DE2116521A1

DE2116521A1 - Verfahren zur Darstellung bzw. Modifikation von Objekt-Details, deren Abmessungen ausserhalb der sichtbaren Wellenlängen liegen

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Publication number: DE2116521A1
Application number: DE19712116521
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: CREMER F
Current assignee: CREMER F
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1971-04-05
Publication date: 1972-10-12

Description

Verfahren zur Darstellung bzw. Modifikation von Objekt-Details, deren Abmessungen ausserhalb der sichtbaren Wellenlängen liegen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Objekt-Details, deren Abmessungen ausserhalb der sichtbaren Wellenlängen liegen, sichtbar zu machen bzw. die Aufgabe, solche Objekt-Details zu modifizieren.
Es sollen dabei diejenigen Nachteile vermieden werden, die bei der bekannten elektronenmikroskopischen Darstellung nach dem Rasterprinzip unvermeidlich sind, nämlich die Zerstörung der Objekt-Details bei der Abtastung,twelche Analyse der erhaltenen Darstellungen erschwert.
Die lösung der genannten Ausgabe besteht darin, daß a) eine kohärente elektromagnetische Strahlungsquelle auf eine Fläche abgebildet wird, deren Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge der kohärenten Strahlung, b) daß mittels der von dieser Fläche ausgehenden Strahlung ein Punkthologramm mit einem grossen Raunw=inkel hergestellt wird, c) und daß das Objektdetail mittels des von diesem Hologramm gelieferten Lichtes punktweise abgetastet und auf einer Bildfläche, beispielsweise auf dem Schirm einer Fernsehempfangsröhre, dargestellt wird.
Ist die Zeitfähigkeit des Mediums Null, so verschwinden die Terme in Gl. 2, und es folgt die für ruhende isotrope Isolatoren (z. B. Vakuum) gültigen Wellengleichungen (3) Handelt es sich um vollkommen periodische Vorgänge, kann man also des Separationsansatz (4) machen, so folgt durch Einsetzen von (Gl. 4) in Gl. 3: (4) Die Grundlösungen der homogenen Maxwellschen Gleichungen ergeben mit Das Funktionenpaar (E1, H1) nennt man einen elktrischen Dipal, das Funktionenpaar (H2, E2) heißt magnetischer Dipol.
Ein die maxwellschen Gleichungen Gl. 5 erfüllendes Feld kann als aus einer Überlagerung der in Gl. 7 charakterisierten elektrischen und anetischen Dipole aufgebaut werden.
wobei ### gehen soll. 0 (1/#2) bedeutet dabei, eine Größe, die für ### mit zweiter Potenz gegen Null geht.
Aus Gl. (8) folgt, daß elektromagnetische Felder der sogenannten Sommerfeld'schen Ausstrahlungsbedingung (22) genügen; es gilt(5) Aufgrund der Sommerfeldschen Ausstrahlungsbedingung ist also nach der Theorie der partiellen Differentialgleichungen die folgende Randwertaufgabe zu den homogenen Maxwellschen Gleichungen Gl.5 eindeutig lösbar: (7) Gegeben sie ein Gebiet GCR3 (dreidimensionaler Raum). uf dem Rande G von G, auf der G vom übrigen Raum abgrenzenden Hüllfläche F also, seien durch eine ideile Photmetrie die Worte E bzw. H der Amplituden der ideil periodischen Weller (Gl.4) für jeden Punkt # der Nüllflüche F bekannt. E und E sollen stetig differnzierbare Funktionon sein und in G Lösungen der Wellengleichungen Gl. 5 darstellen. toter Beräcksichtigung von Gl.4 ist d&>m' das' ursprünglich in G vorhandene elektromagnetische Feld aus der Kenntnis der Werte der Amplituden E und H auf dem Rand G von G, der Kenntnis von Permeabilität und Dielektrizitätskonstante des isotropen Aediums, sowie der Frequenz der noneochromatischen Wellen, und unter Voraussetzung rein periodischer Vorgange, durch eine Überlagerung unendlich vieler monchromatischer Wellen, die von Jedem Punkt der geschlossenen Hüllfläche F, i.e. des Randes G von G ausgehen, eindeutig reknstruierbar: Es gilt (8): wobei @@ Punkte im Innern von G repräsentieren.
Wie ein Vergleich von G1. 10a,b mit Gl.6 zeigt , kann das ur sprüngliche Beld durch eine Überlagerung von Kugelwellen repräsentiert werden, entsprechend dem Huygenschen Prihzip (11a).
Das Wort "rekonstruieren" hat zunächst einen rechnerisch-mathematischen Sinn: Ein "Aaxwellscher Dämon" könnte mittels Gleichung 10a,b aus den mittels einer idealen Fhotometrie ihm bekannten Randwerten für E und H das ursprüngliche elektromagnetische Feld im Inneren wieder exakt berechnen. Ellerdings müßte der Dämon sich dazu auch sehr viel Zeit nehmen, da das elektromagnctisch sche Feld nach den Gestzen der Euantenmechanik quantisiert ist; das heißt, daß der Dämon aufgrund der auch für ihn gültigen Naturgesetze nur nur einzelne Quanten zählen kann. Geht jedoch die Quantenzahl gegen unendlich, so geht urter den gemachten Voraussstzungen die durch das Zählen einzelner @uanten bedingte Unsicherheit@ egen Null (12) Wir wllen nun annehmen, der Maxwellsche Dämn habe sich durch eine ideale Fhotometrie von E und H auf dem Rand G des Gebietes G in den besitz aller für die rechnerische Rekonstruktion der das ursprüngliche Feld repräsentierenden Kugelwellen gesetzt.
Er sei daräber hinaus in der nae, diese Kugelwellen auf dem Rand mit gleicher Amplitude, aber umgekehrter Ausbreitungsrichtung auch phyikalisch zu rekonstruieren. Dies kann er z.B. durch eine Überlagerung fortschreitender ebener Wellen (9) erreichen, Da es physikalisch gesehen nur endlich viel Elektrische und magnetische Dipole gibt, gibt es nur endlich viele Kugelwellen, aus/deneii das Feld des Gogenstandes sich zusammensetzt; ihre Anzahl sei N. Das ursprüngliche Feld des Gegenstandes L in G, wird dann durch eine berlagerung von N auslaufenden Kugelwellen ptäsentiert.
Das vom Dämon durch einlaufende Kugelwellen glei-cher amplitude erzeugte Feld ist durch gegeben. mittlere Die Energiedichte u ist definiert durch (10, 11) Die Intensität, d.h. die durch eine kleine Fläche dF senkrecht zu dieser in einer genügend langen Zeit hindurchtrctende nergie, ist mit der Energisdichte u durch verknüpft.
Dic Intensität des ursprünglichen Feldes ist also Die Intensität des rekonstruierten Feldes ist Es gilt also die Beziehung Ein physikalischer Meßapparat, der lediglich die Energiedichte bzw. die Intensität -zu registrieren in der Lage ist, kann also zwischen den ursprünglichen Feld und aem rekonstruierten Seld nicht unterscheiden. Wie Gl.(14150) zeigt, gilt das für eine beliebige räumliche Verteilung der Intensität in G.
Gl. 16 gilt für den Fall, daß die Kugelwellen des ursprünglichen Feldes und diejenigen des rek, Feldes Amplitude haben. Unterscheiden sich die Amplituden von Geenstandswellen und rekonstruierenden Wellen um einen konstanten Factor #, so daß Durch einfaches Ausklammern des Faktors # in Gl. 14 und Gl. 15 folgt Die Intensität des Rekonstruierten Feldes wächst also quadratisch mit dem Faktor #.
Die oben sufgezeigte Möglichkeit einer eindeutigen, beliebig genatien Rekonstruktion des elektromagnetischen Feldes ist eine unmittelbare Flge der Zeitumkehrinvariam der homogenen Maxwellschen Gl. 3 für ruhende, fsotrope Medien ohne Leitfähigkeit.
Eine Betrachtung des quantisierten Maxwellschen Feldes führt, wie hier nicht ausgeführt werden soll, zu analogen Ergebnissen.
(13,) Die Ausbreitung von Quanten aus einer Lichtquelle in einem ruhenden, verlustfreien Medium läßt sich stich durch die Wellengleichungen der Quantenmechanik als ein Satz von Beobachtungen beschreiben, der zeitumkehrinvariant ist, d. h. es kann t durch t' - t ersetzt und eine Transformation ausgeführt werden, die die Form der qusntenmechaniachen Wellengleichungen att denselben Interpretationsvorschri?ten erfüllt. Die transformierten Wellenfunktionen Beschreiben dann die ursprünglichen Quanten, wie sie sich rückwärts in der Zeit bewegen.
Unter Moxwellscher Dämon vermag nicht zu entscheiden, welche Richtung ii Ablauf des Beobachtungsaatses den tatsächlich beobechteten Yorgaq wied.rg-ibt. Der zu einer Ausstrahlung von Lichtquanten der Energie 1 eV von einer Lichtquelle der Ausdehnung io2 1 seitumgekehrte Vorgang ist ein physikalisch söglicher Prozeß, um ein Beispiel zu nennen.
Um die physikalischen Observablen für einen konkreten Fall zu bestimmen, wird ein Meßapparat benötigt. Der dabei prinzipiell nicht unterschreitbare Fehler wird durch die Heisenberssche Unbestimmtheitsrelation angegeben. Für unseren Fall erceben sich keine grundsätzlichen Schwierigkeiten was die Meßbarkeit des Felde Die Unbestimmtheits-@angeht relation lautet in ihrer etrengen Form folxenderqa-4:en: (4 ) Geweben seien zwei bermite'sche Operatoren, die physikalischen Obervablen entsprechen (z.B. Lage und Impuls, Energie und Zeit.
elektrische und magnetische Fel<ist-rke).
Der Kommutator für diese Operatoren lautet dann: Sein Wert betrage Für die Unsicherheit 4 A, 3 der physikalischen Observablen A, 13 gilt denn die Beziehung <C> der Erwartungswert von C ist.
Für raumartige Intervalle verschwinden die Vertauschungsrelstionen zwischen den Feldstärken. Eine beliebig genaue Messung der Feldstärken an einem Punkt X1 beeinflußt also in keiner Weise die Genauigkeit der Messung an einem Punkt x2; x1 und x2 können dabei beliebige Abstände voneinander haben (14,15), Für die Observablen EnergieEund Zeittergibt die Unschärferelation (16,12) die beziehung Dabei ist 4t die mittlere Lebensdauer des Systems im Energiezustand E. Bei ideal kohärenten Wellen, deren Interferenz einen zeitlich ideal stationären Zustand ergibt, inhalt an einem bestimmten Ort beliebig genau meßbar. Unter des Ausdruck "bestimmter Ort" werde. dabei ein sehr kleines raumartiges Gebist verstanden, größer zu sein braucht als 10-8cm in der Ausdehnung(15) II. Gedankenexoerimente zur Ultrafokussierung elektromagnetischer Wellen, Bei diesen Experimenten möchten wir von von folgender, allgemeiner Überlegung ausgehen: Werden sämtliche Informationen, aus denen ein Gegenstand erkannt werden kann, fehlerfrei zu seiner Beschreibung verwendet, ist der Gegenstand im Rahmen unserer Erkenntnismöglichkeiten genau beschrieben.
Betrachtet man in diesem Zusammenhang die optische Abbildung als Prozeß einer Signalübertragung, dann gilt ( 17): Ein ideale optisches System ohne geometrisch-optische Aberrationen und ohne Beugung bildet einen leuchtenden ObJektunkt wieder in einen Bildpunkt ab.
Jades herkömmliche Abbildungssystem, z.B. eine Linse, hat eine endliche Öffnung, d.H. die zur Abbildung (Infomationsverarbeitung) varwendbaren Eingangssignale sind nur eine auswahl des vom Cbjektaugehenden Gesamtsignals. Die in das Abbildungssystem eintretenden Eingangssignale werden nicht fehlerfrei verarbeitet, sondern durch gemetrisch-optische Aberrationen verändert.
Herkömiliche Abbildungssysteme sind also vergleichbar mit Datenverarbeitungssystemen ungenügender Aufnahmekapazität und fehlerhafter Informationsverarbeitung.
Gedankenexperiment zur hlgrahischen Fokussierung Die im erssen JLbschntt genannten Prinzipien sollen tun in eineT Gedankenexperiment angewendst werden.
Gegeben sie eine "punktförmige" Lichtquelle L von der eine monochromatische, kohärente Kugelvelle (r Abstand vom Erregungszentrum, E0 Amplitude) ausgehe.
r kann dabei groß gegen die Dimension der punktförmigen Lichtquelle sein. Unter der Dimension des Gegenstandes Ii werde dabei die marimale Entfernung zwischen zwei Punkten der Oberflache von L verstanden. Unter "punktförmig" soll fernerhin verstanden werden, daß die Dimension,, der Lichtquelle X dim di (L) Dt sehr viel Kleinei ist als die Wellenlänge#der von L ausgehenden elektromagnetischen Welle. Der Abstand @ vom Erregungszentrum gemäß Formel ( für den die Intensität der elektromagnetische« Jelie für,alle Raumrichtungen mindestens auf die Hälfte der maximalen Irtensität auf der Oberfläche von L abgefallen ist, werde mit rH bezeichnet.
Die so gekennzeic@mete punktförmige Lichtquelle L befinde sich innerhalb einer geschlossenenen üllfläche F (z.B. einer Kugeloberfläche vom Radius rk). An allen Punkten P@ der Hüllfläche F, deren Lage durch den Ortsvektor CF angegeben wird, soll eine ideale Photometrie des vektoriellen ele1,ftrischen bzw. magnetischen Feldes, also eine beliebig genaue Messung von E(t) bzw. H(t) möglich sein.
Unter diesen Annahmen ist nach Gl. (@@@) das elektromagnetische Feid, also E(t) und H(t), konstante Pemeabilität und Didektrizitätskonstante im Inneren von F vorausgesetzt, eindeutig im Inneren von F festgelegt.
In einem zveiten Gedankenexperiment werde das erste Experiment dahingehend erweitert, daß eine optische R konstruktion der Randbedingungen auf der Hüllfläche F möglich wird: Dazu werde die von L ausgehende Welle (Gl. 1@ mit einer kohärenten Werenzwelle gleicher ..'ellenl.^ge auf der gesamten Oberflache F zur Interferenz gebracht. Die Intensitätsverteilung des Interferenzfeldes (zeitlicher Mittelwert) werde auf einer Photoschicht idealen Auflösungsvermögens festgehalten. * Das unter diesen Bedingungen entd ende, ideale Hofogramm stimmt geometrisch mit der Hüllfläche F überein.
und halt das Interferenzfeld in allen Richtungen des Raumes fest, also in einem Raumwinkel 41r, vom Objekt L her gesehen. Es werde daher als 4@-Hologramm bezeichnet.
Wid dieses ideale 4@-Hologramm in einem dritten Gedankenexperiment erneut mit der bei der Aufnahme verwendeten @@erenzwelle betrahlt; so gilt(bei gleicher Permeabilität und Die ektrizitätsknstante des Mediums wie bei der Aufnahme), daß an jedem Punkt der Hüllfläche F eine Vektorfunktion E(t) bzw. E(t) erzeugt wird, die bis auf einen für alle Punktegleichen Amplitudenfaktor @ nit der bei der Aufnahme dort vrhandenen Feldstärke übereinstimmt (18).
Damit sind bis auf den Faktor @, der durch gesignete Wahl der Amplitude der rekonstruierenden Welle variiert @@ werden kann(19), die Randwerte auf der Hüllfläche F dieselben wie bei der Aufnahms. Lediglich die Ausbreitungsrichtung der einzelnen Wellen hat sich umgekehrt. Unter der whae der Gültigkeit der Maxwellschen Gleichungen für diesen Fall (20) wird gefordert, daß unter den Bedingungen dieses Gedankenexperiments auch die Feldverteilung im Inneren bis auf den Faktor @ die gleich ist wie bei derAufnahme des idealen 4@-Hologramms. Dann gilt für den halben Fokus:urchmesser rF, definiert als der Abstand vom Erregungszentrum, für den die Intensität der elektromagnetischen Welle auf die Hälfte der maximalen Intensität abgefallen ist, die Beziehung rF = rE (2) -ten Lichtes Da rH prinizpiell unabhängig von der Wellenlänge des von L Ausgestrah gewählt werden kann, ist der Fokusdurchmes ver prinzipiell unabhängig von der in dem Gedankenexperiment verwendeten Wellenlänge und vom Durchmesser des 4@-Hologramms.
Die Fokussierung von licht auf-ein.en Fokusdurchmesser, der viel kleiner ist als di Wellenlänge, ist auch unter Berücksichtigung der durch die Quantenmeehanik erforderlichen Quantiierung des ölektromagnetischen Feldes (i) ) ein physikalisch möglicher Prozeß.
Dies folgt aus, der oben erläuterten Invarianz des quantisierten elektromagnetischen Feldes gegnüber Zeitumkehr. Die Ausage: Die Fokussierung von Licht auf einen Fokurdurchmesser, der sehr viel kleiner, ist als die Wellenlänge, dei auch unter idealen Bedingungen prinzipiell unmöglich"; ist gleichbedeutend mit der Fest stellung, daß die relativistische Quantenfeldtheorie die Eigenschaften des Lichtes nicht vollständig bescheibt.-kit herkömmlichen optischen .bbildungssstezen (Linsen) ist eine Fokussierung von elektromagnetischen Wellen auf Fokusdurchmesser sehr viel keiner als die Vellenlänge, auch bei {er-.endur.O idealer Linsen nicht möglich(22,23).
II Diskussion einiger Realisierungsmöglichkeiten Nachdem oben erläutert wurde, daß die Fokussierung von kohärenten elektromagnetischen Wellen auf einen Fokusdurchmesser sehr kleiner als die Wellenlänge ein physikalisch denkbarer Prd zeß iet @, soll nun diskutiert werden. inwieweit ein solcher Prozeß konkret realisierbar sein könnte. hierzu ist folgendes zu sagen.
1. Eine ideale Photometrie ist wegen des begrenzten Auflösungs@ mögens physikalischer Meßapparate nicht möglich: z.B. kann man sich das 4@-Hologramm also eine Photresistschicht mit molekulare "Korngröße" denken. Es handele sich dabei um eine Lichtinduziei Umwandlung einer Atomkonfiguration von einem Zustond A in einen Zustand B. Der Verstärkungsfaktor des photographisct Prozesses sei 1, d.h. ein einzelnes Lichtquant soll nur einen einzigen Zustand B erzeugen. Unter diesen Bedingungen stellt da Hologramm eine Vorrichtung dar zur Zählung der Anzahl der auf ein bestimmtes Oberflächenelement der Hüllfläche auftreffenden Quanten. Die Desamtzahl der Umwandlungsmöglichkeiten und damit der Speicherkapazität des Hologramms für die Lichtinformation ist abhängig von der Dichte der Um:8wandlungsplatze, als: der Dichte der Zust ände A auf der Hüllfläche, sowie der Gesamtfls des Hologramms. Die Belichtungszeit tB des Hologramms muß so @ wählt werden, daß eine optimale Aussteuerung der Transmissior kennlinie des Hologramms erfolgt(). An den stellen der Interfernzmaxima sollten also nach statistischer Erwartung gerade alle Zustände A des betreffenden Hüllflächenelements im B umgewandelt sein. Wegen des sehr geringen Verstärkungsfators der Photoschicht werden große Quantenzahlen benötigt. Andererseits sollte zur Verwirklichung einer möglichst guten Fokussierung bei Bestrahlung 4@-Hologramms mit der Rekonstruktionswelle die Kohärenzzeit des verwendeten Lichtes größer sein als die Belichtungszeit, eine Forderung, die hoe Knforderungen an die Frequenzstabilität des wendeten Lassrs stellt(26).
Aus der endlichen Anzahl der Umwandlungsplätze auf einem Obcrflächenelem@et des Hologramms, @@@@t der endlichen Zahl der bei der Aufnahme des Hologramms verwendbaren Quanten, sowie einem endlichen Signal/Rauschverhältnis infolge von statistischen Amplitudenschwankungen der Lichtwellen folgt, daß die einzelnen Interferenztreifen auf der Oberfläche des 4@-Hologramms die dort herrschende Feldverteilung nicht beliebig genau wiedergeben können. Bei Verwendung sehr vieler Interferenzstr ifen lsönin diese Fehler aber teilweise wieder kompensiert werden. Für einen Kreisförmigen Ausschnitt eines großen 4@ -Holograims, der in erster Näherung als eben betrachtet werden kann, gilt für die Größe des von ihn erzeugten Bildfleckes (bei alleiniger 3strahlung dieses usschnittes mit der Rekonstruktionswelle) die Formel(27): wobei d@ der Durchmesser des Bildfleckes. # die verwendete Wellenlänge, cos #B die Richtung der Refenezwelle zur hse des kreisförmigen Hologrammausschnittes, und N die Anzahl der Interferenzstreifen ist. Hier bestimmt also die Anzahl der Interfernzstreifen aie erreichbare Auflösungsgrenze, ein Sr,,ebnis, das bei Betrachtung des Hologramms als Strichgitter (28) leicht einsichti ist. Aus der Abschätzung @@@ ergibt sich,daß der Radius des Hologramm8 möglichst groß seill - und daß außerdem die Referenzwelle möglichst senkrecht auf der Hologrammoberfläche stehen soll. Andere Probleme, wie die Anforderungen an die Homogenität, mechanische Festikeit, Oberflächengüte etc. des Hologramms werden inder Literatur (27) ausführlich diskutiert, Erzeugung der "punktförmigen" Lichteuelle L.
Die Erzeugang der zur tIerstellun des Z Hologramms auf optischem Wegebenötigten punktiormigen Lichtquelle mit einem Durchmesser rH (s.c.) ## kann nicht auf dem Wege über Linsen (30,31) vorganommen werden, da bei diesen bestenfalls eine beugungsbegrenzte Fokussierung erreicht werden kann. Der mit Linsen erreichbare Fdusdurchmesser ist @@@@@ (32).
Auf linsenfreiem Wege dagegen ist die Erzeugung punktförmiger Lichtquellen mit r « realisierbar; hier sin verschiedene Verfahren denkbar: a) Dur ch eugung an einem geeigneten Streuzentrum S, z.B. einer eischeibe vom Durchmesser dssit der Permeabilität µ 1 hddem spezifischen Widerstand # = 0 ("metallische Kreisscheibe") Stelle des Streuzentrums 5 kann nach dem Babinetschen Theorem (3) ) auch eine komplementäre beugende Öffnung treten.
Eine fundamentale Frage für die Realisierung ist die Intensität der Streu'gelle im Vergleich zur Intensität der sie erzeugenden Welle. Dabei ist zu beachten, daß im Falle dg## die skalare Lichttheorie zur Lösung nicht mehr ausreicht(42). Für den Fall einer Kreisscheibe mit metallischen Eigenschaften folgt aus der strengen Lösung der Kaxwellschen Gleichungen (@@) für den Gesamtenergiestrom der Streuwelle Gesamtenergiestrom der auf 5 eifallenden ungestörten Welle Der Streukoeffizientnimmt also mit der 4. Potenz, von ## ab.
Da die Anzahl der auf das Streuzentrum S pro Zeiteinheit auftreffendden Quanten, NE, bei konstant@ Wellenlänge, mit der zwbiten Potenz in d abnimmt, sinkt die Anzahl der gestreuten Lichtquanten pro Zeiteinheit, NS, in einem gegebenen Str&hlurgsfeld mit der 6. Potenz in d,i ab.
Dazu werde folgende Überschlags-Abschätzung genacht: ird Laserlicht sichtbarer Wellenlänge durch eine Linse zunächst auf einen Fokus von t Furchmesser foLussiert, in dem ich ein Streuzentrum mit dS- @/10 befindet, und werden innerhalo der Kohärenzzeit N =1020 Quanten in den Fokus eingestrahlt (Rubin-Laser, 694 nm, Impulslänge 10-6 sec, Impulsenergie 30 Ws), so ist NE = 1018/sec und N##1016/sec.
Die Anzahl der gestreuten Quanten, ca. 101 bei ds =#/10 und L = 694 na reicht bèi einer"Korngröße" der Photoemulsion von 0.1µm = 106 A2 (hochauflösende Kodak-Photoschicht (36)) und einer Quantenausbeute von 1 aus zur Schwärzung von 100m @Photomaterial, das ist die Oberflache eines Kugelförmigen Hologramms von ca. 2.8m Radius. Bei Verwendung von Photoresistschichten mit der Korngröße F0=(10 A)2 reicht die Zahl der geisreuten Quanten in diesem Beispiel nur Hur die "Schwärzung" einer Fläche von 10cm, d.h. einen 4t -Hol gramm von 2.8 cm Radius aus.
Die herstellung des 4@-Hologramms einer punktförmigen Lichtquelle vom chmesser ds=#/10 ist mit den gegenwärtig kommerziell erhältlichen Lasern also realisierbar auf die Verwendung von Photoresistschichten mu3 evtl. zur Zeit noch verzcihtet werden.
Bei Verwendung einer "herkömmlichen" Lichtquelle, z.B. einer Quecksilber-Hochdrucklampe hoher Leistung, aus der ein genügend kohärenter Strahl mit ausreichend schmaler Bandbreite sntnommen wird, der in glaicher Weise wie der Laserstaahl fokussiert wird, ist die Anzahl der pro Sekunde auf das Streuzentrum einfallenden Quanten NE=105/sec - 107/sec (40). Um ein Hologramm gleicher Qualität zu erhalten wie bei der Verwendung von Laserlicht, sollte die Belichtungszeit auch hier nicht größer sein als die Kohärenzzeit, die bei inkohärenten Lichtquellen bei ca. 10-7 sec liegt(26).
Die Anzahl der mit inkohärenten Lichtquellen erzeugbaren gestreuten.Q,uanten (innerhalb der Kohärenzzeit) ist also sehr klein: 0*01 bis 1(fl4)'. Mit Hilfe eines Photomultipliers kann das Strouzentrum also noch relativ sicht festgestellt werden, die Erzeugung eines 4T -Hologramms dagegen kann als "unmöglich" bezeichnet werden.
b) Erzeugung punktförmiger Lichtquellen durch Anregung nichtlinearer Kristall Laserlicht als Pumplichtquelle.
Hier werden kristalle verwendet, die bei Einstrahlung von Laserlicht geeigneter Intensität kohärentes Licht anderer Wellenlünge emittieren können. Seit kurzem sind derartige Kristalle auch(37) kommerziell erhätlich (38), ihre maximale Ausbeute liegt bei ca. 20% (39). Rechnet man mit einer ausbeute von 1% der eingestrahlten suanten, so ergeben sich bei einer Kristallgröße ?on ca. #/10 und NE= 101/secNS= 1016/sec (imVergleich: Ns@ bei Verwendung eines Streuzentrums). Sollten Mikrokristalle von den Effekt noch zeigen, (41) so wäre NE (s.o.)=1016 Quanten/sec, bei 1% Konversion also N@ = 1014 Quanten/sec. Die so erzeugte punktförmige Lichtquelle vom Durchmesser 50 A wäre also noch ir/der Lage, bei einer Korngröße von 0.1µm (s.o.) 1m2 Photomaterial zu schwärzen. Die Anzahl der gestreuten Quanten NS dagegen wird auch bei Verwendung von Laserlicht (NE = 1016 Quanten/sec) sehr klein: Nach Gl. (@@@@ergibt siah für die Streuwelle eine Quantenzahl N5 = 1O10uanten/sec. Diese ausbeute ist für die Herstellung des hier diskutierten 4T-lloloramms zu klein.
Als Ergebnis der in diesem Abschnitt vorgenommenen Diskussion der Erzeugung punktfö.rmiger Lichtquellen mit einem Durchmesser, der wese-ntlich kleiner ist als die Wellenlänge, kann also festgehalten werden: Beim gegenwärtigen Stand der Technik erscheint die Herstellung von 4@-Punkt-Hologrammen einer punktförmigen Lichtquelle vom Durchmesser #/100 bis #/10 als ein reslistisches Ziel. Durchmesser bis ca. #/10 sind durch Beugung an einem Streuzentru vergleichbarer Größe realisierbar, (41) Durchmesser bis ca. #/100 durch nichtlineare Kristalle. Die Intensität der punktförmigen Lichtquelle ist bei Verwendung nicht-linesrer Kristalle um mehrere Zehnerpotenzen größer; zudem erlaubt sie die Verwendung einer Photoresistschicht bzw. Photoschicht, die geüber der zur Anregung des Kristalls eingestrahlten Wellenlänge#nicht, gegenüber der vom Kristall emittierten Wellenlänge#maximal empfindlich ist.
Prinzipiell ist für jede Wellenlänge ein 4# -Hologramm denkbar, das bei Rekonstruktion gleiche Fokusdurchmesser liefert.
Die technischen 3ch;!ieriykeiten, die zur Herstellung von 4t -IIologrammen möglichst punktförmiger Gegenst@nde zu überwinden sind, sind erheblich. Auch ein großer Aufwand zur Erreichung dieses Zieles ist aber lohnend, wie die folgende Diskussion einiger ausgewählter Anwendungsmöglichkeiten zeigen soll.
IV. Anwendungsbeispiels für 4 @ Punkt Hologramme a) Steigerung der Lebensdauer heißer Plasmen Wird Lsser1cht hoher Strahlungsleistung auf eine schweren Wasserstoff enthaltende Substanz fokussiert, so entsteht kurzzeitig ein heißes Plasma. Fur einzelne Teilchen des Plasmas kann die lonentemperatur dabei so hoch werden ( ), daß Kernverschmelzunasreaktionen ablaufen. Die Zündtemperatur für das Deuteriumplasma beträgt bei einer-Plasmadichte von 1017 Teilchen/cm3 ca. 108@ Ok (4S ).
Ein stationäres Plasma dieser Dicht. und Temperatur wäre Kernstück eines idealen Fusionsreaktore. Neuerdings (46) ist es gelungen, derartige laserinduzierte Plasmen kurzzeitig zu erzeugen und einzelne Kernfusionsreaktionen nachzuweisen.
Eine positive Energiebilanz wurde jedoch nicht erreicht.
Damit die Bilanz positiv wird, müssen Plasmadichte n, Lebensdauer @ und Temperatur T des Plasmas gewisse Bedingungen erfüllen. Aus Rechnungen von Lawson (47) ergibt sich, daß ein Deuteriumfüsionsplasms eine Mindesttemperatur von 108 OK und das Produkt n e einen Mindestwert von 1014 sec cm 3 haben müssen. Bei einer Teilchenzahldichte n = 1019 cm 5 muß das Plasma bei der angegebenen Temperatur also eine Lebensdauer von @@10-5 sec haben. Beschrieben wird eine bei dieser.
Temperatur erreichte Lebensdauer von 10 11 sec ( ).
Der Einsatz von 4T - Hologramrnen eröffnet einen Weg, die Lebenadauer heißer Plasmen zu erhöhen.
Diss ergibt sich aus folgenden optischen @igenschaften von Plasmen (45): Wird durch ein elektromagnetisches Feld der Frequenz @ die Neutralität eines Plasmas durch Verschiebung der positiven und aegstiven Ladungen gestört, so treten Schwingungen im Plesma aut, die alt der Frequenz ( n ELektronendichte) erfolgen. Dies führt zu einem Brechungaindex zwischen Plasma und Außenraum. Ein Teil der einfallenden elektromagnetischen Welle wird vom Plasma reflektiert.
Der Reflexionsgrad ist eine Funktion der Frequenz: Eine elektromagnetische Welle dieser Frequenz wird am Plasma vollständig reflektiert und übt bei senkrechtem einfall auf dessen Oberfläche einen Strahlungedruck (48) # Um ein ideales Gas der Teilchenzahl N = n.V und der Temperatur T in einem Volumen V zusammenzuhalteh, muß der Wanddruck aufgebracht werden. Bei einem heißen Plasma muß zusätzlich der 5trahlunsdruck, der durch die vom Plasma emittierten Ouanten entsteht, berücksichtigt werden. Für die Abstragkverkysts eines Plasmas der Temperatur T, der Teilchendichte n~ (cm-3) und des Volumens Y gilt (Abstrahlungsleistung Pin Watt, kT in eV, V in cm3 : (45) Um das ideale Gas allein durch den Strahlungsdruck elastisch reflektierter elektromagnetischer Wellen eine Zeit # zusammenzuhalten, ist während dieser Zeit die Strahlungsleistung erforderlich, wobei F die Oberfläche Volumensvist. Die Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen soll dabei jeweils senkrecht auf der Oberfläche stehen.
Mit 4T^ Punkt Hologrammen lassen sich derartige Bedingungen realisieren.
Neben der Möglichkeit, einen entsprechenden Strahlungsdruck auf einer geschlossenen Oberfläche zu erzeugen, ist die Güte der Fokussierung wichtig. Bei kugelförmigem Volumen vom Durchmesser d ist die erforderliche Strahlun,sleistung Sie wachs also mit dem Quadrat von, d. der Großenordnung Um eine Vorstellung von der zum Zusammenhalten eines heißen Plasmas benötigten Strahlungsleistungen zu erhalten, werde an Hand eines Zahlenbeispiels eine einfache Abschätzung durchgeführt.
Aus Gl.[7] ergibt sich für T = 1C9 °k , n,,= 1019 cm-13, d = 10-5 cm für das vom Plasma abgestrahlte elektromagnetische Feld eine Gesamtleistung von etwa 10-6 Watt.
Ohne Berücksichtigung der Abstrahlung folgt aus Gl.[9] für den Strahlungsdruck S, der zum Zusammenhalten der Ionen,er'forderlich ist, Der durch die Abstrahlung entstehende Strahlungsdruck ist demgegenüber hier vernachlässigbar klein.
Um eine positive Energiebilanz zu erbalten muß das Plasma ## 10-5 sec zusammengehalten werden. Die Strahlungsleistung S = 4.1 105 Watt muß dementsprechend mindestens ebenso lange Um das Plasma nicht nur zusammenzuhalten, sondern auch weiter aufzuheizen, muß die Frequenz des zur Aufheizung benutzten elektromagnetischen Feldes größer sein a1s die Plasmafrequenz. Im praktischen Falle wird eine Freguenz die etwas oberhalb der Plasmafrequenz liest, zum Zusammenhalten und zum Aufheizen des Plasmas verwendet.
Ohne Berücksichtigung von, Verlusten gilt für die Aufheizenergie (tis)- In unserem Zahlenbeispiel ergibt sich für die benötigte Aufheizenerie Dabei werden alle Teilchen des Plasmas zur kritischen Temperatur gebracht. Nehmen wir pro Kernfusion eine Energieausbeute von 3 MeV an, so werdn im Beispiel insgesamt ca. 10 9 Wattsec Energie frei. Ob die Energiebilanz auch im praktischen Fall positiv gestaltet werden kann, hängt davon ab, in welchem Ausmaß die während des Aufheizvorganges vom Plasma nach Gl.[7] emittierte bzw. nach Gl.[4] reflektierte Strahlungsenergie zur Energiegewinnung hersngezogen werden kann. Eine Verbesserung der Energiesuabeute wird dadurch zu erreichen sein, daß das auf Nernfuaionstemperaturen aufgeheizte Plasma als Initialzünder für weitere Kernfusionen dient.
b) Anwendungsmöglichkeiten von 45 Punkt Hologrammen in de Computertechnik.
Man stelle sich eine Slvche F vor, die zu£aw.engesetzt sei aus N Flächenelementen der Größe Fo. Jedes Flächenelement sei in der Lage, entweder einen Zustand A oder einen Zustand B reversibel anzunehmen. Die einzelnen Zustände sollen gegenüber Störeinflüssen stabil sein, die induzierte Umwandlung dagegen schnell erfolgen. Eine derartige Vorrichtung stellt einen Kernspeicher für eine digitale Datenverarbeitungsanlage dar.
Nun ist die für die Verarbeitung von im Kernspeichar vorhandener.
Informationen rmindestens so gro3 wie die zur Abrufung benötigte.
Bei einer mit Lichtgeschwindigkeit erfolgenden Informationsübertragung von einem Flächenelement ins Rechenwerk ist die Kleinstmöglie und dem Ort des Rechenwerkes, an dem die Information benötigt wird.
Die heute erreichbaren Zugriff-Zeiten liegen im Bereich von nsec. Man sieht, daß bei einer gegebenen Verarbeitungskapazität eine entscheidende Steigerung der Rechengeschwindigkeit nur durch eine weitere Miniaturisierung des Computers erreicht werden kann.
In unserem Zusammenhang wollen wir uns auf Möglichkeiten zu einer, Miniaturisierung der Jatens£eicher beschränken.
Ein seit einiger Zeit intensiv beschrittener Weg besteht in der Verwendung holographischer Techniken (50). Dabei sind drei Probleme zu lösen. Man benötigt einen Prozeß A#B wie oben beschrieben, bei dem die Umwandlung durch Licht geeigneter Wellenlänge und Intensität in beiden Richtungen induziert werden kann.
Beide Zustände müssen in ihrem optischen Verhalten eindeutig unterscheidbar sein. Damit die Umwandlungen eines jeden Flächenelementes Fo mit der Kantenlänge do der Fläche F unabhängig-von einander erfolgen knnen, muß das Licht auf einen Fokusdurchmesser df do fokussiert werden. Unter diesen Voraussetzungen Pits untergebracht werden.
können auf der Fläche F bis zu R Bei einer Verkleinerung des Fokusdurchmessers um den Faktor α sinkt die bei gegbener Das dritte Problem besteht darin, den Fokusdurchmesser möglichst schnell auf beliebige Flächenelemente in beliebiger Reibenfolge einzustellen.
Speicherungskapazität benötigte Speicherfläche um den Faktor 2.
Di. en das Umwandlungssystem gestellten Forderungen könnten durch ein kooperatives system erfüllt werden. Eines der z. Zt. am best ; untersuchten Systeme ist das Poly-L-prolin. Entweder befindet sich daasSYstem in einer Form 1 oder II. Die Umwandlung, die hierbei durch Lösungsmittel induzierbar ist, ist reversibel (51). Beide Formen unterscheiden sich wesentlich in ihrer optischen Aktivität. Ihnen entsprechen ausgeprägte Minima der potentiellen Energie der Atoikonfi.uration,(5 ) die durch einen Potentialberg getrennt sind. Von beiden Zuständen aus kann durch Zufuhr von Energie der Potentialberg überwunden werden. Das Modellsystem Poly-L-prolin selbst erscheint nicht geeignet, wail die Umwendlungszeiten unter den bisher untersuchten Bedingungen im Bereich von mehreren Minuten liegtu. (53) Das Beispiel soll aber zeigen, daß es in der Natur Reaktionen gibt, die wenigstens einzelne der oben gestellten Forderungen erfüllen. Man kennt andererseits Makromoleküle z. B. Wmolobin, in denen bestimmte kooperative Umwandlungen in einer Zeit von etwa 10 nsec ablaufen (SS ). Es wird vermutet, daß auch viele Enzymreaktionen auf der Basis sehr schneller, kooperativer Umwandlungen arbeiten.
Zwar ist z. Zt. noch kein System bekannt, das alle geforderten Eigenschaften besitzt, doch legt der derzeitige Kenntnisstand nahe, daß solche Systeme gefunden werden können. Bei herkömmlicher Fokussierung ist an das System AB die zusät,zliche Bedingung zu stellen, daß die Wellenlänge des die Umwandlung induzierenden Lichtes möglichst kurz sein soll. Bei 4#-Punkt Hologrammen muL diese Bedingung nicht notwendig erfüllt sein.
Findet man mehrere Prozeße, die die Forderungen bei verschiedenen Wellenlängen erfüllen, lassen sich auf jedem Flächenelement mehrere Umwandlun':rssysteme unterbrin,r'en. Damit könnte die Speicherungskapazität noch einmal um einen ent.sprechçnden Faktor erhoht werten. Abechließend sei erwihnt, daß diese orm der Speicherung ein Lesen ohne gleichzeitiges Löschen ermöglicht. c) Vorschlag eines HoFo - Scanning- Mikroskopes Eine w;itere interessante Anwendung iet der Bau eines HoFo - Scanning: - Mikroskopes ( HoFo ,Eolo;,raphische Fokussierung) hierbei handelt es sich um eine prinzipiell andere Art der Abbildung. als sie von Abbeuntersucht wurde. (56) Das zu untersuchende Objekt soll innerhalb des "4r - Punkt-Hologrammes liegen. Mit einer Referenzwelle wird ein Foküs geeigneter Intensität erzeugt. Von den im Fokus liegenden olekülen rird dann Licht emittiert. t>'ber einen schnellauflösenden Photomultiplier und einen Verstärker wird auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszillographen ein Bildpunkt abgebildet, dessen Helligkeit der enge der Jeveils arom Fokus emittierten Quanten proportional sein soll. Mit dem Fokus wird das Objekt mit Bchritten von jeweils einem Fokusdurchmesser abgetastet. Bei feststehendem Fokus karm man sich die Abtastung beispielsweise durch mäanderartige Bewegungen des Objekttisches in der jeweiligen Abbildungsebene vorstellen. Für Zwecke der Eleftronenmikroskopie wurden neuerdings Tische entwickelt, die sich mit Schrittweiten von minimal # 10 A verstellen lassen. (53) Praktischer wird es vermutlich sein, das Objekt kontinuierlich zu bewegen und den Referenzstrahl mit einem elektrooptischen Modulator und Polarisationsfilter in geeigneten Zeitintervallen an- und abzustellen.
Der Abstand der auf des Schirm erzeugten Bildpunkte wird-so gewählt, daß sie vom Auge des Beobachters bequem getrennt weder.
können. Das Auflösungsvermögen dieses Mikroskopes wird vom Fokusdurchmesser bestinat. Handelt es sich um die Auflösung von innerhalb eines Objektes liegenden Strukturen, kann störendes Streulichtrdurch geeignete Polarisationsfilter eliminiert werden.
Bei Einspeicherung in einen computer können die Meßwerte zur zutometischen Struktursnalyse weiterverarbeitet werden. (60) Durch Zusammensetzen der aus den einzelnen Bildebenen gewonnenen Information läßt sich so ein Bild des dreidimensionalen Objektes gewinnen.
Da man für verschiedene Wellenlängen 4r-Punkt- Hologramme mit gleichem Fokusdurchmesser herstellen kann, ist dieses Verfahren zur Spektrophotometrie sehr kleiner Substanzmengen geeignet. Es zeigt sich hier ein physikalisch vorstellbarer Weg, bis zur Spektrophotometrie von einzeinen melekülen zu gelangen. Im Gegensatz zuu herkömmlichen Mikroskopen läßt sich für verschiedene Wellenlängen ein gleich hohes Auflösungsvermögen erzielen.
Bei der Auflösung bestimmter Details innerhalb einer Struktur lassen sich dann die Wellenlängen verwenden, die zu ihrer Derstellung besonders geeignet sind. Hierbei denken wir auch an eine Infrarpt-Mikroskopie. lir halten es ftr vorstel bar, das thermodynamische Gleichgewicht in kleinen Zellkompartimenten lebender Systeme zu stören (Sprungmethoden zur Untersuchung schneller Reaktionen,jxinstranl mit j;eeigneten Störfrequenzen bei Reaktion&n mit verschiedenen Relaxationszeiten), und die resultierende Kinetik zu messen @ Eine weitere dnvendung, die uns besonders interessiert, sind gezielte Eingriffe an definierten Chromosomenabschnitten.
Die hochauflctser,de Untersuchung biologischer Objekte mit Elektronenmikroskopen hat Nach teile. Wegen des starken Energieverlustes und der Streuung des Elektronenstrahles an Wasser- und Luftmolekülen ist es notwendig, im Vakuum zu arbeiten und sehr dünne Schnitte herzustellen, die oft noch metallisch bedampft werden. Der Elektronenmikroskopiker untersucht tote Objekte und hat es schwer zu beweisen, daß seine Ergebnisse nicht auf Artefakten beruhen.
Das Grundübel der Methode ist durch die physikalischen Eigenschaften der Elektronenstrahlen festgelegt. Daran können Verbesserungen wie z.B. die Gefriermethoden nichts ändern. Zur Untersuchung biologischer Cbjekte im stoffwechselaktiven Zustand ist die Elektronenmikroskopie wenig .;eeignet. Daß damit nichts gegen die hohe Bedeutung dieser Lethode gesagt zzird, ist selbstverständlich.
Ihr entscheidender Vorteil bleibt ein sehr hohes Auflösungsvermögen.
Bei Verwendung von Licht mit a> 2000 A absorbiert Wasser dagegen wenig, die Streuung an den Molekülen der Luft ist vernachlässigbar.
Diese Vorteile sind bei tien herkömmlichen Lichtmikroskopen mit dem Nachteil eines für viele Zwecke unzureichenden Awflösungsvermögens verbunden.
Zussmmenfassend darf gesagt werden : Ein HoFo - Scanning - Mikroekop.
vereingit Vorteile von Licht- und Elektronenmikroskopen. Es sollte möglich sein, mit ihm ein Auflösungsvermögen zu erreichen, daß die Lücke zwischen beiden Verfahren ausfüllen hilft, außerdem den längerwelligen Lichtbereich für die Mikroskopie erschließt.
Die Möglichkeit einer Photospektrometrie und Beeinflussung vor Reaktionen in sehr kleinen Kompartimenten eröffnet der Methode eine weitere Dimension. Hier sei ein abschließender spekulativer Ausblick gestattet: Erst die Ermittlung Jer Ge5ch:in.d keitskonstanten ans den Relaxationszeiten und Konzentrationen der Stoffwechselpartner in bestimmten Kompartimenten einzelner stoffwechselaktiver Zellen liefert die erforderlichen Daten für eine quantitativ befriedigé..de Computersimulation des toffwechsels lebender Systeme. (65) Da es sich bei dieser Simulation um Vielkörperprobleme handelt (bei mehreren tausend Enzymen und Stoffwechselprodukten ebenso viele gekoppelte Difterenzengleichungen) ist für vollständige Lösungen das Leistungsvermögen der gegenwärtigen Computer nicht ausreichend.
Die durch die technischen Schwierigkeiten bedingten praktischen Grenzen der Methode vermögen wir z. Zt. nicht abzuschätzen.
Den. Sinn der auf der Basis von 4r-Punkt- Hologrammen mölich erscheinenden Entwicklungen sehen wir wesentlich auch tci da3 sie uns helfen kçnnen, unser Wissen von den molekularen Grundlagen des Lebend en zu vertiefen.
Literaturhinweise und Anmerkungen (1) Bemerkung, die M. v. Laue zu Albert Einstein in einem physikalischen Kolloquium in Berlin machte.
(2) Clerk Maxwell; A Treatise on Electricity.
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(3) G. Joos: Lehrbuch der Theoretischen Physik, S. 291.
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(4) R. Leis: Vorlesungen über partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung, S. 12.
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(5) R. Leis, öp. cit., 3. 177 ff.
(6) H. Franke: Lexicon der Physik.
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(7) R. Leis op. cit.,. S. 149 f.: Lösung der Helmholtz'schen Schwingungsgleichung (8) R. Leis, op. cit. S. 180: Allgemaine Lösung der Maxwellschen Gleichungen für streng periodische Vorgänge.(s. Lit 4).
(9) Courant-Hilbert: Mathematische Methoden der Physik, Ed. II.
Berlin 1968². Springer-Verlag.
(10) G. Joos, op. cit., S. 294 p.
(11) M. Born: Optik. Ein Lehrbuch der elektromagnetischen Licht- 2. Auflage. Berlin 1965. Springer-Verlag.
(12) G.J. Troup: Optical Coherence Theory-Recent Developments.
London 1967. Methuen and Co Ltd (13) J.D. Bjorken und S.D. Drell: Relativistische Quantenmechanik.
Mannheim 1967 Bibliographisches Institut (14) J.D. Bjorken u. S.D. Drell: Relativistische Quantenfeldtheorie Mannheim 1-967. Bibliographisches Institut (15) Die Bedingung des Verschwindens der Vertauschungsrelationen der Feldstärken für beliebig kleine raumartige Intervalle, wobei x1 # x2 zu beachten ist, bezeichnet man als Bedingung der Mikrokausalität (s. Zit. 14, S.45f). Für lim y y#x ergibt sich allerdings ein quadratisch divergierender Ausdruck für die Vacuumfluktuationen (s. Zit. 14), der nicht vollständig eliminiert werden kann und der die Grenza einer Beschreibung der physikalischen Welt durch elder anzeigt. Die Divergenz der Vakuumfluktuationen führt zu der leststellung, daß eine Messung des Quadrates einer Feldamplitude an einem einzelnen isolierten Raum-Zeit-Punkt nicht möglichist. Daher können streng genommen nur Produkte von Feldern, die über endliche Raum-Zeit-Gebiete gemittelt sind, eine physikalisch beobachtbare bedeutung haben. Die Wellenbeschreibung ist j edoch zumindest für Systeme der Größenordnung 10-8 cm anwendbar, (s. Zit. 14, S.15), eine Größenordnung, die für die hier geplanten Anwendungen zunächst vollständig ausreichend ist.
Bis zu wie kleinen Raum-Zeit-Intervallen die Quantenelektrodynamik quantitativ gültig bleibt, ist eine Sache des Experimentes(s. auch Text S.12) 16) W. Heisenberg, Z. f. Physik 33, 879 (1925); Z. f. Physik 43, 172 (1927) (17) R. Röhler: Informationstheorie in der Optik, S. 31.
Stuttgart 1967. Wissenschaftliche Vetlagsanstalt.
(18) H. Kiemle u. D. Röss: Einführung in die Technik der Holographie.
Frankfurt/Main 1969. Akad. Verlagsanstalt. S. 30 (19) H. Kiemle u. D. Röss, op.cit.
(20) W. Martienssen: Grundlagen und Anwendungen der Holographie.
VDI-Nachrichten 38, 4 (1967).
(21) R. P. Feynman, Phys. Rev. 76, 769 (1949). Dte. Übers. in: R.P. Feynman, Quantenelektrodynamik, Mannheim 1969.
Bibliographisches Inst.
(22) A. Sommerfeld, Electrodynamik: Vorles. ü. Theor. Physik, Bd.I, 4. Aufl.. Leipzig 1964. Akademische Verlagsgesellschaft.
(23) A. Sommerfeld, Vorl. ü. Theor. Physik, 3. Aufl. Leipzig 1964 Akad. Verlagsges.: "Optik". Insbes.: Kap. V: "Theorie der Beugung", S. 156 ff; Babinetsches Prinzip S. 177; Schwierigkeit, für den optischen Bereich ein beugendes Material mit metallischen Eigensch. zu finden S. 216.
(24) Die kohärente Referenzwelle braucht keine ebene Welle zu sein; für das hier angebestrebte Ziel güngstiger erscheint vielmehr ein Wellenfeld, das möglichst senkrecht auf der Hüllfläche steht. Die Forderung, die Referenzwelle soll einer möglichst kleinen Winkel mit dem Radisuvektor von L einschließen, ist für das Auflösungsfermögen bei Rekonstruktion des Hologramms von Bedeutung. cf. e.g. H. Kiemle u. D. Röss, op. cit., S. 229.
Wegen der technischen Realisierung cf.S.A. Frecska u. C.E.
Polhelmus; 360° Holographie. Laser 1, Heft 3, S. 55 (1969).
(25) H. Kiemle u. D. Röss: Einführung in die Technik der Holographie, S. 188 ff.
Frankfurt 1969. Akademische Verlagsanstalt.
(26) K. Tradowski: Laser. S. 23 f.
Würzburg 1968. Vogel-Verlag.
(27) H. Kiemle u. D. Röss, op. cit., S. 229.
(28) M Born & E. Wolf: Principles of Optics. 3. Aufl.
Oxford 1964/65. Pergamon Pres Ltd.
(29) H. Kiemle u. D. Röss, op. cit., S. 155 ff.
(30) II. Kiemle u. D. Röss, op. cit., S. 166 f.
(31) G. Schmahl u. D. Rudolph, Optik 29, 577 (1969) (32) cf. e. g.: Handbuch d. Physik, (S. Flügge ed. ), Bd. XXIX: Optische Instrumente.
Berlin 1967. Springer-Verlag.
(33) H. Hönl, A. W. Maue u. K. Westpfahl: Theorie der Beugung.
Hdb. d. Physik (S. Flügge ed.), Bd. XXV/1, S. 218 ff.
Berlin 1961. Springer-Verlag.
(34) U. Born: Optik. Ein Lehrbuch der elektromagnetischen Licht-Theorie,.
Berlin 1933. Springer-Verlag.
(35) W. Andrejewski, Naturw. 38, 404 (1951); Dissertation R.W.T.H. Aachen (1951).
(36) z. B. Kodak-Photoplatte 649 F (1968): Max. Auflösung 104 Linien pro Millimeter.
(37) z. B. LiNbO3. cf. S. E. Harris: "Tunable Optical Parametric Oscillators, *in Proc. IEEE 57, 2096 (Dec. 1969).
(38) Fa. Chromatics, Cal., USA.
(39) Prospekt d. Fa. Chromatics (1970).
(40) Strahlungsleistung einiger Lichtquellen (# = 500 Å): (a-d sit. nach einer Zusammenst. d. Fa. Chromatics (1979)) Quelle Leistung (Watt/mm²#nr#A a) 2700°K Wolfram-Lampe 6 b) 3995°K Kohlenstoff-Lampe 400 c) Hochdruck-Quecksilber-Lampe 2000 d) Optischer Parametrischer Oscillator, 1 x N Ausgangsleistung 10000000000 (1010) e) 100 Watt-Laser 1015 (41) Ein Streuzentrum, das die Bedingungen von Anrejewski (35) erfüllt, kann für den sehr langwelligen Bereich (z. B. fernes Infrarot) durch eine kleine Matallscheibe realisiert werden, Auf die Schwierigkeit einer physikalischen Realisierung im sichtbaren Bereich cf. A. Sommerfeld, Vorl. ü. Theor. Physik, Bd. IV (Optik), S. 216 (3. Aufl. Leipzig 1964, Akad. Verlagsges.) Ergebnisse über den Elektronentransfer in Makromolekülen (cf. e.g. Karlson, Biochemie, Stuttgart 1967)) deuten allordings darauf hin, daß es sich hier um eine Schwierigkeit materialtechnischer Natur handelt, die bei Verwendung geeigneter Materialien überwindbar erscheint; cf. e. g. die gegenwärtigen Versuche, supreleitende Makromoleküle zu finden.
(42) Aufgrund einer skalaren Lichttheorie ergibt sich als Lösung des skaleren Streuproblems für eine ideal leitende Kreisscheibe von Ducrhmesser dS = 2a für den Streukoeffizienten bei senkrechten Einfall (C. J. Bowkamp, Phys. Rev. 75, 1608 (1949) zit. nsch: H. Hönl, A. W. Maue u. K. Westpfahl, Hdb. d. Physik, Bd. XXV/1, S. 4602 "Elektromagnetisches Streuproblem"): Streukoeffizient #p: = Gesatenergie der Streuwelle/(auf die Scheibe auftreffender Energiestrom, der ungestörten Welle): Die strenge Lösung aufgrund der elektromagnetischen -Lichttheorie ergibt dagegen ein ganz anders Bild (W. Andrejewski, Diss.
R.W.T.H. Aachen 1951; W. Andrejewski, Naturwissenschaften 38, S. 404 (1951)): (Definitionen wie beim skalaren Fall. Zit. nach: H. Hönl et al., Hdb. d. Physik (S. Flügge ed.), Bd. XXV/1, 8. 640 (1961)).
Bei #-O ergibt sich also beim skakren, "akustischen" Streuproblem # = 1,62; beim elektromagnetischen Streuproblem, das bei der Beugun von Licht an einem sehr kleinen Streukörper maßgeblich ist, (43) Nichtlineare Effekte, z. B. Frequenzverdopplung, bei einzelnen Makromolekülen bzw. Mölekül-komplexen mit kristalloider Struktur wird für möglich gehalten cf. a): . Zaret, Fed. proc. 24, Suppl. 14. p. 62 (1965); b) P. Sorokin, Scintif. Amer. 220, 30 (1969); c) V. E. Derr, E. Klein and S. Fine, Fed. Proc. 24, Suppl'. 14, p. 99 (1965).
(44) Kißt man die Anzahl der gestreuten Quanten jeweils innerhalb der Kohärenzzeit von 10-7 sec, so wird in dem Fall der Bestrahlung des Streuzentrums mit einer 2700°K Wolfram-Lampe, deren Leistung im gewünschten Bereich rund 1013 mal schwächer ist als der bei dem Gedankenexperiment verwendete 30-Watt-Laser (s. Zit. 40): NE = 105 Quanten/sec, und bei dS = #/100 NS = 0.01 Quanten/sec (s. Text): d. h. Selbst mit einem Meßgerät, das einzelne Photonen der Streustrahlung sicher zu messen in der £äage ist, wird nur einet von 100 Versuchen im statistischen mittel eine Anzeige liefern, bsw.'es werden in 1 sec (= 10+7 Kohärenzzeiten) im Mittel 100 gestreute Photonen gezählt. Um eine Photoschicht von 1m² Fläche und Korngröbe 0,1µm bei einer Quantenausbeute von 1 zu schwärzen, wäre demnach eine Belichtungszei von ca. 1012 sec = 32000 Jahren erforderlich.
(45) H. Weber : Laserinduzierte Plasmen-Kernfusion durch Laser.
Naturw. Rundschau 23,461 (1970).
(46) F. Floux et al., Compt. Rend. Acad. Sc. Paris 269 B. 697 (1969).
(4?) Z. D. Lawson, Proc. Phys. Soc. 70,5 (1957).
(48) R.W. Pohl: Einführung in die Optik, S. 292.
Berlin 19412u.3. Springer-Verlag.
(49) L.Spitzer: Physics of Fully Ionized Gases Interscience New York 1962.
(50) H. Kiemle u. D. Röss, op. cit., S. 260 f.
(51) J. Engel, Habilitationsschrift, Universität München 1967.
(52) G. Krause, Dissertation Universität München 1970.
(53) V. Ganser, Dissertation Universität München 1969.
(54) G. -Schwarz, Habilitationschrift Göttingen 1967.
(55) M. Eigen, Vortrag auf der'IIauptv:ers. d. Max-Planck-Ges.
Göttingen 1969.
(56) Wesentliche Voraussetzungen der von Abbé um 1875 geschaffenen Theorie des Auflösungsvermögens von Mikroskopen sind: a) Es handelt sich um ein ebenes optisches Abbildungssystem; b) Es soll nicht allein ein einziger Gegenstandspunkt gleichzeitig geometrisch scharf abgebildet werden, sondern unendlich viele Punkte, also alle Punkte eines Flächenelementes in der Nähe der optischen Achse des abbildenden Systems (s. Zit.
57,58).
Bei dem im folgenden beschriebenen Hofo-Scanning-Mikroskop handelt es sich nicht um ein Abbildungssystem im Sinne von Abbé, sondern um ein "System zur Verarbeitung von Lichtinformation", das mit dem von Abbe- untersuchten Fall nichts zu tun hat und das auf der Grundlage des physikalisch-technisclien kissens von 1875 nicht einmal denkbar gewesen ist: Wesentliche Elemente des Hofo-Scanning-Mikroskopes wie Elektronen, Photo effekt, Röhren u. Transistoren, LASER... wurden (teilweise viele Jahrzehnte später entdeckt.
(57) R.\I. Pohl, op. cit., S.Z) f.
(58) M. Born & E. Wolf: Principles of Optics, op.cit. S. 418 ff; M. Born: Optik, op. cit., (Ref. 11), S. 182 ff, usw.
(5g) Elektronenmikroskoptisch der Fa. HITACHI Ltd. (1970).
(60) M. Ingram & K. Preston Jr., Scient. Amer. 223,72 (Nov. 1970).
(61) M. W. Berns, D. E. Rounds and R. S. Olson, J. Exp. Cell Res.
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(63) Ch. Cremer & Th. Cremer: Gezielte Beeinflussung des Genoms höherer Organismen, Kolloquiumsvortrag Freiburg (Juli 1969).
(64) R. Rigler, A. Jost u. Ii. de layer, Exp. Cell Res. 62, 197 (1970).
(65) B.P. Zeigler and R. Weinberg, J. Theor. Biology 29, 35 (1970)

Claims

Neue. PatentansprEche.

1.) Verfahren zur Darstellung bzw. Modifikation von Objekt-Details, deren Abmessungen ausserhalb der sichtbare,n Wellenlängen liegen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß a) eine kohärente elektromagnetische Strahlungsquelle auf eine Fläche abgebildet wird, deren Abmessungen kleiner sind'als die Wellenlänge der kohärenten Strahlung, b) daß mittels der von dieser Fläche ausgehenden Strahlung ein Punkthologramm mit einem grossen Raumwinkel hergestellt wird, c) und daß das Objektdetail mittels des von diesem Hologramm gelieferten Lichtes punktweise abgetastet und auf einer Bildfläche, beispielsweise auf dem Schirm einer Fernsehempfangsröhre, dargestellt wird.

2.) Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hologramme der auf diese Weise erzeugten Rugel- bzw. Zylinderwellen in einem möglichst grossen Raumwinkel um 5 aufgenommen werden (4-E-Punkt Hologramme).

3.) Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 d a d u r ,c h g e k e n n z e i c h n e t, daß anstelle des Ausführungsformen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung geschildert.

Weitere Verbesserungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

(folgt Seite 1 (die nunmehr als Ib zu beziffern ist) unter gleichzeitiger Streichung der ersten 6 Zeilen der ursprünglichen Seite 1'und des Datums vom 22.12.1970) Streuzentrums auch ein parametrischer Oszillator entsprechender Grösse verwendet werden kann.

4.) Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d uxr c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Auseinanderf liessen eines Plasmas durch den Strahlungsdruck eines elektromagnetischen Wechselfeldes geeigneter Frequenz und Leistung verlangsamt wird.

5.) Anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das den Strahlungsdruck erzeugende elektromagnetische Feld durch '4-7r-Punkt Hologramme" bereitgestellt wird.

6.) Anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Deuterium bzw. Deuterium-Tritium Plasmen verwendet werden, die durch bekannte Mittel aufgeheizt werden.

7.) Anordnung nach Anspruch 4, d ad u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Frequenz des den Strahlungsdruck erzeugenden Feldes etwas höher ist als die Plasmafrequenz, derart, daß das Plasma gleichzeitig zusammengehalten und ihm ein Teil der Strahlungsenergie des Feldes zugeführt werden kann.

8.) Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Deuterium bzw. Deuterium-Tritium-Plasma sich in einer Deuterium bzw. Deuterium-Tritium-Atmosphäre befindet, deren Druck- bzw. Partialdruck-Verteilung und deren Menge so gewählt ist, daß das durch Anordnung nach Anspruch 7 auf Kernfusionstemperaturen aufgeheizte Plasma als Initialzünder zu weiteren kontrollierten Kernfusionen dient.

9.) Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß a) die am Plasma reflektierte Strahlung, b) die vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung, c) die durch Kernfusionen im Plasma bzw. in der umgebenden Deuterium oder Deuterium-Tritium-Atmosphäre frei werdende Energie als Energiequelle verwendet wird.

10.) Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das datenlesende oder datenspeichernde elektromagnetische Wechselfeld durch "4-1r-Punkt Hologramme" verwirklicht wird.

11;) Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g ek e n n -z e i c h n e t , daß das Speicherelement, dessen Inhalt gelesen oder geändert werden soll, sich im Zentrum (Fokus) der durch "4-rr-Punkt Hologramme" erzeugten elektromagnetischen Welle befindet, wobei die Speicherelemente aus Systemen aufgebaut sind, deren optisches Verhalten~durch elektromagnetische Strahlung reversibel oder irreversibel verändert werden kann.

12.) Anordnung nach Anspruch 11, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Speicherelemente organische Makromoleküle verwendet werden, die unter Erhaltung der chemischen Hauptbindungen verschiedene räumliche Strukturen annehmen können.

13.) Anordnung nach Anspruch 12, d å d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t ., daß Moleküle verwendet werden, die in zwei Ronformationen mit unterschiedlichem Dipolmoment existieren, und deren Umwandlungszeit so gewählt ist, daß bei geeigneter Intensität und Frequenz des umwandelnden elektromagnetischen Feldes eine Umwandlung von einer Foriii in die andere erfolgt.

14.) Anordnung' nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß Moleküle mit kooperativen Eigenschaften genommen werden, die bei geeigneter Wahl der Anordnung reversible oder irreversible schnelle Umwandlungen zulassen, die durch das elektromagnetische Wechselfeld induziert werden.

15.) Anordnung nach Anspruch 14, d a d'u r c h g e k e n-n -z e i c h n e t , daß in einem Speicherelement sich-inehrere molekulare Uinwandlungssysteme befinden, deren Umwandlungen durch elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Frequenz induziert werden.

16.) Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Ermittlung der optischen Struktur von.Objekten nach dem Scanning-Verfahren dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Objekt durch den Fokus einer Kugel- oder Zylinderwelle punktweise abgetastet wird, wobei die Kugel- oder Zylinderwellen auf holographischem Wege erzeugt werden.

17.) Anordnung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e, k e n,n -z e i c h n e t , daß der Objekt-Tisch schrittweise oder kontinuierlich bewegt wird, wobei die Intensität des abtastenden Fokus durch Amplitudenmodulation der auf das Hologramm auffallenden Referenzwelle variiert wird.

18.) Anordnung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß durch geeignete Wahl der Fokusintensität wahlweise eine zerstörungsfreie bzw. zerstörungsarme Analyse der optischen Struktur des Objektes und/oder eine selektive Bestrahlung kleiner Kompartimente des Objektes von der Grösse eines Fokusvolumens durchgeführt wird.

19.) Anordnung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Analyse eines Objektpunktes mit allen interessierenden Wellenlängen mittels einer entsprechenden Anzahl nach Anspruch 1 oder nach einem anderen Verfahren hergestelle-4-r-Punkt Hologramme durchgeführt wird.

20.) Anordnung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n et, daß speziell mit W-Laserlicht an vorher festlegbaren Chromosomenabschnitten in lebenden Zellen vererbbare Veränderungen erzeugt werden.

21.) Anordnung nach Anspruch 18, da a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t -, daß durch programmierte selektive Bestrahlung photosensitiver Materialien für die Mikroschaltkreistechnik Schaltkreisvorlagen auf das Material übertragen- werden.