrungsbeispiele bezieht und auf diese beschränkt ist.
-
In einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein bestimmter Teil der
vorliegenden Erfindung schematisch dargestellte Die-3 c Darstellung bezieht sich
auf die Pestkörperschichtanordnung gemäß der Erfindung, in welcher ein dosierter,
polarisierter, in seinen optischen Eigenschaften zeitlich vereinderbarer Laserstrahl
zur Wechselwirkung kommt, wobei aus der Festkörperschichtanordnung eine Strahlungskombination
emittiert wird, die aus einem Elektronenstrahl besteht, der mit einer Laserstrahlung
steuerbar gekoppelt ist. Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 1 durch folgende Bezeichnungen
charakterisiert.
-
Die lies3tkörperschichtanordnung ist in vorliegendem Fall in einer
einfachen Ausführungsform durch zwei verschiedene aneinandergrenzende Festkörpermaterialien
gekennzeichnet. Hierbei ist 12 ein Metallfilm, welcher auf einem für die Laserstrahlung
transparenten Substrat 11 aufgebracht ist. Dieses Substrat hat einerseits die Funktion,
den Metallfilm 12 zu realisierern, und andererseits in optischer Hinsicht die Laserstrahlung
10 mit einer erwünschten Dosis auf die Metall-
schicht 12 zu führen.
In speziellen Fällen kann der Festkörper 11 zweckmäßig auch aus mehreren Schichten
bestehen, z. B. anindestens einer Halbleiterschicht, welche der Metallschicht 12
vorgelagert ist. Daß die Laserstrahlung 10 durch einen steuerbaren, optisch polarisierten
Zustand ausgezeichnot ist, wird in der Figur 1 durch einen Polarisationspfeil 100
angedeutet. Der Hauptzweck der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der Erzeugung
der Strahlungskombination 101, 1001. Diese Strahlungskombination aus einer Elektronenstrahlung
101 und einer Laserstrahlung 1001 ist insofern von besonderer edeutung, als die
beiden Strahlungskomponenten von völlig verschiedener Natur sind, aber dennoch durch
die laserinduzierte Entstehung@der Kombinationsstrahlung in der Festkörperschichtanordnung
11, 12 ursächlich miteinander gekoppelt sind und auch in ihrer gemeinsamen Emission
in gleieher Richtung in Wechselwirkung miteinander bleiben.
-
In diesem Zusamlflenhang ist der Umstand besonders hervorzuheben,
daß gemäß der Erfindung die Kopplung innerhalb der Strahlungskombination zwischen
dem Elektronenstrahl und dem Laserstrahl steuerbar ist. Diese Steuerung der Kopplung
folgt einerseits aus der optisch-elektronischen Modifikation des ii das Festkörpersystem
einfallenden Laserstrahls und andererseits aus der Wechselwirkung dieses Laserstrahls
mit dem Festkörperschichtsystem bei zeitlich veränderlicher optischer Polari satin
und Strahlungsintensität Hierdurch wird die zeitlich veränderliche Aufteilung des
Primarlaserstrahls in einen Elektronenstrahl und einen mit diesem gekoppelten Laserstrahl
bei der Entstehung dieser Strahlungskombination in der Festkörperschichtanordnung
erfindungsgemäß zeitlich verändert, so daß die Zusammensetzung der Strahlungskombination
aus Elektronenstrahl und Laserstrahl in den optischen und elektronischen Eigenschaften
der beiden Strahlungskomponeigten bereits durch die optisch-elektronische Anordnung
zur Modifikation des Primärlaserstrahls mitbestimmt wird. Des weiteren ist die Zusammensetzung
der Strahlungskombination
aus Elektronenstrahl und Laserstrahl von
der Struktur und den optischen Weglängen und den elektronischen Energiebandverhältnissen
in der l?estkörperschiclltanordnungr abhängig.
-
Durch entsprechende Dimensionierung der optischen Dicken in der Festkörperschichtanordnung
kann in der Strahlungskombination die Elektronenstrahlung gegenüber der Laserstrahlung
überwiegen. Es kann aber auch bei entsprechender Dimensionierung der optischen Dicken
in der Festkörperschichtanordnung der umgekehrte Fall realisiert sein. In einem
speziellen Grenzfall besteht beispielsweise die Strahlungskombination, welche aus
der Festkörperschichtanordnung emittiert wird, praktisell nur aus einer Elektronenstrahlung.
-
Die in einer Anordnung gemäß der Erfindung erzeugte Strahlungskombination
aus einer mit einer Laserstrahlung gekoppelteil Elektronenstrahlung kann auf Grund
ihrer neuartigen Struktur in sehr verschiedenartigen Anordnungen ausgenützt werdeii.
In der vorliegenden Erfindung ist in dieser jfinsicht beispielsweise eine Verknüpfung
der Festkörperschichtanordnung mit einem Bauelement zur Erzeugung ultrahochfrequenter
elektrischer Signale vorgesehen. Dieses Bauelement entspricht einem in der deutschen
Auslegeschrift 1 287 71-1 angegebenen aktiven Bauelement.
-
Des weiteren sind technologische Anwendungsmöglichkeiten der in der
erfindungsgemäßen Anordnung erzeugten Strahlungskombination in Betracht zu ziehen.
Bringt man beispielsweise zwei Festkörperteile mechanisch miteinander zusammengesetzt
in den Strahlengang der Strahlungskombination in der in Fig. 1 dargestellten Anordnung
gemäß der Erfindung, so können hierbei kristallographische Verschmelzungsprozesse
und Lötvorgänge realisiert werden.
-
Diese Lötvorgänge unterscheiden sich von entsprechenden technologisehen
Vorgängen nach dem Stand der Technik besonders dadurch, daß nunmehr mit den Niitteln
der vorliegeiideii Erflii-
dg die Relationen zwischen dem Elektronen-
und dem Laserstrahl in einer Strahlungskombination besonders in ihren energetischen
Beziehungen fein reguliert und abgestimmt werden können. Außerdem wird durch die
verschiedenartige Natur der beiden Strahlungskompollen-ten in der Strahlungskombination
ein neuartiger Eingriff in den zu bearbeitenden Werkstoff bewirkt, der durch das
Zusammenwirken der beiden gekoppelten Strahlungsarten zustande kommt, Infolge dieser
Eigenschaften einer Anordnung gemäß der Erfindung wird es möglich, Stoffe zu bearbeiten
und - im allgemeinsten Sinn des Wortes - zu regenerieren, welche nach dem Stand
der Technik nicht in gleicher Weise bearbeitet werden können. Dies ist besonders
deshalb von Bedeutung, weil hierbei auch Stoffe bearbeitet werden können, die im
allgemeinen nicht regeneriert werden können. Das sind beispielsweise nichtmetallische
Verbindungen, organische Verbindungen und makromolekulare Kunststoffe.
-
Dieser bemerkenswerte Sachverhalt ist eine Folge der fein abstimmbaren
und steuerbaren Strahlungakombination, die in einer Anordnung gemäß der Erfindung
erzeugt wird.
-
Bereits aus diesem dargelegten Sachverhalt geht hervor, daß die Strahlungskombination
aus einer gekoppelten Elektronenuiid Laserstrahlung in vielfacher Weise auch iii
der Medizin verweiidet werden kann. Auch hier ist einerseits die verschiedenartige
Natur der beiden gekoppelten Strahlenarten und andererseits die feine Steuerung
ihrer gegenseitigen Relationen die Grundlage dieser Anwendungsmöglichkeit.
-
Im Prinzip ergeben sich hierbei zwei Grundrichtungen, nämlich eine
rein therapeutische zur Bestrahlung bestimmter Orgarne oder Zellgewebe und eine
andere Richtung als operatives Hilfsmittel bzw. Werkzeug. Nicht unwesentlich ist
hierbei der Sachverhalt, daß die Strahlungskombination in einer auße rorden tlicil
kleinen Festkörperschichtanordnung erzeugt werden kann, so daß bei medizinischen
Anwendungen besonders die geometrische Kleinheit der durch die Erfindung gegebenen
Instrumente
oder Operationshilfsmittel einen großen Vorteil bietet.
-
In einem speziellen Fall kann beispielsweise die Dicke der Pestkörperschicht2nordnung
so groß sein, daß die austretende Elektronenstrahlung der laserinduzierten Strahlungskombination
infolge ihrer Kopplung mit der Laserstrahlung gegenüber der austrctenden Laserstrahlung
überwiegt.
-
Umgekehrt können aber auch die optische Dicke der Pestkörperschichtanordnung
bzw. die optischen Dicken der einzelnen Schichten so beschaffen scin, daß die austretende
Laserstrahlung der laserinduzierten Strahlungskombination infolge ihrer Kopplung
mit der Elektronenstrahlung gegenüber der austretenden Elektronenstrahlung überwiegt
Die }4estkörperschichtanordnung kann aus verschiedenen Schichtcn und aus verschiedenen
Materialien zusammengesetzt sein.
-
Im allgemeinen hat eine Festkörperschichtanordnung gemäß der Erfindung
vorzugsweise mindestens eine Metallschicht. Des weiteren gibt es Ausführungsbeispiele
mit Festkörperschichtcnoldnungen, bei denen mindestens und vorzugsweise eine Halbleiterschicht
in der Festkörperschichtanordnung vorkommt.
-
Andere spezielle Ausführungsformen weisen vorzugsweise mindestens
eine Dielektrikumsschicht in der Festkörperschichtanordnung auf. Ein weiteres grundsätzliches
Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß seine Festkörperschichtanordnung gemäß
der Erfindung aus mindestens zwei aneinandergrenzenden Schichten besteht, wobei
die eine Schicht vorzugsweise eine Metallschicht und die andere Schicht eine Oxid-
oder eine ILalbleiter- oder eine Dielektrikumsschicht ist.
-
ür die Zusammensetzung der erzeugten Strahlungskombination aus Elelctronen-
und Laserstrahlung sind auch die Austrittsarbeiten an den Oberflächen bzw. Grenzflächen
der Schichten der Festkörperschichtanordnung von Bedeutung. Diese Austritts-
arbeiten
werden durch atomare bzu. molekulare Oberflächenbelegungen in gewissen Grenzen modifiziert.
Es ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, die Elektronenaustrittsarbeit an derjenigen
Oberfläche der Pestkörperschichtanordnung vergleichsweise klein zu machen, an der
die Elektronenstrahlung in gcwünschter Richtung austreten soll. Dies erfolgt aus
dn genannten Sachverhalt heraus, indem an dieser Oberflache eine Oberflächenbelegung
angebracht wird, welche durch eine relativ kleine Elektronenaustrittsarbeit gekennzeichnet
ist. Än der anderen Seite der betreffenden Schicht, an der ein Elektronenaustritt
kleingehalten werden soll oder vergleichsweise unterdrückt wird, ist in der gleichen
Weise die Elektronenaustrittsarbeit relativ groß, was durch eine andere atomare
oder molekulare Oberflächenbelegung erfolgt.
-
Die Auswahl der hierbei in Frage kommenden Substanzen richtet sich
nach dem Material der in Frage kommenden Schicht dcr Festkörperschichtanordnung
und die hierbei erreichten Elektronenaustrittsarbeiten sind im allgemeinen bekannt.
-
lin Merkmal der Erfindung ist es jedoch, daß dieser physikalischc
und stoffliche Sachverhalt in vorliegendem Falle die Struktur der erfindungsgemäßen
Strahlungskombination aus Elektronen- und Laserstrahlung in definierter Weise festlc"cn
kann. Es ist zur Modulation der Zusammensetzung der Strahlungskombination wesentlich,
daß die ursprünglich durch die Oberflächenbelegungen bestimmten Austrittsarbeiten
mit der Intensitätsmodulation der Primärlaserstrahlung bzw. der Restlaserstrahlung
zeitlich vercnderbar ist. Demzufolge ist in einer weiteren besonderen Ausführungsform
eine Festkörper--chichttfnordnung gegeben, bei welcher an der Strahleneintritts-
und/oder an der Strahlenaustrittsfläche Oberflächenbelegungen vorgesehen sind, welche
Elektronenaustrittsarbeiten ergeben, die in Vergleich zur mittleren Quantenenergie
de laserstrahlung in der gewünschten Richtung eine große Strtnlllungsergiebigkeit
und in der unerwünschten Richtung eine kleine Strahlungsergiebigkeit hervorrufen.
-
Ein repräsentatives Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserstrahlungsquelle der Anordnung, welche die dosierbare Primärlaserstrahlung
erzeugt, ein Festkörperlaser ist. In einem anderen speziellen Ausführungsbeispiel
gemaß der Erfindung kann die Laserstrahlungsquelle für die Primärlaserstrahlung
eine Laserdiode sein, welche z. P. mit einer Lumineszenzdiode optisch gekoppelt
ist. Dies hat den Vorteil, daß die Laserdiode durch die Lumineszenzdiode zusätzlich
gesteuert werden kann oder daß andererseits die l.unineszenzdiode in den Zeitabschnitten
eine Bestrahlung der Festkörperschichtanordnung bewirkt, in denen die Laserdiode
gerade eine Erholung oder Abkühlung durchmachen muß.
-
Insbesondere ist aber auch der mögliche Fall in Betracht zu zichcn,
daß Laserdiode und Lumineszenzdiode eine Primärlaserstrahlung von komplexer Strulctur
erzeugt und somit auch die Strahlungskombination gemäß der Erfindung aus Elektronenstrahl
und laserstrahl in beiden Komponenten eine entsprechend differenzierte Struktur
hinsichtlich der fnergieverhtiltnissc und der Wechselwirkungsrelationen und der
Polarisation aufweist. Die optischen Strahlengänge in der Anordnung gemäß der Erfindung
werden in konventioneller Weise durch Blenden und Linsen begrenzt. Dies ist in den
schematischen Ausführungsbeispielen im allgemeinen nicht besonders aufgeführt, dallit
zum besseren Verständnis nur die Dinge dargestellt werden, welche insbesondere zu
den Erfindungsmerkmalen in realen Aufbau und in der Wirkung der optisch-elektronischen
Verhältnisse beitragen.
-
Der optisch-elektronische Aufbau einer Anordnung gemäß der Erfindung
soll nun kurz in seiner Gesamtheit dargelegt werden.
-
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung geiiß
der Erfindung schematisch dargestellt.
-
Die Festkörperschichtanordnung besteht in diesem Ausführungsbeispiel
aus einer auf einer Substratschicht 221 nufgebrachten
Metallschicht
22. Die Laserstrahlungsquelle 21 ist mit einer Lumineszenzenzdiode 209 optisch gekoppelt.
Zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Festkörperschichtanordnung befindet sich
die optische Dosierungsvorrichtung. Diese Vorrichtung umfaßt ein optisches Prisma
211, das an seiner der Strahlungseintrittsfläche schräg gegenüberliegenden Oberfläche
mit einer Spiegelschicht 212 versehen ist und an dessen Strahlungsaustrittsfläehe
ein doppelbrechendes Kristallprisma 210 angrenzt. Dieses Kristallprisma 210 ist
an seiner Strahlungsaustrittsfläche mit einer eine Blendenöffnung bildcnden spiegelnden
Belegung 28 versehen und ist derart angeordnet, daß der an der Spiegelschicht 212
vollständig reflektierte Laserstrahl in einem solchen Winkel in das doppelbrechcndc
Kristallprisma 210 einfällt, daß eine starke iufXipaltung des Strahls in einen polarisierten
Hauptstrahl und einen polarisierten Nebenstrahl auftritt. Der eine Teilstrahl ist
dabei an der spiegelnden Belegung 210 ausblendbar, wie das aus Fig. 2 ersichtlich
ist. Der andere Teilstrahl tritt in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise durch die
Blendenöffnung aus den Prisma 210 aus und fcllt in einen nachgeordneten optischen
Analysator 213 ein. Dieser optische Analysator 213 ist un die Strahlenrichtung als
Achse drehbar angeordnet, so daß durch dessen veränderliche Einstellung die Intensität
des ihn durchdringenden polarisierten Teilstrahls variierbar ist. Die erzeugte Strahlungskombination,
bestehend aus einer mit einer Laserstrahlung gekoppelten Elektronenstrahlung, ist
durch Pfeile 201, 2001 angedeutet.
-
In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Anordnun gemäß
der Erfindung schematisch dargestellt. Die optische Dosierungsvorrichtung umfaßt
zwei im Strahlengang zwischen einer Laserstrahlungsquelle 31 und der Festkörperschichtanordnung
315, 31G, 32 befindliche Drehspiegel 317 und einen zwischen den Drehspiegeln 317
im Strahlengang befindlichen, mit Kontakten 319 zum Anlegen einer elektrischen S@annung
versehenen elektrostriktiven Körper 318, der licht-
durchlässig
ist. Die Drehspiel 317 sind zum Zwecke einer genauen Justierung des Strahlenganges
um die Drehachse 3170 drehbar und feststellbar. Die Laserstrahlungsquelle 31 ist
an ihren beiden Stirnflächen mit Blenden 38 versehen. Laserstrahlungsquelle, Drchspiegel
und elektrostriktiver Körper sind im Strahlengang derart angeordnet, daß eine aus
der Las ers trahlungsquelle 31 in entgegengesetzter Richtung austretende Laserstrahlung
mit einem Zweig der Laserstrahlung unter einstellbaren Einfallswinkel direkt auf
die Schicht 315 der Festkö'rperschiehtanordnung auftrifft, während der andere Zweig
der Laserstrahlung auf einem optischen Umweg nach Reflexion an den justierbaren
Drehspiegeln 317 und nach dem Durchgang durch den zwischen den Drehspiegeln befindlichen
clektrostriktiven Körper 318 auf der Festkörperschichtanordnung so auftrifft, daß
er mit dem direkten Zweig der Laserstrahlung interferiert. Die beiden Drehspiegel
317 gewährleisten durch drehen um die Achse 3170 eine Feineinstellung und Korrektur
der Interferenz. Die Festkörperschichtanordnung besteht in diesem Ausführungsbeispiel
aus einer mit einer halbleitenden Schicht versehenen Metallschicht 32. Die halbleitende
Schicht 315 ist am Rand ihrer der Metallschicht 32 gegenüberliegenden Seite mit
KontalLten 316 versehen. Die Schicht 315 ist für die optische Anregungsatrahlung
durchlässig und hat den Zweck, die nach oben aus der Metallschicht 32 austretenden
Fotoelektronen in einem an die Elektroden 316 und die Metallschicht 32 angelegten
elektrischen Feld abzufangen, so daß die optische Änregungsstrahlung durch unerwünschte
Potoelektronen nicht wesentlich beeinflußt wird.
-
Die erzeugte Strahlungskombination, bestehend aus einer mit einer
Laserstrahlung gekoppelten Elektronenstrahlung, ist durch Pfeile 301, 3001 angedeutet.
-
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung gemäß der
Erfindung. Die Laserstrahlungsquelle 41 ist in diesem Ausführungsbeispiel an ihrer
rückwärtigen Stirnfläche mit einer Spiegelschicht 410 versehen, wie das aus Fig.
4 ersichtlich
ist, und an ihrer anderen Stirnfläche ist eine Blende
48 zun Ausblenden eines begrenzten Laserstrahlbündes vorgesehen. Die optische Dosierungsvorriehtung
umfaßt ein optisches Glasprisma 428, das an seiner der Strahlungseintrittsfläche
schräg gegenüberliegenden Oberfläche mit einer Spiegelschicht 427 versehen ist.
Außerdem gehört zu der Dosierungavorrichtung ein rotierbarer, halbkugelförmiger,
an seiner Grundfläche mit einer spiegelnden Belegung 423 versehener Analysator 422
und ein in Strahlengang nachgeordnetes, an die Festkörperschichtanordnung 42, 414,
415, 41G angrenzendes rotationssymmetrisches Linsenpaar 420, 421.
-
Die Elemente der Dosierungsvorrichtung sind derart in der aus Fig.
4 ersichtlichen Weise in Strahlengang zwischen Laserstrahlungsquelle 41 und der
Festkörperschichtanordnung 42, 414, 415, 416 angeordnet, daß die aus der Laserstrahlungsquelle
41 austretende Laserstrahlung in einem solchen Neigungswinkel in das Glasprisma
428 eintritt und an der Spiegelschicht 427 reflektiert aus dem Prisma 428 aus tritt,
daß die Laserstralilung mindestens teilweise polarisiert unter einen den Polarisationswinkel
nahezu gleichen Winkel in den hall ugel£örrtigen Analysator 422 und von dort durch
das nachgeordnet rctationssymmetrische Linsenpaar 420, 421 im Innern abgelenkt und
in den hierdurch erzeugten, in der Figur durch gestrichelte Linien dargestellten
Strahlengang auf eine bestimmte Stelle der Oberflächenschicht 415 der Pestkörperschichtanordnung
gelangt. Der Analysator 422 ist dabei ur. eine in Richtung des Polarisationswinkels
an der Rückseite der Spiegelfläche 423 angebrachte Achse 426 in Verlängerung dev
einfallenden Laserstrahls drehbar, so daß die Intensität des Laserstrahls durch
Rotation des Analysators 422 dosierbar ist. Die erzeugte Strahlungskombination,
bestehend aus einer mit einer Laserstrahlung gekoppelten Elektronenstrahlung, ist
durch Pfeile 401, 4001 angedeutet.
-
13R kann zweckmäßig sein, die spiegelnde Belegung 423 des rotierbaren
halbkugelförmigen Analysators 422 mit einer Schicht
eines total
reflektiercnden Liediums 424 zu versehen, an deren Außenseite wiederum eine spiegelnde
Belegung 425 angrenzt. Das Anbringen dieser Schichten 424 und 425 an dem Analysator
422 ist immer dann zweckmäßig, wenn ein die Schicht 415 durchdringender Laserstrahl
an der Oberfläche dci, Metallschicht 42 teilweise reflektiert wird und aus dem System
ausgeblendet werden soll.
-
Die Festkörperschichtanordnung besteht in diesem Ausführungsbeispiel
wiederum aus einer mit einer halbleitenden Schicht 415 versehenen Metallschicht
42. Zum Erzeugen eines begrenztcn, aus der Metallschicht 42 austretenden Strahlenbindels,
das aus einer mit einer Laserstrahlung gekoppelten Elektron@nstrahlung besteht,
ist die Metallschicht 42 mit einer isoliercndcn Matrix 414 umgeben. Die Halbleiterschicht
415 ist an ihrem Rand wiederum mit Saugelektroden 416 versehen, mit deren Hilfe
unerwünschte, nach oben aus der Metallschicht 42 austretende Foto elektronen abgesaugt
werden können.
-
Linse spezielle Weiterbildung einer Anordnung gemäß der Brfindung,
die insbesondere für nachrichtelltechllische Zwecke geeignet ist, ist in Fig. 5
schematisch dargestellt Bei diesen und den in den folgenden Figuren dargestellten
Ausführungsbeispi el en ist die Strahlungskombination dadurch spezialisiert, daß
die Festkörperschichtanordnung so große optische Dicken aufweist, daß die austretende
Elektronenstrahlung der laserinduzierten Strahlungskombination infolge ihrer Kopplung
mit der Laserstrahlung in der Festkörperschichtanordnung gegenüber der austretenden
Laserstrahlung derart überwiegt, daß praktisch nur die Elektronenatrahlung austritt
und die gesamte Laserstrählung in der Pestkörperschichtsnordnung absorbiert wird.
-
Der wesentliche Gesichtspunkt in dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht in einer mit der optischen
Dosiervorrichtung zusammenwirkenden
Festkörperschichtanordnung, die als rletall-Halbleiteranordnung ausgebildet ist
und mit der optischen Anordnung elektronisch zusammenwirkt, wobei mit deren Hilfe
eine zur fotoelektrischen Anregung heißer L'lektronen verwendete kohärente optische
Strahlung hinsichtlich ihrer Intensit1tt und steuerbaren optischen Polaris'ationsvorhältnisse
in gewünschter Weise einstellbar dosiert werden kann, wodurch eine Feineinstellung
der Emission heißer Elektronen aus einer Metallschicht in ein Halbleitergebiet einer
Festkörperschichtanordnung der Fig. 5 bis 7 ermöglicht wird. Hierbei ergibt sich
gemäß dieser speziellen Anordnung der in manchen Fällen vorteilhafte Umstand, daß
die genaue Dosierung der fotoelektrischen Anregung rein auf optischem Wege ohne
beispielsweise ein teilweise absorbierendes, halbleitendes oder fotoleitendes Zvzischenmedium
erfolgt, welches mit der Metallschicht oder dem Halbleitergebiet in Verbindung steht.
-
Aus den laseraktiven Festkörper 51, der zusätzlich noch mit einen'
nicht stimulierten Lumineszenzgebiet 501 gekoppelt sein kann, tritt eine intensitätsreiche,
zumindest teilweise ]ohcircntc Strahlung in das optische Prisma 511, welches an
das doppelbrechende Kristallprisma 510 angrenzt. In 511 wird der Lichtstrahl zunächst
an der spiegelnden Belegung 512 vollständig reflektiert, so daß der Strahl in einem
solchen Winkel in das Kristallprisma einfällt, daß eine starke Aufspaltung des Strahles
in einen senkrecht zur Zeichenebene polarisierten Hauptstrahl und einen parallel
zur Zeichenebene polarisierten Nebenstrahl eintritt. Der senkrecht polarisierte
Hauptstrahl wird an der spiegelnden Belegung 59 ausgeblendet, während der parallel
zur Zeichenebene polarisierte @ebenstrahl durch eine aus 59 und 58 bestimmte Blendenöffnung
von kleinerem Durchmesser als die Fläche der Metallschicht 52 auf diese einfällt.
Durch den parallel polarisierten Lichtstrahl werden in 52 fotoelektrisch heiße Elektronen
von solcher Energie angeregt, daß diese in das Leitungsband
des
angrenzenden stark p-leitenden Halbleitergebietes 53 emittiert werden können. Der
parallel zur Zeichenebene polarisierte Strahl durchdringt vor seinen Auftreffen
auf die Metallschicht 52 einen optischen Analysator 513, der um die Strahlrichtung
als Achse drehbar angeordnc-t ist, so daß man durch dessen veränderliche Einstellung
die Intensität des ihn durchdringenden polarisierten Lichtstrahles variieren kann.
Hierdurch wird die oben erwähnte Feineinstellung der Emission heißer Elektronen
aus 52 in das I,eitungsband von 53 ermöglicht. In Fig. 5 trifft der Lichtstrahl
senkrecht auf die Metallschicht 52 auf. Dies ist jedoch keinesfalls notvJendig oder
gar erwünscht, sondern hicr nur eine T;Iaßnahme zur-Vereinfachung der Figur. Vielmehr
ist die gegenseitige räumliche Lage zwischen dem optischen @odulationsgerät und
der elektronischen Metall-Halbleiteranordnung derart justierbar, daß der Einfallswinkel
des polarisierten Lichtstrahles auf die Metallschicht 52 beliebig vcrändert werden
kann, wobei die Zeichenebene bei der Varintion des Einfallswinkels wegen der hierbei
auftretenden Komponcnten des elelctrischen Feldvektors in der Metallschicht für
den fotoelektrischen Anregungsprozeß eine bevorzugte Stellung einnimmt. Durch Kohärenz,
Polarisation, Modulation der Intensität und Variation des Einfallswinkels des zur
foto elektrischen Anregung heißer Elektronen in der Metallschicht 52 verwendeten
stimulierten Lichtes wird gemäß der Erfindung eine vollständige und optimale Steuerung
der Übertragung nachrichtentechnischer Signale von der optischon Strahlung auf den
Emissionsstrom heißer Elektronen und somit auf die ultrahochfrequenten Plasmaoszillationen
des gekoppelten elektronischen Gesamtsystems heißer Elektronen und energiereicher
Defektelektronen ermöglicht. Diese ultrahochfrequenten Plasmaoszillationen finden
in dem stark p-leitenden Halbleitergebiet 53 statt, welches durch ein herkömmliches
tcchnologisches Verfahren in einem oberflächennahen Gobict des llalbleiters 55 mit
geringerer Leitfähigkeit ausgebildet und tischförmig präpariert ist. Die ohmschen
Kontakte
54 sind zur Ausprägung der erforderlichen, vertinderbaren Sperrspannung in den Ausführungsbeispiel
der i1ig. 5 an der Oberflache des Halbleiterkristalls noch im Bereich des elektronischen
Oszillationsgebietes 53 neben dessen tischförmiger Erhebung angebracht. Diese Elektroden
54 können beispielsweise auch ringförmig die esa mit Metallschicht 52 umgeben. Der
Raumbereich 56 ist ein dielektrisches Substrat, welches als Leiter für die in 53
verstärkten, modulierten Wellen v-crrrendet wird. In speziellen Fällen kann 56 auch
ein Hohlkörper sein.
-
Schließlich kann zwischen der Metallschicht 52 und dem Halbleitergebiet
53 in speziellen Fällen noch eine sehr dünne, hochohmig Schicht 520, beispielsweise
Oxidschicht des Metalles oder Halbleitors, präpariert sein, in welcher ein starker
Spannungsabfall eines Potentialanteiles der angelegten Sperrspannung abfällt und
die von den aus der Metallschicht 52 in das Halbleitergebiet 53 emittierten heißen
elektronen durchtunnelt wird. Der Zweck dieser dünnen Zwischenschicht 520, die beispielsweise
aus einer thermisch aufgebrachten Oxidschicht bestehen kann, beruht auf dem sehr
empfindlich steuerbaren Potentialabfall innerhalb dieser Schicht, der einen beträchtlichen
Teil des Potentials der Sperrspannung ausmacht. Auf diese Weise ist es möglich,
die gegenseiti'5e energetische Hölle des elektronischen Energiespektrums des Halbleitergebietes
53 gegen dasjenige der Metallschicht 52 zu verschieben. Infolgedessen kann bei der
Emission der heißen Elektronen in das Leitungsband des Halbleitergebietes 53 die
Höhe der Anfangs energie der Elektronen in Leitungsband gesteuert werden.
-
Bei einer speziellen Anordnung gemäß der Erfindung ist die Metallschicht
52 mit einem optisch nichtlinearen Medium bedeckt, in welchen aus der zur fotoelektrischen
Anregung bestimmten Strahlung Harmonische erzeugt werden. Die Einfallsrichtung des
Fundamentalstrahles wird hierbei so gewählt,
daß nur die Lichtquanten
der Harmonischenstrahlung in die IIctallschicht 52 eintreten und dort zur Anregung
der heißen Elektronen verwendet werden. Der Fundamentalstrahl wird an der Metallschicht
vorbeigeführt und bleibt für den fotoelektronischen Prozeß unwirksam. Diese Maßnahmen
haben den Zweck, aus der ursprünglichen kohärenten, stimulierten-Strahlung des laseraktiven
Gebietes 51 oder des Lumincszenzgebietes 501 eine transformierte optische Strahlung
zur fotoelektrischen Anregung der heißen Elektronen herzustellen, deren Lichtquantenenergie
durch die nichtlineare doppelbrechcndc Polarisierbarkeit des optisch nichtlinearen
Mediums in der Harmonischenstrahlung entsprechend dem Prozeß optischer Frequenzvervielfachung
vergrößert ist. Diese Vergrößerung der Lichtqusntenenergie geschieht auf Kosten
der Feldintensität des Fundamentalatrahles cs als optischer Prozeß zweiter bzw.
höherer Ordnung. Durch diese Transformation der Anregung 5 strahlung in eine Harmonischenstrahlung
wird man von der einschränkenden Bedingung unabhängig, daß die energetische Größe
der stimulierten optischen Übergänge in 51 bzw. 501 größer sein muß als der energetische
Abstand zwischen den Ferminiveau in der Metallschicht 52 und der unteren Grenze
des Leitungsbandes des Halbleitergebietes 53.
-
ie weitere Ausbildung der Erfindung ist in Fig. 6 schematisch dargestellt.
Die Metall-Halbleiterstruktur ist bei diesem Anwendungsbeispiel nur wenig abgewandelt.
Ein wesentlichts neues Merkmal ist die halbleitende Schicll-t 615 über der Metallschicht
62, in welcher die heißen Elektronen fiir das p-leitende Oszillationsgebiet 63 fotoelektrisch
angeregt werden. Die Schicht G15 ist für die optische Anregungsstrahlung durchlässig
und hat den Zweck, die nach oben aus der Metallschicht 62 austretenden Fotoelektronen
in einem an die Elektroden 616 und die Metallschicht 62 angelegten elektrischen
Feld abzufangen, so daß die optische Anregungsstrahlung durch unerwünschte Fotoelektronen
nicht wesentlich beeinflußt wird. Durch eine isolierende Matrix bzw. Mantel-
Schicht
614 wird der Fotostrom in 615 von den elektronizehen Vorgänge in 63 bzw. 630 und
65 getrennt. Das Raumgebiet 66 stellt ein die Mikrowellenstrahlung leitendes Substrat
dr. Dic Mesa des elektronischen Oszillationsgebietes 63 ist im vorliegenden Beispiel
auf das- dotierte p-leitende oberflächennahe Kristallgebiet 630 des Halbleiters
65 epitaxial aufgetragen, weshalb 63 und 630 durch eine Präparationsgrcnze kristallographisch
getrennt sind.
-
Die ohnschen Elektroden 64 sind an der Oberfläche von 630 in die Matrix
614 eingebettet.
-
Pei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 6 wird jedoch
die fotoelektronische Anregung der heißen Elektronen in der Metallschicht 62 nach
einem weiteren Merkmal auf besendere cisc trügheitslos optisch gesteuert und nachrichtcntechnisch
moduliert. Dies geschieht zweckmäßig dadurch, t: die zur fotoelektrischen Anregung
der heißen Elektronen verwendete kohärente Strahlung an der Oberfläche der Metallschicht
62 zur Interferenz gebracht wird, wobei die Interferenz im Rhythmus des nachrichtentechen
Signals zeitlicli verändert wird. Hierdurch kann die mittlere Anregungsintensität
und demzufolge die Emission der heißen Elektronen zur 62 in das Leitungsband von
63 modulicrt werden. Der in entgegengesetzten Richtungen aus dem Lasorkristall 61
austretende Lichtstrahl, dessen Querschnitt durch die Blenden f zweckontsprechend
begrenzt wird, trifft mit dem einen Zweig unter einstellbarem Einfallswinkel direkt
auf die Metallschicht 62, wihrend der kohärente andere Zweig des Lichtstrahles auf
einem optischen Umweg nach Reflexion an den justierbaren Spiegeln 617 und nach dem
Durchgang durch das @edium 618, welches eine zeitlich variable optische Länge besitzt,
an der Oberfläche der Metallschicht 62 mit dem direkten optischen Zweig interferierend
vereinigt wird.
-
Die optische Länge des elektrostriktiven Mediums 618 wird v@rtellhaft
durch Anlegen eines in llhythmus des nachrichtent@chnischen Signals schwankenden
Potentials an die Elektro-
den 619 zeitlich variiert, wodurch die
Gesamtintensität der Interferenzfläche auf der Metallschicht 72 entsprechend gesteuert
wird. Dic beiden Spiegel 617 können durch Drehen un die Achsen 6170 und Justierung
eine Feineinstellung und Korrektur der Interferenz gewährleisten.
-
kino weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 7 aufgezeigt. Die p-leitende Schicht 73 mit der fotoclektrischen Metallschicht
72 ist technologisch direkt auf den Halbleiterkörper 75 aufgebracht. Außer den ohmschen
Elektroden 74, an welchen eine erforderliche Sperrspannung zwischen 72 und 73 angelegt
wird, ist noch eine zusätzliche Elektrode 729 an der Grenzfläche zwischen 75 und
dem Mikrowellenleiter 76 angebracht.
-
Durch diese zusätzliche Elektrode kann in 73 und 75 eine veränderbare
Feldstruktur erzeugt werden, mit deren Hilfe ein Einfluß auf die Schwingungsformen
der ultrahochfrequenton Plasmaoszillationen der heißen Elektronen und energiereichen
Defektelektronen in 73 sowie auf die Moden des elektromagnetischen @ikrowellenfeldes
in 76, 75 und 73 ausgeübt werden kann.
-
Die Zusatzelektrode 729 gewinnt aus dem genannten Grund insbesondere
auch bei Generatorbetrieb der Anordnung besondere Bedeutung, weil durch das zuslitzliche
innere elektrische Feld die Ausbildung der ultrahochfrequenten Oszillationen modifiziert
wird. Außerdem kann durch das elektrische Zusatz geld der Elektrode 729 die elektromagnetische
Kopplung zwischen den hochangeregten Ladungsträgerkollektiven einerscits und zwischen
dem oszillierenden Plasma und dem die nachrichtentechnischen Signale führenden Mikrowellenfeld
andererseits parametrisch gesteuert werden, wodurch die nachrichtentechnischen Kenngrößen
des Übertragungsmaßes, des Modulationsgrades, des Verstärkungsfaktors, der Schwelle
der Selbstoszillatien, der Phasentreue, des Verzerrungsfaktors, der An- und Abklingzeiten,
der Frequenz- bzw. Intensitäts-
modulation und andere charakteristische
Größen optimal eingestellt werden können. Das p-leitende Oszillationsgebiet 73 ist
durch die isolierende Matrix 714, in welche die Metallschicht 72 seitlich eingebettet
ist, in elektronicht Hinsicht von der halbleitenden Schicht 715 mit den Saugelektreden
716 getrennt, mit deren Hilfe unerwünschte, nach oben aus 72 austretende Foto elektronen
abgesaugt werden können.
-
Auf den elektronischen Kristallsystem ist, wie aus der Fig. 7 zu ersehen,
ein rotationssymmetrisches Linsenpaar 720 und 721 aufgesetzt, in welchem mit dem
angezeigten optischen Weg ein polarisierter Laserstrahl verläuft, der in der Iletallschicht
72 die fotoelektrische Anregung der heißen Elektronen bewirkt und teilweise reflektiert
wird. Hierbei ist die Ebcne des optischen Weges in 720 und 721 um die achse der
Rotationssymmetrie des Linsenpaares aus der Zeichenebene heraus drehbar, wobei jeder
'.Jinkeleinstellung der ebene des optischen Weges in bezug auf die Zeichenebene
eine verschiedene Intensität des polarisierten Laserstrahles zugeordnet ist. Auf
diese Weise kann die für die fotoelektriehe Anregung der heißen Elektronen erforderliche
Dosierung der Laserstrahlung gemäß der Erfindung von Null bis zum @aximalen Intensitätswert
sehr genau eingestellt werden.
-
Dieser Sachverhalt ist ersichtlich für die Vollkommenheit der technischen
Realisierung einer Verstärker- bzw. Generatoranordnung insbesondere ii Spektralbereich
ultrahochfrequenter Schwingungen von grober Bedeutung. Die herkömmlichen technischen
Schwierigkeiten in der feinmechanischen Herstellung entsprechender konventioneller
nachrichtentechnischer Geräte dieses Spektralbereiches werden im Rahmen der rlifluung
auf optisch leicht zu bewtiltigende Weise mit großer Genauigkeit hinsichtlich der
Einstellungs- und Steuerungsmöglichkeiten überwunden.
-
Der zur foto ei ektrisehen Anregung der heißen Elektronen in
der
Metallschicht 72 verwendete Laserstrahl, der in speziellen Fällen einer optisch
gekoppelten, kontinuierlichen Lumineszenzstrahlung überlagert sein kann, wird aus
dem lag er aktiven Kristall- oder Glaskörper 71 mit dem Spiegel 710 und der Blende
78 von zweckentsprechender Blendenöffnung in das Glasprisma 728 emittiert. Der Einfallswinkel
des Strahles soll bei Reflexion an der Spiegelfläche des angrenzenden Mediums 727
unter Berücksichtigung der Brechungseigenschaften des Materials entweder exakt dem
Polarisationswinkel oder in speziellen Fällen, wenn eine nur partielle Polarisation
des Strahles bei Reflexion erwünscht ist, näherungsweise dem Polarisationswinkel
entsprechen. Der aus 728 wieder austretende, nunmehr polarisierte Laserstrahl tritt
snschließend in den halbkugelförmigen Analysator 722 mit der spiegelnden Begrenzung
723 ein, an welcher der Strahl ebenfalls unter einem mit dem Polarisationswinkel
identischen oder nahezu gleichkommenden Winkel gemäß den Brechungseigenschaften
des Materials in das Linsenpaar 721 und 720 reflektiert wird. Der Analysator ist
um die in Richtung des Polarisationswinkels angebrachte Achse 726 in Verlängerung
des einfallenden Laserstrahls drehbar. Auf diese Weise wird die Intensität des in
721 und 720 verlaufenden Laserstrahles, der in der Metallschicht 72 zur Erzeugung
der heißen Elektronen für die Plasmaoszillationen in 73 verwendet wird, sehr genau
dosierbar, wenn man dem Analysator die jeweils benötigte Einstellung durch Drehung
um die Achse 726 erteilt. Der teilweise cn der Metallschicht 72 reflektierte Lichtstrahl
tritt auf dem bezeichneten Wege in irgendeiner zur Zeichenebene um die Symmetrieachse
von 720 und 721 gedrehten Ebene des optischen Weges aus dem Linsenpaar 720 und 721
wieder aus und wird an der Spiegelbelegung 725 des total reflektierenden Mediums
724 in einer gewünschten Richtung refleknicht. In speziellen Fällen kann dieser
aus der Anordnung austretende Reststrahl zu einer optischen Rückkopplung auf das
Lasersystem verwendet werden, so daß auf diese Weise eine Automatisierung in der
optischen Steuerung bzw. Selbst
regelung des Lasersystemes möglich
wird, wobei die Lasertätigkeit, die Drehung des Analysators und die Saugspannung
zwischen 716 und 72 in einem elektronischen Regelsystem zusammenwirken.
-
15 Patentansprüche 7 Figuren