DE2355655B2

DE2355655B2 - Vorrichtung zum Umwandeln eines Strahls elektromagnetischer Energie mit linearer Polarisierung der Welle

Info

Publication number: DE2355655B2
Application number: DE2355655A
Authority: DE
Inventors: Georges Robert Pierre Fontenayaux-Roses Marie (Frankreich)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-08
Filing date: 1973-11-07
Publication date: 1980-11-13
Also published as: GB1441975A; DE2355655A1; DE2355655C3; JPS49135552A; US3877789A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwand's dein eines Strahles elektromagnetischer Energie mit linearer Polarisierung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es dagegen

darum, die Wirksamkeit eines elektromagnetischen

w Strahles an einer bestimmten Stelle zu vergrößern, d. h.

an der betreffenden Stelle bzw. dem betreffenden kleinen Volumen hohe Energie aufwenden zu können.

Wie bekannt, sind Versuche gemacht worden, eine

thermonukleare Fusion im Laboratorium zu Stande zu

Y> bringen, indem die Energie von einem oder mehreren starken Lasern auf die Atome konzentriert wird, die reagieren sollen. Um zu gewährleisten, daß die entstehende Temperatur ein Maximum erreicht, muß die Energie auf ein minimales Volumen konzentriert

w) werden.

Es ist ferner bekannt, daß Laser linear polarisierte Wellen emittieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die linear polarisierte Ausbreitungsweise eines Strahles, M insbesondere eines Laserstrahles in einer Weise umzuformen, duß dessen elektrischer Feldverlauf nach Art einer z. B. £öi-Welle einem Kreis folgt. Diese Umformung hiit den Vorteil, daß sie eine wesentlich

stärkere Energie-Fokussierung erlaubt, als dies bisher möglich war.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet Weitere Ausbildungen ergeben si A aus Unteransprüchen.

Unter einer »Halbwellenschicht« wird eine dielektrisch wirksame Schicht verstanden, deren Länge für den Strahl etwa einer halben Wellenlänge entspricht; tritt der Strahl einfach hindurch, dann ist die Schichtdicke λ/2, tritt der Strahl durch Reflexion an der Rückseite zweimal hindurch, ist die Schichtdicke λ/4.

Nachfolgend werden Eigenschaften und Formeln erläutert und verwendet, die sich auf periodisch geschichtete Mittel, bekannt als Mehrfachschichten, beziehen.

Die mittleren Konstanten eines dünn geschichteten Mittels hängen von der Richtung der Wellenausbreitung ab, d.h. einer Ausbreitung parallel zu den Schichten oder einer Ausbreitung senkrecht zu dn Schichten. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich «ur um eine Ausbreitung parallel zu den Schichten, wobei der elektrische Vektor parallel oder senkrecht zu den Schichten liegt Ein mehrschichtiger Körper besteht aus einer Folge von homogenen Schichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungsindizes m und n-i und Dicken h\ und /fc. Angenommen, das Material sei nicht magnetisch, so sind die Brechungsindizes gleich der Quadratwurzel aus den Dielektrizitätskonstanten ει und 62. Wenn der elektrische Vektor parallel zu den Schichten verläuft so ist die mittlere dielektrische Konstante en des Materials

Wenn der elektrische Vektor normal zu den Schichten verläuft so ist die mittlere dielektrische Konstante el des Materials gleich

/lift

Diese Formeln sind aus Büchern über Mehrschichtkörper zu entnehmen, beispielsweise aus »Waves in Layered Media« von Leonid M. Brekhovskikh, Academic Press, 1960, Seite 83, Formel 7.13 und Seite 84, Formel 7.20.

Das dünn geschichtete Material hat demzufolge zwei Brechungsindizes, einen kleinen (langsamen) Index entsprechend einer langsamen Achse parallel zu den Schichten und einen hohen (schnellen) Index entsprechend einer schnellen Achse senkrecht zu den Schichten. Das Material verhält sich somit wie ein doppelt brechendes Material.

Die eingangs genannte Vorrichtung umfaßt nun eine erste optische Einrichtung zum Umformen des Strahles mit kreisförmigem Querschnitt in einen insbesondere ringförmigen Strahl mit einer radialen Energieverteilung mit einer Energie von Null längs zwei konzentrischen Kreisen und einem Maximum längs eines Kreises zwischen den beiden konzentrischen Kreisen, einer doppelt brechenden Halbwellenschicht, die diesen ringförmigen Strahl aufnimmt und eine langsame Achse hat, die an jedem Punkt der Halbwellenschicht mit der Tangente an gleiche Brennpunkte aufweisende Parabeln zusammenfällt die an diese Schicht gelegt sind, sowie eine schnelle Achse, die an jedem Punkt der Halbwellenschicht mit der Normalen zu diesen Parabeln zusammenfällt und eine zweite optische Einrichtung, die den Strahl fokussiert der aus dieser Halbwellenschicht an einem vorgegebenen Punkt austritt

Beispielsweise Ausfiihrungsformen der Erfindung werden nachfolgend im einzelnen anhand der Zeichnung erläutert in der

F i g. 1 in einem axialen Schnitt eine Polarisationsund Energieverteilungsvorrichtung nach der Erfindung sowie die Verwendung von Linsen zeigt;

ίο F i g. 2 zeigt einen Querschnitt eines Mehrschichtkörpers, wobei die Schichten die Form von parabolischen Zylindern haben;

Fig.3 zeigt perspektivisch den Mehrschichtkörper nach F i g. 2;

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei ■der Reflektoren verwendet werden;

F i g. 5 und 6 zeigen Beispiele für Reflektoren, die bei der Vorrichtung nach F i g. 4 verwendet werden;
F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform nach F i g. 4, die durch ein Photogravur-Verfahren erhalten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach F i g. 1 verwendet ein System von zwei Linsen 1 und 2. Die Linse 1 ist eine divergierende Linse mit einer ebenen Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche mit einer im wesentlichen hohlen kegeligen Oberfläche. Sie nimmt am Eingang einen Gaußschen Strahl O\ auf, der durch einen nicht gezeigten Laser erzeugt worden ist und formt den einfallenden Strahl in einen kegeligen Ausgangsstrah- Oi um. Wie F i g. 1 zeigt ist der im Längsschnitt konische Strahl ein hohler, d. h. innen leerer Strahl, bei dem die Wellenenergie zwischen einem äußeren und einem inneren Kegel konzentriert ist. Der konische bzw. hohlkegeiige Strahl fällt auf einen Mehrschichtkörper, nämlich der Halbwellenschicht 3, die auf der ebenen Fläche einer zweiten Linse 2 angeordnet ist dem Strahl einen kreisförmigen Verlauf des elektrischen Feldes verleiht, wie dies noch erläutert wird. Die Linse 2 fokussiert diesen Strahl auf den Verwendungspunkt, d. h. den Ort, an dem ein Strahl hoher Energie verlangt wird.

Bestimmung der divergierenden Linse: Die Abmessungen der Linsen 1 und 2 und die Form der kegeligen Fläche der divergierenden Linse 1 werden berechnet, damit die Gaußsche Verteilung in dem Strahl O\ mit Kreisquerschnitt umgeformt wird in eine parabolische Verteilung in dem ringförmigen Strahl Οι.

In dem Gaußschen Bündel O\ parallel zur Achse Oz, ist die elektrische Feldstärke durch die folgende Formel gegeben:

^ . j _n>

E = E₀C /σ (->)

wobei r der Abstand eines Punktes des Bündels zur Achse Oz und σ eine Konstante ist.

Der Anteil Fi der Gesamtleistung, der in der Linse 1 durch den Kreis des Strahls mit dem Radius η verläuft, ist gegeben durch die Formel:

/E²2:rrdr

S E² 2 τι rar
ο

Inder Ebene der Linse 2 soll das Feld E_r in einem Ring verteilt sein, beispielsweise entsprechend der Formel:

E, = E₀Ib²-(r₂-ci)²~\

für (a — b)<r2<(a + b). und es soll Null sein außerhalb dieses Raumes, so daß b<a. Der Anteil F-> der

Gesamtleistung, der in der Linse 2 durch den Kreis des Strahls mit dem Radius R₂ hindurchgeht, ergibt sich aus:

5b 32α

16

(5)

R₂ = bu(v) + a

Mit c wird der Abstand zwischen den beiden Linsen und mit ei (r\) die Dicke der Linse 1 in Abhängigkeit von r, bezeichnet. Unter Berücksichtigung des Brechungsindex η des Materials und des bekannten Ablenkungsgesetzes für kleine Winkel ergibt sich:

Oe₁ R₂

_*.„(,,,+ £._ IL (6)
c cc

oder als Integral

_ba]

~ c J

u(v)dv-i + ^L

(7)

Die Gleichung 7 bestimmt vollständig die Form der Umdrehungsfläche, die die Ausgangsfläche der Linse 1 bildet.

Nachdem damit gezeigt ist, wie man die Energie des Bündels in einem Kreisring verteilt, soll nunmehr erläutert werden, wie man das Äquivalent der Halbwellenabschnitte zum Orientieren des elektrischen Feldes tangential in bezug auf die die Achse Oy umgebenden Kreise verwendet

In der Lichtoptik schneidet man im allgemeinen die Halbwellcnschichten in anisotrope Kristalle, jedoch kann man sie auch aus du inen, abwechselnden Schichten unterschiedlicher Indices stapeln.

Wenn man abwechselnd Schichten einer Dicke p\ und einer Dielektrizitätskonstante ει sowie einer Dicke pi und einer Dielektrizitätskonstante 82 stapelt, und wenn die Summe der Dicken (p_x +P₂) erheblich geringer als die Wellenlänge in dem Material mit der höheren Dielektrizitätskonstante ist, verhält sich die Anordnung gegenüber Licht wie ein homogenes, anisotropes Material.

Es ist zweckmäßig, folgenden Parameter zu verwenden:

Gleichungen 1 und 2 werden:

Pi-

Pi+Pz

2 Fi F₂

+F2— <*(^F1 ~^F2)

1'

(8)

(9)

Der Parameter λ ändert sich von —1 bis +1, die jeweils für p\ = 0 und pi=0 erreicht werden.

Verwendet man nunmehr einen neuen Parameter β so läßt sich schreiben:

R₂ - a

mit « = -~—
b

Die Tatsache, daß F₂ gleich F\ gesetzt werden soll, ίο gestattet die Berechnung von R₂ in Abhängigkeit von η oder sogar u in Abhängigkeit von v(indem man v= n/o setzt). Daraus ergibt sich:

Für Wellen mit einer Wellenlänge von 10 μ aus CO;-Lasern sind die am häufigsten verwendeter transparenten Materialien Germanium und Zinksulfid deren Dielektrizitätskonstante jeweils die Werte 16 unc 4 haben. Man kann ebene dünne Schichten durch Kondensation von Dämpfen herstellen und damit alternative Anordnungen aus Germanium und Zinksul fid schaffen, die ausreichend feste Blöcke bilden, derer optische Eigenschaften im Bereich der Wellenlänge vor 10 μ diejenigen von anisotropen Kristallen sind. Mar schneidet nunmehr aus diesem Pseudo-Kristall Scheiber oder Abschnitte von parallelen Flächen, wobei diess

Flächen senkrecht zu den abwechselnden Schichten au: Ge und ZnS liegen. Wenn ein geradlinig polarisiertes Lichtbündel senk-

recht auf diese Schicht mit parallelen Seitenflächen fällt so ist seine optische Bahn nicht dieselbe, je nachdem, ob das elektrische Feld parallel zu der langsamen Achse d. h. parallel zu den Lagen oder parallel zu der schneller Achse, d. h. senkrecht zu den Lagen, liegt Man nenm diese Schicht oder Scheibe mit parallelen Seiten eine Halbwellenschicht 3, da die Differenz der optischer Bahn eine halbe Welle beträgt wie aus folgendei Formel hervorgeht in der mit / die Dicke der Schicht bezeichnet ist:

40

Daraus ergibt sich, daß beim senkrechten Durchque-

ren einer Halbwellenschicht durch eine geradlinig polarisierte Welle die Polarisationsrichtungen beim Eintreten und Austreten symmetrisch in bezug auf die schnelle und langsame Achse sind. Diese Eigenschaft soll ausgenutzt werden.

Gemäß Fig.2 und 3 werden die abwechselnden Schichten 6 und 7 durch parabolische Zylinder mit gleichem Brennpunkt begrenzt Die Brennpunktlinie dieser Zylinder, d. h. die Achse Oz, ist die Ausbreitungsrichtung der Wellen. Die Achsen der Parabeln liegen in der Ebene xOz senkrecht zu der Zeichenebene. Die Lagen haben eine unterschiedliche Dicke, da dei Abstand zwischen zwei parabolischen Zylindern an dei »Spitze« der Parabel einen minimalen Wert annimmt jedoch kann das Verhältnis zwischen den Dicken zweier benachbarter Lagen um denselben Punkt herum als konstant angesehen werden, so daß man aufgrund dieses Verhältnisses an jedem Punkt die Dielektrizitätskonstanten en und Bl ausrechnen kann, die überall dieselben Werte haben.

Die Orientierung der langsamen und schnellen Achsen an jedem Punkt ergeben sich durch die Tangente und die Normale an die durch diesen Punkt verlaufende ParabeL

Bei von Wellen getroffenen Körpern mit Oberflächen »zweiter Ordnung« sind die Tangente und die Normale in einem Punkt einer derartigen Oberfläche die Winkelhalbierenden der von den Brennpunkten ausgehenden und zu diesen Punkten verlaufenden Vektoren. ■-> Im FaI! einer Parabel ist einer der Brennpunkte in das Unendliche in Richtung der Achse verschoben. Daraus ergibt sich, daß in jedem Punkt ein Vektor des einfallenden elektrischen Feldes parallel zur Achse der Parabel und ein Vektor senkrecht auf die Parabelachse ι ο symmetrisch in bezug auf Achsen sind, die durch die Tangente und die Normale an die Parabel gebildet werden und durch denselben Punkt verlaufen.

Daraus ergibt sich, daß, wenn die Höhe der parabolischen Zylinder (d. h. die Dicke der Anordnung in Richtung Oz^derari bemessen ist, daß die Schicht mit parallelen Flächen, die auf diese Art gebildet ist, eine Halbwellenschicht ist, die linear polarisierten einfallenden Wellen, deren Polarisations-Vektor A_ei„ des z. B. magnetischen Feldes parallel zu der Achse Ox der Parabel ist, mit einem radial gerichteten Polarisations-Vektor A_am von der Brennpunktsgeraden ausgehen. In gleicher Weise treten die linear polarisierten einfallenden Wellen des elektrischen Feldes, dessen Polarisations-Vektor Bem parallel zu der Achse Oy ist, mit einem orthoradial gerichteten Polarisations-Vektor B,_us aus, so daß die Feldlinien zu kreisen werden, deren Mittelpunkte auf der Brennpunktsgeraden liegen und den oben erwähnten »kreisförmigen Verlauf« ergeben.

Ferner wird die Frage der Adaption wie folgt jo geregelt Wenn die Schichtteile bzw. Linsen aus Germanium mit einem Wert ε = 16 hergestellt werden, müssen antireflektierende Schichten aufgebracht werden, die in der Praxis Schichten aus Zinksulfid (ε=4) sind, deren Dicke ein ganzzahliges Vielfaches einer r> Viertel-Wellenlänge in diesem Material sind.

Es ist daher festzustellen, unter welchen Bedingungen die mehrlagigen Halbwellenschichten aus Ge und Zns als Adaptionsschicht für Germanium dienen können. Zunächst sollten die beiden Indices in der Nähe des Index des Zinksulfids liegen. Anders ausgedrückt sollten in dem anisotropen Medium die Germaniumlagen eine geringe Dicke haben gegenüber der Dicke der Lagen aus Zinksulfid.

Die Adaptionsbedingungen in Verbindung mit der Bedingung des Effekts einer Halbwellenschicht sind folgende:

= (2K ₊ I)J

50

(13)

K ist eine ganze, große Zahl, die um so größer ist je mehr ε*, und en nahe beieinander und in der Nähe von ε des reinen Zinksulfids liegen. Durch Ausrechnen der Verhältnisse und quadrieren der Gleichung (12) ergibt sich unter Berücksichtigung der Gleichung(lO):

55

_fL_ 1-«*/»* /2K +IV 2

'ν l-/*² \2K-\) K

(14)

65 Diese Gleichung ermöglicht es, a.² auszurechnen:

»² = l-(2x US)/K

Und wenn a in der Nähe von 1 liegt, ergibt sich <* = 1-1,78/K (15)

Aus der Gleichung (11) ergibt sich für die Werte der Dielektrizitätskonstanten:

ta-

Λ₊Λ
¹V ' 3/cy

(16)

IK

Unter Bezugnahme auf die Gleichung (13) gestattet die Gleichung (16) die Berechnung der Dicke / der Halbwellenschichten. Das System ist auf diese Weise vollständig bestimmt

Nunmehr soll unter Bezugnahme auf F i g. 4, 5 und 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden, bei der anstelle von Linsen ein optisches Reflexionssystem verwendet wird.

Es ist allgemein bekannt, daß man stets zur Erzielung eines gegebenen optischen Effektes eine Linse durch einen Spiegel ersetzen kann.

Erfindungsgemäß ist ein System aus elektrisch leitfähigen Gittern 10 vorgesehen, das in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge von einem ebenen Spiegel 12 angeordnet ist der durch Reflexion denselben Polarisationswechsel wie die oben beschriebene, anisotrope Schicht bewirkt. In erster Annäherung läßt sich sagen, daß die parallel zu den Stäben des Gitters 10 polarisierten Wellen durch dieses Gitter 10 reflektiert werden, während die senkrecht zu diesen Stäben polarisierten Wellen durch das Gitter 10 hindurchgehen und eine Viertel Wellenlänge später durch den ebenen Spiegel 12 reflektiert werden. Die letztere Komponente der elektromagnetischen Strahlung wird demnach um eine halbe Wellenlänge in bezug auf die parallel zu den Stäben polarisierte Wellenlänge phasenverschoben.

Es handelt sich demnach um einen Effekt der demjenigen entspricht, der in der Optik durch anisotrope »Halbwellen«-Schichten entsteht.

Oben ist bereits erläutert worden, wie man — indem man die langsamen Achsen in jedem Ort als Tangenten eines Netzes aus Parabeln mit gleichem Brennpunkt ausbildet — ein System erhält, das die linear polarisierte Welle in eine Welle umwandelt deren elektrische Feldlinien Kreise sind, die die Brennpunktsgerade des Parabelnetzes umgeben.

Nunmehr soll gezeigt werden, daß sich derselbe Effekt einstellt, indem man die metallischen, reflektierenden Gitter 10 durch Parabeln mit einem Brennpunkt begrenzt

Gemäß Fig.4 spielen die Spiegel 4 und 5 genau dieselbe Rolle wie die Linsen 1 und 2 der F i g. 2.

Die Einrichtung zum Umformen der Polarisation ist mit 3 bezeichnet und entspricht der Halbwellenschicht 3 der Fig.2. Diese Einrichtung ist in Fig.4 im Schnitt

vergrößert gezeigt und erscheint in F i g. 5 in Vorderansicht. Eine Einzelheit dieser Einrichtung ist in stark vergrößertem Maßstab in F i g. 6 im Schnitt gezeigt.

Oben ist errechnet worden, wie die Dicke der Linsen in Abhängigkeit von dem Abstand zur Mittelachse zu verändern ist, damit das Gaußsche Bündel, das durch den Laser abgegeben wird, durch die Linse 1 in ein kegelförmiges Bündel und durch die Linse 2 (Fig. 2) in ein konvergierendes Bündel umgewandelt wird.

Die Rechnung läßt sich leicht an dem Fall der Verwendung von Spiegeln 4, 5 anpassen, die im vorliegenden Falle mit einem Einfallswinkel sehr nahe an der Senkrechten verwendet werden. Die Ablenkung der Strahlen in bezug auf die Ausbreitungsachse sollte in beiden Fällen dieselbe sein.

Im folgenden sol! mit e(rj die Dicke der Linse als Funktion des Abstands r des betrachteten Punktes dieser Linse zur Mittelachse der Einrichtung und mit η der Brechungsindex des die Linse bildenden Materials bezeichnet werden, ferner mit e'(r)der Abstand jedes Punktes des Spiegels zu einer Bezugsebene als Funktion des Abstands r des betrachteten Punktes zu derselben Mittelachse.

Im ersteren Falle ist der Ablenkungswinkel der

Strahlen (n- 1) -£■; im zweiten Falle 2 £. Die Übertragung der Rechnung vom Falle der Linsen auf den Fall der Spiegel ist daher einfach, und es läßt sich daher leicht festlegen, welche Oberflächen die Spiegel 4 und 5 (F i g. 4) aufweisen müssen.

Die Einrichtung zum Umformen der Polarisation ist in den F i g. 5 und 6 genauer dargestellt. In F i g. 5 erkennt man die Anordnung in Vorderansicht und in F i g. 6 im Detailschnitt entlang einer Ebene senkrecht zu dem Gitter, beispielsweise entlang der Linie AB in Fig. 5.

Gemäß F i g. 6 ist das metallische Gitter 10 von dem metallischen Spiegel 12 durch eine transparente Substanz 11 mit der Dicke einer Viertel Wellenlänge getrennt, wobei die Länge der Welle in dieser Substanz gemessen wird. Die Unterlage 13 wirkt lediglich mechanisch auf die Funktion des Systems ein, es ist jedoch zweckmäßig, daß sie denselben Wärmeleitkoeffizienten aufweist, wie die Substanz 11.

Die Abmessungen des Systems sollen nunmehr für den Fall von Wellen mit einer Wellenlänge von 10 μ genauer angegeben werden. Als transparente Substanz 11 wird Zinksulfid verwendet, das für diese Wellenlänge einen Index in der Nähe von 2 aufweist; die Dicke der Substanz 11 beträgt etwa 1,25 μ.

Die Anordnung ist wie folgt aufgebaut.

Als Unterlage 13 kann ein Glas mit demselben Wärmeleitwert svie das Zinksulfid verwendet werden. Diejenige Fläche, auf der die Umformung der Polarisation erfolgt, wird sorgfältig poliert, und sodann wird eine Goldschicht 12 mit 0,1 bis 0,2 μ Dicke durch Vakuumkondensation aufgebracht Anschließend wird durch dasselbe Verfahren eine Schicht von 1,25 μ Zinksulfid und eine weitere Goldschicht von 0,1 μ Dicke aufgebracht, in die man das Gitter 10 durch Photogravur einschneidet Zu diesem Zweck wird der Goldfilm mit einem photoempfindlichen Harz überzogen, auf das man mit Hilfe von ultravioletten Strahlen mit geeigneter Reduktion ein Bild des angestrebten Gitters 10 in großem Maßstab projiziert Die Verfahrensschritte zur Herstellung des Bildes sind bekannt Die Goldschicht wird angegriffen, und die verbleibende Harzschicht wird abgenommen.

Damit das System arbeitet, ohne daß Interferenzränder entstehen, sollte der Abstand zwischen den Achsen der Gitter 10, der in F i g. 6 mit b bezeichnet ist. kleiner sein als die Wellenlänge in Luft. Beispielsweise können die Bahnen des Gitters 10 4 μ breit sein, und der Zwischenraum zwischen diesen kann 3 μ betragen.

Die Ebene des »Kurzschlusses« für die parallel zu dem Gitter 10 polarisierten Wellen ist die Ebene des Gitters 10, während dieselbe Rolle für die senkrecht

ίο polarisierten Wellen durch die Ebene des Spiegels 12 gespielt wird. Dies gilt jedoch nicht ausnahmslos. Wenn der Spiegel 12 und die Substanz 11 mit der Dicke einer viertel Wellenlänge eine unendliche Impedanz in der Ebene des Gitters 10 erzeugen, ist die elektrische Impedanz des Systems gegenüber den Wellen die impedanz des Gitters 10, d. h. είπε Induktanz, wenn das elektrische Feld parallel zu dem Gitter 10 liegt, und eine Kapazität, wenn es senkrecht zu diesem liegt. Eine Konsequenz des Satzes von Babinet ist es, daß die Werte dieser Impedanzen umgekehrt in bezug auf einander sind, so daß man, wenn man die einfallende ebene Welle entsprechend einer Komponente, die parallel zu dem Gitter 10 polarisiert ist, und einer senkrecht zu dieser liegenden Komponente verlegt, die beiden Komponenten durch Reflexion einer Phasenverschiebung von 180° in bezug aufeinander unterworfen werden. Damit ist die Vorrichtung zur Umformung der Wellenform vollständig bestimmt.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Abwandlung des Reflexionssystems, die von dem System der F i g. 5 und 6 in bezug auf das Herstellungsverfahren abweicht. Zur Herstellung wird eine Gravur zur Schaffung des Netzes oder Gitters der Reflexionselemente verwendet. Einer der Vorteile dieses Verfah- rens liegt darin, daß es ermöglicht, eine Vorrichtung zu schaffen, die gegenüber Wellenstrahlungen widerstandsfähiger ist, die Höchstleistungen in der Größenordnung von Megawatt und darüber aufweisen, da die Photogravur für das massive Metall verwendet wird. Zu diesem Zweck wird ein metallischer Spiegel, beispielsweise aus poliertem Kupfer, mit einer lichtempfindlichen Harzschicht überzogen, in die man durch ultraviolette Strahlen entsprechend der gewünschten Form (beispielsweise entsprechend Fig.5) einwirkt, indem man das Metall an den Stellen freiläßt, die ausgearbeitet werden sollen. Anschließend bringt man das Teil in ein ausreichend warmes (60 bis 80° C) Sulfochrombad und führt die Entnahme des Metalls durch Elektrolyse durch. Die auf diese Art ausgehöhlten Rinnen sind gleichmäßig genug, jedoch ist ihr Profil zu ungenau, als daß die Reflexionsbedingungen der Strahlen in Abhängigkeit ihrer Polarisation genau berechnet werden könnten. Man nähert sich daher nach und nach an die endgültige Tiefe der Aussparungen an.

Diese Art der Ausführung der Erfindung geht am besten aus F i g. 7 hervor, die einen Teil des durch das zuletzt erwähnte Verfahren hergestellten Gitters zeigt

F i g. 7 ist bezogen auf ein System von rechtwinkligen Achsen Ox ,, y_u z, wobei die Ebene der Achsen Ox, und Oy, parallel zur Ebene Oxy der F i g. 5 ist, während die Achsen Ox,, Oy, jeweils parallel und senkrecht zu jedem Punkt der örtlichen Richtung der Grundlinien der Nuten 22 liegen, die in der oberen Oberfläche des Metallblocks 21 ausgespart sind. Diese Linien sind Zweige von Parabeln mit gleichem Brennpunkt die in einer Ebene parallel zu Ox,y, liegen. Die Bereiche sind überzogen mit lichtempfindlichem Harz 23 und sind nicht ausgenommen, so daß sie nicht reflektierend wirken. In

der Zeichnung sind die Linien, die diese Bereiche begrenzen, sowie die Grundlinien der Nuten 22 geradlinig dargestellt, da lediglich ein sehr kleiner Teilbereich der Länge der fraglichen Linien gezeigt ist, für den die Achsen Ox\ und Oy\ als Achsen mit fester Richtung betrachtet werden können.

Die einfallenden Wellen werden parallel zu Oz in Richtung des Pfeiles projiziert. Die Komponenten dieser Wellen, die eine Polarisation parallel zu Ox\ aufweisen, können nicht bis auf den Grund der Nuten 22 eindringen, da deren Breite a\ sehr viel kleiner als die mittlere Wellenlänge λ/2 dieser Wellen ist. Andererseits können die Komponenten dieselben Wellen, die parallel zu Oy\ polarisiert sind, vom Boden der Nuten 22 reflektiert werden, deren Tiefe derart eingestellt ist, daß sie diesen ieizieren Weilen einen zusätzlichen Weg von λ/2 in bezug auf die parallel zu Ox\ polarisierten Wellen auferlegen.

Zur praktischen Herstellung der Form der Parabeln, oder genauer des ultravioletten Bildes des Netzes der Parabeln, das auf die lichtempfindliche Harzschicht 23 projiziert wird, wie oben erläutert wurde, verwendet

man eine Spezialdruckeinrichtung, die durch einen Rechner gesteuert wird und deren Druckteil das Netz, ausgehend von folgender Formel

Rx² n\ßj n]fl\ 4R

y =

ausbildet, wobei R eine Konstante mit der Dimension einer Länge, n\ eine ganze Zahl, die den Wert aufeinanderfolgender ganzer Zahlen annimmt, und ß\ der Abstand zwischen zwei benachbarten Parabeln ist. Durch eine Rechnung läßt sich zeigen, daß die verschiedenen Parabeln, die durch diese Formel dargestellt werden, einen gemeinsamen Brennpunkt aufweisen sowie eine konstante Entfernung zu einem gleichen Abstand R von dem gemeinsamen Brennpunkt als Ursprung der Achsen Oxy der F i g. 5.

Wenn mit Hilfe des Rechners und der erwähnten Druckeinrichtung das Netzbild der gewünschten Kurven hergestellt ist, werden diese photographisch verkleinert, damit sie die geeigneten Abmessungen zur Anwendung für das erwähnte Photogravurverfahren erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Umwandeln eines Strahles elektromagnetischer Energie mit linear polarisierter Welle des Strahls in einen Strahl mit solcher Polarisienmg, bei der sich die Vektoren des elektrischen Feldes im wesentlichen längs Kreisen um die Strahiachse erstrecken bzw. mit zirkularer Polarisierung, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang der linear polarisierten Welle eine mehrlagige anisotope Halbwellenschicht (3) mit folgenden Merkmalen eingesetzt ist:

a) die Ebene der Halbwellenschicht (3) verläuft im wesentlichen rechtwinklig auf die Wellenfortpflanzungsrichtung bzw. Strahltich Hing (Z);

b) in der Ebene der Halb wellenschicht (3) wechsein Schichtteile (6, 7; 10,11,12) unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante miteinander ab;

c) die Schichtteile (6,7; 10) bilden in der Ebene der Halbwellenschicht (3) ein Netz von Parabeln;

d) die Brennpunkte der Parabeln fallen auf einem auf der Strahlachse (Z) befindlichen Punkt (O) zusammen, so daß

e) die langsame Achse der Wellenfortpflanzung an jeder Stelle jeder Parabel die Tangente (M) zu der betreffenden Parabel an jener Stelle und

f) die schnelle Achse der Wellenfortpflanzungsrichtung an jeder Stelle jeder Parabel die Normale zu der betreffenden Parabel an jener Stelle bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwellenschicht (3) die Polarisierung eines im Querschnitt ringförmigen Strahles umwandelt, dessen Energieverteilung über den Querschnitt des noch nicht aufgespaltenen Strahles einer Gaußschen Verteilung entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenteile (6, 7) der Halbwellenschicht (3) parabolische Zylinder bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Schichtteile (6, 7) unterschiedliche Dielektrizitätskonstante (ει, E₂) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken (p\, pz), deren Schichtteile (6, 7) so bemessen sind, daß die Summe (p\+f>i) erheblich geringer ist als die Wellenlänge im Schichtteil mit der größeren Dielektrizitätskonstante (E₂).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtteile (6, 7) abwechselnd aus Germanium und Zinksulfid bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schichtteile (6, 7) ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge des Strahles des betreffenden Schiichtenteils (6, 7) ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwellenschicht (3) an der ebenen Fläche einer als Strahlensammler dienenden Linse (2) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz von Parabeln von einem elektrisch leitfähigen, Wellen reflektierenden Gitter (10; 23) gebildet ist, das im Abstand einer Viertel-Wellenlänge in

Strahleinfallsrichtung vor einer strahlreflektierenden Reflexionsschicht (12) angeordnet ist

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (10) auf einer für den Strahl transparenten Schicht (11) aufgetragen ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schicht (11) aus Zinksulfiden besteht

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (12) auf Glas (13) aufgetragen ist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (b) zwischen den Mittellinien der Bahnen des Gitters (10) kleiner als die Wellenlänge des Strahls in Luft ist

14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen des Gitters (10) etwas breiter als deren Zwischenraum gewählt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter von den erhabenen Teilen einer Metallplatte (23) gebildet ist die zwischen den Gitterbahnen Nuten (22) mit einer Nuttiefe von einem Viertel der Wellenlänge des Strahles in Luft aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutbreite (a\) wesentlich kleiner ist als die halbe Wellenlänge des Strahls in Luft.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwellenschicht (3) den von einem Spiegel (4) aufgespaltenen Strahl zu einem als Strahlensammler dienenden Spiegel (5) reflektiert.

18. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung energiereicher Strahlen für thermonukleare Reaktionen.