DE2633036C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Änderungen der Eigenschaften eines Speichermediums in drei Dimensionen, bei dem wenigstens zwei einander schneidende Strahlen gleicher physikalischer Art gleichzeitig oder nacheinander auf das sich in einem Ausgangszustand befindliche Medium einwirken und dadurch die Eigenschaftsänderungen bewirken sowie nach diesem Verfahren hergestellte dreidimensionale Volumenrechnerspeicher und optische Elemente sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Volumenrechnerspeichers.The invention relates to a method for generating Changes to the properties of a storage medium in three dimensions in which at least two each other intersecting rays of the same physical type at the same time or one after the other Act medium in the initial state and thereby effecting the property changes as well as after three-dimensional volume calculator memory manufactured using this method and optical elements and an apparatus for producing a three-dimensional volume calculator memory.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 17 97 599 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren wird vorwiegend zur Erzeugung eines reellen dreidimensionalen Bildes verwendet und zielt darauf, vor allem preisgünstige Formen für andere Herstellungsverfahren zu schaffen. Alle in der DE-OS 17 97 599 beschriebenen Medien arbeiten mit Ein-Photonen-Reaktionen bzw. mit chemischen Umwandlungen aufgrund solcher Absorptionen. Diese haben allesamt den Nachteil, daß sie zu sehr langsam sich abbauenden Zwischenzuständen führen, welche den Einsatz solcher Medien als Speichermedien sehr stark einschränken bzw. unmöglich machen.A method of this type is known from DE-OS 17 97 599 known. The procedure described there is mainly to create a real three-dimensional Image uses and aims above all inexpensive molds for other manufacturing processes to accomplish. All described in DE-OS 17 97 599 Media work with one-photon reactions or with chemical transformations due to such absorptions. These all have the disadvantage that they are too much slowly degrading intermediate states lead which the use of such media as storage media restrict very much or make it impossible.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsfähigeres Verfahren der eingangs genannten Art sowie nach diesem Verfahren hergestellte dreidimensionale Volumenrechnerspeicher und optische Elemente und eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Volumenrechnerspeicher anzugeben, um nicht nur die Herstellung von Formen, sondern auch von hochwertigen und neuartigen optischen Elementen und Volumenrechnerspeichern zu ermöglichen.The present invention is based on the object a more efficient process of the aforementioned Art as well as three-dimensional volume calculator memories produced by this method and optical elements and a device for operating according to this method Specify the production of three-dimensional volume calculator memory, to not only manufacture Shapes, but also of high quality and novel optical elements and volume calculator memories enable.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Medium nur eine einzige, durch elektromagnetische Strahlen in Form einer Multiphotonen-Absorption erregbare Komponente enthält, welche über zumindest einen zeitlich begrenzten erregten Zwischenzustand in einen chemisch stabilen Endzustand überführt wird, und daß die elektromagnetischen Strahlen jeweils unterschiedliche Quantenenergien bzw. Frequenzen besitzen und an das multiphotonen photoaktive Absorptionsspektrum dieser einzigen Komponente angepaßt sind. Weiter sind zur Lösung der Aufgabe Volumenrechnerspeicher, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Volumenrechnerspeichers und ein optisches Element gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 12, 13 und 17 angegeben.To solve this problem, the invention provided that the medium only through a single electromagnetic radiation in the form of multiphoton absorption contains excitable component which over at least a temporary aroused Intermediate state into a chemically stable final state is transferred and that the electromagnetic radiation different quantum energies or Own frequencies and the multiphoton photoactive absorption spectrum of this one Component are adjusted. Next are to solve the task Volume calculator memory, a device for producing a volume calculator memory and an optical element according to the features of claims 12, 13 and 17 specified.
Gleichzeitig mit der Entwicklung der Erfindung trat in den vergangenen Jahren ein intensives Interesse auf Seiten theoretischer Optiker wie z. B. Duncan Moore (Journ. Optical Soc. of America, Bd. 61, Nr. 7, S. 886-894), Luneburg, Sands und anderen an der Vereinfachung und Verbesserung des Aufbaus gebräuchlicher optischer Systeme auf, welche durch die Möglichkeit entstehen würden, genaue und verläßliche Veränderungen des Brechungsindex in beträchtlichen Teilen von linsenartigen Bestandteilen einzuführen. Bis jetzt war der beste Weg, diesen theoretischen Materialien näherzukommen, die Ionen-Diffusionstechnik. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur Herstellung dieser inhomogenen optischen Bestandteile anwenden, wobei es möglich ist, die Symmetrieeigenschaften, die Eigenschafts-Änderungsraten und die Grenzbedingungen vollständig zu steuern. Dieser Bereich von Aufbaumöglichkeiten ist der Ionendiffusion oder anderen bekannten Methoden weithin überlegen, und zusätzlich erlaubt die Erfindung, daß eine Echtzeitüberwachung und eine Rückkopplung benutzt wird, um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen.At the same time as the development of the invention occurred the past few years On the part of theoretical opticians such as B. Duncan Moore (Journ. Optical Soc. Of America, Vol. 61, No. 7, pp. 886-894), Luneburg, Sands and others at the Simplification and improvement of the construction more common optical systems, which by the Possibility would arise, accurate and reliable Changes in the refractive index in considerable Introduce parts of lenticular components. To now the best way was this theoretical Approaching materials using ion diffusion technology. The inventive method can be used Production of these inhomogeneous optical components apply, where it is possible to adjust the symmetry properties, the property change rates and the Control boundary conditions completely. This area of construction options is ion diffusion or widely superior to other known methods, and in addition, the invention allows real time monitoring and a feedback is used to the Simplify manufacturing process.
Die Erfindung führt als neuartiges Mittel zur gesteuerten Anordnung von Inhomogenitäten innerhalb von Materievolumen Wechselwirkungssysteme zwischen ausgewählten Strahlungszuständen und darauf reagierenden Materialien ein, die bis jetzt nur in der erst neuerdings entdeckten Zwei-Photonen-Spektroskopieanalyse und bei laser-induzierten selektiven photochemischen Reaktionen verwendet wurden. Über die Lehre der DE-OS 17 97 599 bzw. der verwendeten US-PS 40 41 476 hinausgehend beschreibt die Erfindung zusätzliche Unterteilungen der bekannten Systeme nach Klasse I und der Systeme (Wechselwirkungssysteme) nach Klasse II gemäß der US-PS 40 41 476. Während diese schon früher bekannten Systeme auf üblichen Ein-Photonen-Reaktionen beruhten, die entweder gleichzeitig oder nacheinander in einer Matrix ausgeführt wurden, benutzt das neue, strukturenbildende System der Klasse I Gruppe 3 das Phänomen der gleichzeitigen Viel-Photonen-Absorption einer einzigen erregbaren Art (Mediumkomponente) bei Erregung von Strahlungszuständen verschiedener Energien. Das neue strukturbildende System der Klasse II Gruppe 2 benutzt die schrittweise oder sequentielle Viel-Photonen-Anregung einer einzigen erregbaren Art bei Erregung von Zuständen mit verschiedenen Energien, wobei die Zwischenschrittbedingung auf den angeregten Zustand beschränkt ist. Das neue strukturbildende System der Klasse II Gruppe 3 benutzt die schrittweise oder sequentielle Viel-Photonen-Anregung einer einzelnen anregbaren Art, wobei mindestens eine der Zwischenschrittbedingung auf den angeregten Zustand beschränkt ist. Das neue strukturbildende System der Klasse II Gruppe 3 benutzt die schrittweise oder sequentielle Viel-Photonen-Anregung einer einzelnen anregbaren Art, wobei mindestens eine der Zwischenschrittbedingungen ein Grundzustand ist. Diese strukturierten Materialien im angeregten Zustand dienen entweder direkt oder durch darauffolgende Wechselwirkung mit Komponenten des Mediums dazu, die strukturierten Produkte der Erfindung zu erzeugen. Bei verschiedenen bemerkenswerten Abwandlungen der Erfindung kann das Medium Transparenz gegenüber einzeln auftretender Anregungsstrahlung aufweisen, was bemerkenswerte Effekte erlaubt, die mit einfachen Photoreaktionen nach Grotthus-Draper nicht zu erzielen sind.The invention leads to a novel means controlled arrangement of inhomogeneities within Matter volume interaction systems between selected radiation states and thereon reacting materials that so far have only been used in the only recently discovered two-photon spectroscopy analysis and with laser-induced selective photochemical reactions were used. About the Teaching of DE-OS 17 97 599 or the US-PS used 40 41 476 goes beyond the invention additional subdivisions of the known systems Class I and the systems (interaction systems) to class II according to US-PS 40 41 476. While this previously known systems on usual One-photon reactions were based either simultaneously or sequentially in a matrix the new, structure-building Class I system Group 3 the phenomenon of simultaneous multi-photon absorption of a single one excitable type (medium component) upon excitation of radiation states different energies. The new structure-building Class II system Group 2 uses the gradual or sequential multi-photon excitation of a single one excitable type with excitation of states with different energies, the intermediate step condition is limited to the excited state. The new structure-building system of class II group 3 uses the stepwise or sequential Multi-photon excitation of a single excitable species, where at least one of the intermediate step condition the excited state is limited. The new structure-building system of class II group 3 used the stepwise or sequential multi-photon excitation of a single stimulable type, where at least one of the intermediate step conditions Ground state is. These structured materials in excited state serve either directly or through subsequent interaction with components of the Medium for this, the structured products of the invention to create. At various remarkable Modifications of the invention can be the medium of transparency to individually occurring excitation radiation have, which allows remarkable effects that with simple photo reactions according to Grotthus-Draper are achieved.
"Der aktive Bereich" wird hierin definiert als der strukturierte Verteilungsort innerhalb eines Volumens eines Mediums, in dem am Ende einer Folge gerichteter photochemischer Reaktionen unter Einschluß gleichzeitiger oder sequentieller Zwei-Photonen-Reaktionen, Verstärkungsreaktionen u. dergl., sich die gewünschte, erfindungsgemäße physiko-chemische Inhomogenität entwickelt. In den Schemata und den Figuren wird der aktive Bereich durch das Symbol "X" bezeichnet."The active region" is defined herein as the structured distribution site within a volume of a medium in which, at the end of a sequence of directed photochemical reactions, including simultaneous or sequential two-photon reactions, amplification reactions and the like. the like, the desired physico-chemical inhomogeneity according to the invention develops. In the diagrams and figures, the active area is identified by the symbol "X" .
Die durch "X" symbolisierte Anwesenheit eines aktiven Bereiches kann durch die Anwesenheit von Radikalen, Ionen, Farbgebilden, Energie-Übertragsmitteln, physiko-chemischen Änderungen charakterisiert sein. "X" kann ebenso zusätzlich Erregungszustände repräsentieren, wenn mehr als Zwei-Photonen-Mechanismen benutzt werden. Z. B. wird später eine Reaktionsfolge gezeigt:The presence of an active area symbolized by "X" can be characterized by the presence of radicals, ions, color structures, energy transfer agents, physico-chemical changes. "X" can also represent additional states of excitation if more than two photon mechanisms are used. For example, a reaction sequence is shown later:
worin "X" zusätzliche Anregungszustände und Gebildeteile wie z. B.where "X" additional excitation states and formed parts such. B.
bezeichnen kann, wie ebenfalls später beschrieben wird.can refer to, as will also be described later.
Weitere Bezeichnungen haben die folgenden Bedeutungen:Other names have the following meanings:
hv₁ ist ein Primärstrahl, hv₂ ein Sekundärstrahl, ¹A v/r zeigt eine angeregte Art in einem höheren Schwingungs/Drehungsniveau einer Vielfalt von Grundzuständen, ¹A* zeigt eine angeregte Art in einer Vielfalt von Singuletts, ¹A** zeigt eine angeregte Art in einem höheren Singulett-Zustand einer Vielfalt, ³A* zeigt eine angeregte Art in einer Vielfalt eines angeregten Tripletts, ³A** zeigt eine angeregte Art in einem höher angeregten Triplett-Zustand aus einer Vielfalt. hv ₁ is a primary beam, hv ₂ is a secondary beam , ¹ A v / r shows an excited species in a higher vibration / rotation level of a variety of ground states, ¹ A * shows an excited species in a variety of singlets, ¹ A ** shows one excited species in a higher singlet state of diversity, ³ A * shows an excited species in a diversity of an excited triplet, ³ A ** shows an excited species in a higher excited triplet state of a diversity.
Viel-Photonen-Absorptionsprozesse, welche in der gleichzeitigen Viel-Photonen-Absorptionsmethode der Erfindung Verwendung finden können, sind in neuerer Literatur ausführlich in z. B. dem Buch Organic Photochemistry von Robert O. Kan, McGraw-Hill, New York, 1966, Kapitel 1 beschrieben. Ein besonders nützlicher Übersichtsartikel von Wm. Martin McClain in Accounts of Chemical Research, Band 7, Nummer 5, Mai 1974, Seiten 129 bis 135 beschreibt Verfahren zum Erzielen von Zwei-Photonen-Spektrogrammen, welche für die Erfindung nützlich sein können, um allgemein die Wellenlängen und Energieparameter für brauchbare Strahlenquellen vorherzusagen. Andere nützliche Übersichten wurden von W. L. Peticolas in Annual Reviews Phys. Chem., Bd. 18, 1967 und H. Mahr, Physics of Color Centers, H. B. Fowloer, ed., Academic Press, N. Y. 1968, und J. M. Warlock, Laser Handbook, F. T. Arrechi ed. North Holland Pub. Co., 1972 veröffentlicht. Ein anderer Artikel von H. Mahr erscheint in Treatise in Quantum Electronics, ed. C. L. Tang und H. Rabin, Academic Press, N. Y. 1974.Many-photon absorption processes, which in the simultaneous multi-photon absorption method of Invention can be used are in newer Literature in detail in z. B. the book Organic Photochemistry by Robert O. Kan, McGraw-Hill, New York, 1966, Chapter 1. A special one useful review article by Wm. Martin McClain in Accounts of Chemical Research, Volume 7, Number 5, May 1974, pages 129 to 135 describes methods to obtain two-photon spectrograms which are suitable for The invention may be useful to generalize the wavelengths and energy parameters for usable radiation sources to predict. Other useful reviews have been provided by W. L. Peticolas in Annual Reviews Phys. Chem., Vol. 18, 1967 and H. Mahr, Physics of Color Centers, H. B. Fowloer, ed., Academic Press, N.Y. 1968, and J.M. Warlock, Laser Handbook, F.T. Arrechi ed. North Holland Pub. Co., published in 1972. Another Article by H. Mahr appears in Treatise in Quantum Electronics, ed. C. L. Tang and H. Rabin, Academic Press, N.Y. 1974.
Die erste veröffentlichte Beschreibung einer ausgewählten Zweischritt- oder Folgeanregung von Materialien, welche hier in einer neuartigen Weise benutzt wird, um strukturierte dreidimensionale Gebilde zu erzeugen (Klasse II, Gruppen 2 und 3) erschien im Jahr 1972 in einem Aufsatz von R. V. Ambartzumian und V. S. Letokhov in Applied Optics, Bd. 11, Nummer 2, Februar 1972, Seiten 354-58. Es sollen aber auch noch einmal die oben angeführten Aufsätze von McClain und Mahr erwähnt und das Augenmerk auf eine anwachsende Literatur gerichtet werden, die sich mit ausgewählten Anregungsprozessen bei ausgewählten chemischen Reaktionen und mit Isotopentrennung unter Benutzung von Laser-Strahlung befaßt. Brauchbare Mechanismen einschließlich Zwei-Schritt-Photoionisation, Zwei-Schritt-Photodisassoziation und Photoprädissoziation wurden in früh erschienenen Aufsätzen von C. Bradley Moore besprochen (Ann. Rev. Phys. Chem., Bd. 22, 1971, S. 387 und Ann. Rev. Chem. Phys., Bd. 23, S. 41, 1973 und Accounts Chem. Research, Bd. 6, 1973, S. 323-328), während neuere Publikationen z. B. bei A. M. Ronn (Spectroscopy Letters, 8[5], 1975, S. 303-328; siehe auch Referenz 1 dieses Aufsatzes, dort steht eine Liste von zusammenfassenden Artikeln, und siehe Referenz 2 dieses Artikels, dort wird die Laser-"katalysierte" Photochemie diskutiert) zu finden sind. C. T. Lin hat ein Mittel beschrieben, die Wirksamkeit von Vorgängen zu vergrößern, die auf Reduzierung der Resonanzenergie-Übergangsmechanismen durch direkte Erregung eines Triplett-Zustandes von einem Grundzustand aus beruhen, indem er die Tatsache ausnützte, daß für einen Resonanzübergang von einem Triplett-Zustand zu einem Singulett-Zustand ein verbotener Spinnwechselübergang (forbidden spinflip transition) nötig ist. Sehr wertvolle Berechnungen über die Benutzung von Selbstionisierungsresonanzen bei der Reduzierung der erforderlichen Leistung sind im einzelnen in dem Artikel von V. F. Letokhov (Spektroscopy Letters, 8[9], 1975, S. 697-709), und eine einfache Quantifizierungsformel für Photopolymerisation und andere Vorgänge, die in der Erfindung gebraucht werden, erscheint in der US-PS 38 29 838 von Spalte 12, Zeile 28 bis Spalte 13, Zeile 20. Diese Hinweise sind hier aufgenommen, um den Stand der Technik in der laserinduzierten Photochemie zu zeigen, den die Erfindung benutzt, um strukturierte Inhomogenitäten mit physikalisch-chemischem Verhalten zu bilden.The first published description of a selected two-step or subsequent excitation of materials which are here in a novel way to use structured three dimensional Create objects (class II, groups 2 and 3) appeared in 1972 in an essay by R. V. Ambartzumian and V. S. Letokhov in Applied Optics, Vol. 11, Number 2, February 1972, Pages 354-58. But the above should also be mentioned again McClain and Mahr essays mentioned and attention be directed to an increasing literature, which with selected excitation processes for selected chemical Reactions and with isotope separation using Deals with laser radiation. Useful mechanisms including Two-step photoionization, two-step photodisassociation and photo predissociation were published in early articles discussed by C. Bradley Moore (Ann. Rev. Phys. Chem., Vol. 22, 1971, p. 387 and Ann. Rev. Chem. Phys., Vol. 23, p. 41, 1973 and Accounts Chem. Research, Vol. 6, 1973, pp. 323-328), while newer publications e.g. B. A. M. Ronn (Spectroscopy Letters, 8 [5], 1975, pp. 303-328; see also reference 1 of this article, there is a list of summary articles, and see Reference 2 of this article, there is the laser "catalyzed" Photochemistry discussed). C. T. Lin has a remedy described to increase the effectiveness of operations that on reducing the resonance energy transition mechanisms direct excitation of a triplet state from a ground state based on the fact that for a resonance transition from a triplet state to one Singlet state a forbidden spin change transition (forbidden spinflip transition) is necessary. Very valuable calculations on the use of self-ionization resonances at the Reduction of the required performance are in detail the article by V. F. Letokhov (Spektroscopy Letters, 8 [9], 1975, Pp. 697-709), and a simple quantification formula for Photopolymerization and other processes involved in the invention used, appears in the US-PS 38 29 838 by column 12, line 28 to column 13, line 20. These notes are added here to the state of the art in laser-induced To show photochemistry that the invention uses to structured inhomogeneities with physico-chemical behavior to build.
Die in den folgenden Seiten beschriebenen Kombinationen von Materialien und Vorgängen wurden ausgewählt, um besondere Systeme zu verdeutlichen; es wurde dabei nicht beabsichtigt, den Eindruck zu erwecken, daß ein bestimmtes Material nur in einem bestimmten beschriebenen System verwendet werden könne und nicht in einem der alternativen, im folgenden beschriebenen Systeme.The combinations of. Described in the following pages Materials and processes were selected to make special systems to clarify; it was not intended to give the impression to awaken that a certain material only in a certain described system can be used and not in one of the alternative systems described below.
Das für das Verfahren verwendete Medium kann flüssig sein, wie z. B. ein photopolymerisierbares Monomer, eine Mischung von Monomeren, eine Mischung von Monomeren und Polymeren, oder es kann ein viskoses Polymer sein, das noch einer weiteren Photoreaktion fähig ist. Das Medium kann aber auch in festem Zustand sein, z. B. ein gelartiges Polymer, ein gefrorenes Monomer, ein reaktiver Bestandteil innerhalb einer Matrix aus Kunststoff, ein Glas oder ein kristallines Material. The medium used for the process can be liquid be like B. a photopolymerizable monomer, a Mixture of monomers, a mixture of monomers and Polymers, or it can be a viscous polymer that is capable of yet another photo reaction. The medium but can also be in a solid state, e.g. B. a gel-like polymer, a frozen monomer reactive component within a matrix Plastic, a glass or a crystalline material.
Gleichgültig, ob die benutzten Systeme zur Klasse I, Gruppe 3 oder zur Klasse II, Gruppen 2 oder 3 gehören, die bevorzugten Mittel, die erwünschte Anhebung der Energieniveaus an ausgewählten Orten zu erreichen, sind die gemeinsame Wirkung mindestens zweier Lichtstrahlen, die aus dem Außenraum in das Materievolumen so projiziert werden, daß ihr Schnittpunkt die gewünschte Struktur entwirft. Einzelheiten über die Lichtquellen, die Strahlleitung und -steuerung und den Aufbau der Strukturen können der US-PS 40 41 476 und der US-PS 38 29 838 entnommen werden. Der in diesen Schriften beschriebene Steuer- und Leitapparat läßt sich leicht an das vorliegende System anpassen.Regardless of whether the systems used to class I, Group 3 or class II, groups 2 or 3, the preferred means, the desired increase in Energy levels are to be reached at selected locations the combined effect of at least two light beams, that from the outside into the volume of matter like that be projected so that their intersection is the desired one Structure designs. Details about the light sources, the beam line and control and the structure of the Structures can be found in U.S. Patent 4,041,476 and US-PS 38 29 838 are removed. The one in these Written control and guide apparatus described adapt easily to the present system.
Die Größe der erforderlichen Leistung variiert in weiten Bereichen wegen der quantitativen Änderung des erhaltenen Produktes, z. B. bei den Spurenmengen des durch Energieübertragung erzeugten Bestandteils verglichen mit der polymeren Masse im Fall der chemisch ausfällbaren Bilder. In Beispiel 37 befindet sich eine Liste der kritischen Parameter und eine Formel zur Berechnung der Proben. Bei der Auswahl des zu benutzenden Systems werden die Strukturen der Energieniveaus und die Anordnung der Zwischenzustände in einem bestimmten Material auswählen helfen, welches der beschriebenen Systeme und welche Lichtquelle benutzt werden sollen. In bezug auf die Quantenausbeute sind so niedere Ergebnisse wie 10-5 oder 10-6 im Fall gleichzeitiger Zwei-Photonen-Absorptionen durchaus praktisch, besonders da, wo das Produkt an einem Verstärkungsprozeß, wie er mehrfach in dieser Anmeldung beschrieben ist, teilnimmt. Weit höhere Quantenausbeuten können erzielt werden, indem man günstige Zwischenniveaus kombiniert mit großen Querschnitten verbindet, wobei die Abmessung der Schnittbereiche klein ist. Es können Werte in der Größenordnung von 10-50 oder 10-48 cm²/Watt/cm² erreicht werden.The size of the required power varies widely due to the quantitative change in the product obtained, e.g. B. in the trace amounts of the component generated by energy transfer compared to the polymeric mass in the case of chemically precipitable images. Example 37 contains a list of critical parameters and a formula for calculating the samples. When selecting the system to be used, the structures of the energy levels and the arrangement of the intermediate states in a particular material will help to select which of the systems described and which light source are to be used. With regard to the quantum yield, results as low as 10 -5 or 10 -6 are quite practical in the case of simultaneous two-photon absorption, especially where the product takes part in an amplification process as described several times in this application. Far higher quantum yields can be achieved by combining favorable intermediate levels combined with large cross sections, with the dimensions of the cutting areas being small. Values of the order of 10 -50 or 10 -48 cm² / watt / cm² can be achieved.
Prozesse mit relativ niedrigen Ergiebigkeiten sind am zufriedenstellendsten in Verbindung mit wirksamen Systemen, wie z. B. die durch Methylenblau eingeleitete Polymerisation, wobei eine Konzentration des Methylenblaus in der Größenordnung von 10-6 mol/Liter wirksam sein kann. In diesem Fall kann die Polymerisationsergiebigkeit von der Größenordnung von 10⁶ bei jeder Anregung polymerisierten Molekülen sein, während einige ähnliche Systeme bis zu 10⁸ produzierten Molekülen pro Anregung geben. Die Systeme mit der größten Wirksamkeit können von Vorgängen mit ähnlichen Polymerisationsergiebigkeiten erwartet werden, welche gleichzeitig eine Photonenausbeute in der Größe von ¹/₁₀ erlauben.Processes with relatively low yields are most satisfactory in connection with effective systems, such as. B. the polymerization initiated by methylene blue, where a concentration of methylene blue in the order of 10 -6 mol / liter can be effective. In this case the polymerization yield can be of the order of 10⁶ molecules polymerized with each excitation, while some similar systems give up to 10⁸ molecules produced per excitation. The systems with the greatest effectiveness can be expected from processes with similar polymerization yields, which at the same time allow a photon yield in the size of ½.
Wegen der relativ geringen Wahrscheinlichkeit wirklich gleichzeitiger Drei-Photonen-Absorptionen ist ein solches System nicht sehr praktisch. Die Benutzung von Viel-Photonen und im besonderen von Drei-Photonen-Absorptionen in Reihe oder gemischt in Reihe und gleichzeitig ist jedoch sehr praktisch und besitzt besondere Vorteile, darunter z. B. hohen Kontrast. Because of the relatively low probability really more simultaneous Three-photon absorption is one such system not very practical. The use of many photons and in particular of three-photon absorptions in series or mixed in series and at the same time, however, is very practical and has special advantages, including e.g. B. high contrast.
Es muß noch bemerkt werden, daß in dieser Beschreibung nur einfache Systeme dargestellt werden. Die Permutation solcher einfacher Systeme in Verbindungen miteinander (z. B. ein Drei-Photon-System, das aus gleichzeitiger Absorption von zwei Photonen mit darauffolgender Absorption eines dritten Photons besteht) ist im Sinne dieser Offenbarung.It must be noted that in this description only simple systems are shown. The permutation of such simple systems in connection with each other (e.g. a Three-photon system that consists of simultaneous absorption of two photons with subsequent absorption of a third Photons) is in the sense of this revelation.
Solche Systeme können entwickelt werden, wobei die Viel-Photonen-Absorption durch die Gegenwart von in Resonanz befindlichen oder fast in Resonanz befindlichen Zwischenzuständen in dem System ermöglicht wird. In solchen Fällen wird der Unterschied zwischen gleichzeitigen und aufeinanderfolgenden Vorgängen verwischt, und sie sind nützlich, wenn sowohl Kontrast als auch Ergiebigkeit maximiert werden sollen. Kommt das erste Photon in einem solchen System einem Absorptionszustand näher und näher und schließlich innerhalb die Linienbreite dieses Zustandes, so wird das zweite Photon vom ersten Anregungsniveau zum zweiten Niveau in Resonanz sein. Vom Standpunkt der Wirksamkeit und des Kontrastes sind solche Systeme, die in Resonanz befindliche oder nahezu in Resonanz befindliche Zwischenzustände besitzen, in vielen Fällen vorzuziehen.Such systems can be developed using the many-photon absorption through the presence of those in resonance or intermediate states almost in resonance in the System is made possible. In such cases, the difference between simultaneous and successive processes blurs and they are useful when both contrast and productivity should also be maximized. The first comes Photon in such a system closer to an absorption state and closer and finally within the line width of this The second photon from the first excitation level resonate to the second level. From the point of view effectiveness and contrast are such systems that resonating or nearly resonating Intermediate states are preferable in many cases.
Bei der Benutzung eines Systems mit aufeinanderfolgenden Anregungszuständen, bei dem ein Photon mit der Wellenlänge λ₁ ein den angeregten Zustand A* mit der Lebensdauer Y hervorruft, wobei Y sehr groß gegen ist, ist es für den Fall, daß der angeregte Zustand ein zweites Photon mit λ₂ zur Erzielung eines weiteren angeregten Zustandes A** der LebensdauerWhen using a system with successive excitation states, in which a photon with the wavelength λ 1 causes the excited state A * with the lifetime Y , where Y is very large, it is in the event that the excited state is a second photon with λ ₂ to achieve a further excited state A ** of the service life
absorbiert, offensichtlich, daß, wenn die Photonendichten in den beiden Photonenprozessen die gleichen sind, dieser Prozeß eine viel höhere Wahrscheinlichkeit des Auftretens besitzt. Die Wahrscheinlichkeit, A** zu erhalten, hängt direkt von der Lebensdauer Y ab. absorbs, obviously, that if the photon densities are the same in the two photon processes, this process is much more likely to occur. The probability of obtaining A ** depends directly on the life Y.
Wird der eben beschriebene Vorgang mit einem weiteren Schritt zur Erzeugung von A*** wiederholt, wodurch der aktive Bereich erzeugt wird, dann wird es möglich, das Materievolumen mit Photonen von drei verschiedenen Wellenlängen fächerförmig abzutasten und zwar entlang Linien, die senkrecht zur jeweiligen Abtastrichtung stehen. So wird ein Eingang in Form der üblichen kartesischen Koordinaten x, y und z gegeben, und das Abtasten geschieht eindimensional. Dieses und die niedrigere erforderliche Leistung, wozu noch der zusätzliche Vorzug kommt, daß eine Hintergrundreaktion, die nicht von dem zu erzeugenden Bild herrührt, reduziert ist.If the process just described is repeated with a further step for generating A ***, whereby the active region is generated, then it becomes possible to scan the volume of matter in a fan shape with photons of three different wavelengths, namely along lines that are perpendicular to the respective scanning direction stand. An input is given in the form of the usual Cartesian coordinates x, y and z , and the scanning takes place one-dimensionally. This and the lower power required, plus the added benefit that a background response that is not due to the image to be generated is reduced.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der nach diesem Verfahren hergestellten Produkte sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Particularly preferred embodiments of the method according to the invention or according to this Processed products are the See subclaims.
Wegen ihrer im allgemeinen größeren Nützlichkeit werden im folgenden der Entwurf und Betrieb von Systemen der Klasse I, Gruppe 3, bei denen Photonen verschiedener Energie und Wellenlänge benutzt werden, eingehender beschrieben. Because of their generally greater usefulness, following the design and operation of Class I, Group 3 systems, where photons of different energy and wavelength are used are described in more detail.
Das einfachste Beispiel eines solchen Systems bei Benutzung der gleichzeitigen Absorption zweier ungleicher Photonen ist:The simplest example of such a system when used the simultaneous absorption of two dissimilar photons is:
In derartigen Systemen sind die Frequenzen, und damit die Energiewerte, von hv₁ und hv₂ verschieden und so ausgewählt, daß sie die folgenden Bedingungen erfüllen:In such systems, the frequencies, and thus the energy values, are different from hv ₁ and hv ₂ and selected so that they meet the following conditions:
E (hv₁)+(hv₂), (hv₁)<(hv₂) und E<2(hv₂). E (hv ₁) + (hv ₂), (hv ₁) < (hv ₂) and E <2 (hv ₂).
Unter diesen Bedingungen läßt man einen sehr intensiven Strahl mit Photonen niederer Energie (hv₂) mit einem Strahl von geringer Intensität, aber mit Photonen höherer Energie (hv₁) schneiden.Under these conditions, a very intense beam with low energy photons (hv ₂) is cut with a low intensity beam but with higher energy photons (hv ₁).
Ein System dieser Art ist in Fig. 22 aufgezeichnet. Man sieht auf der linken Seite die typische Absorptionskurve eines photoreagierenden Materials in einem üblichen Ein-Photonen- Prozeß, während zur Rechten ein annähernd kongruentes Zwei- Photonen-Absorptionsspektrogramm gezeichnet ist, das durch die Methode nach McClain erhalten wurde. Bei Benutzung des Prozesses der Gruppe 2 mit zwei identischen Photonen würde ein intensiver Strahl einer Wellenlänge innerhalb des Bereiches des Zwei-Photonen-Absorptionsspektrogramms benutzt werden, um die Reaktion einzuleiten. In der bevorzugten Art nach Gruppe 3, welche ungleiche Photonen benutzt, muß mindestens der hochintensive (hv₂) Strahl besonders von dem Bereich der Zwei-Photonen-Absorption ausgeschlossen werden. In Fig. 22 wird hv₂ als von einem gepulsten Rubinlaser und hv₁ als von einem gepulsten Argonlaser stammend gezeigt. Der Ablauf bei den Systemen nach Gruppe 3, Klasse I kann aus der nun folgenden Beschreibung verstanden werden. A system of this type is recorded in Fig. 22. The typical absorption curve of a photoreactive material in a conventional one-photon process can be seen on the left, while an approximately congruent two-photon absorption spectrogram is obtained on the right, which was obtained by the McClain method. Using the Group 2 process with two identical photons, an intense beam of wavelength within the range of the two-photon absorption spectrogram would be used to initiate the reaction. In the preferred type according to group 3, which uses unequal photons, at least the high-intensity (hv ₂) beam must be particularly excluded from the area of two-photon absorption. In Fig. 22 hv ₂ is shown as originating from a pulsed ruby laser and hv ₁ as originating from a pulsed argon laser. The procedure for systems according to Group 3, Class I can be understood from the description that follows.
Wie oben beschrieben, stehen die Strahlungsquellen in den folgenden, einander ergänzenden Beziehungen zueinander:As described above, the radiation sources are in the following complementary relationships:
- 1. Der Laser R besitzt eine geringe Energie pro Photon und eine hohe Intensität des Strahls.1. The laser R has a low energy per photon and a high intensity of the beam.
- 2. Der Laser G besitzt eine hohe Energie pro Photon und eine geringe Strahlintensität. (Es ist zu beachten, daß die Energiemenge pro Photon beispielsweise nicht mit der Energie pro Impulslänge verwechselt wird.)2. The laser G has a high energy per photon and a low beam intensity. (Note that the amount of energy per photon, for example, is not confused with the energy per pulse length.)
Die zulässigen, notwendigen und verbotenen Werte für das photoaktive Absorptionsspektrum im Zwei-Photonen-Mechanismus werden durch die Wellenlängen dieser zwei Strahlungsquellen bereitgestellt. Die photoaktive Absorption kann sich nicht in einen Bereich erstrecken, in dem die Wellenlängen länger als die des Lasers R (der hochintensiven Strahlungsquelle) sind, noch kann sie einen aktiven Bereich bilden, wenn die Wellenlänge kürzer ist als die Wellenlänge λ X in:The permissible, necessary and forbidden values for the photoactive absorption spectrum in the two-photon mechanism are provided by the wavelengths of these two radiation sources. The photoactive absorption cannot extend into a range in which the wavelengths are longer than those of the laser R (the high-intensity radiation source), nor can it form an active range if the wavelength is shorter than the wavelength λ X in:
Sollte das ausgewählte photoreaktive Material (oder das Sensibilisierungsmaterial oder das Energieübertragungsmittel) einen Absorptionsverlauf besitzen, der in den langwelligeren Bereich hinüberreicht, dann werden zwei Photonen von der Strahlungsquelle mit höherer Energie ausreichen, um die Reaktion auf dem gesamten Strahlungsweg dieser Strahlungsquelle voranzutreiben. Sollte das Absorptionsspektrum auf einen Bereich beschränkt sein, der kürzer als die Wellenlänge g X ist, dann wird der aktive Bereich wegen der unzureichenden Energie an der Überschneidungsstelle nicht erzeugt werden. Zumindest ein Teil des Absorptionsspektrums muß sich in den Bereich zwischen diesen beiden Grenzen hineinerstrecken, damit die notwendigen Bedingungen erfüllt sind. Wie vorher festgestellt, falls ein gegebenes Material, eine gegebene photoreaktive Komponente und eine Anzahl von Energiequellen erfolgreich eingesetzt werden sollen, so müssen die anderen Bestandteile so ausgewählt sein, daß unechte Absorption durch nichtreagierende Stoffe, thermische Reaktivität und unerwünschte Nebenreaktionen ausgeschlossen sind. Solche Vorsorgemaßnahmen gehören zum Aufgabenbereich des Fachmanns auf dem Gebiet der Photochemie. Derartige Fachleute sind sich der Tatsache bewußt, daß, obwohl die oben gegebene verallgemeinerte Beschreibung der Beschränkungen in der Beziehung zwischen Absorptionsstrukturen und Strahlungsquellen im allgemeinen nützlich sind, im allgemeinen Strukturen des photoaktiven Spektrums in den Materialien vorhanden sind, die Abwandlungen zulassen. Das Absorptionsspektrum eines Materials ist nicht immer identisch mit dem photoaktiven Absorptionsspektrum. Zum Beispiel kann das photoaktive Absorptionsspektrum mit der Wellenlänge einer Strahlenquelle zusammenfallen, und dieses würde eine auszuschließende Bedingung bilden, die darauf hinausläuft, daß sich unechte Abbildungen durch übliche Ein-Photonen-Reaktionen dem Strahlungsweg entlang ergeben. Andererseits kann diese Absorption nicht von photoaktiver Natur sein, und dann besteht das Hauptproblem darin, daß die Wirksamkeit des Vorgangs wegen der unnötigen Absorption geschwächt würde oder ganz verlorenginge und daß möglicherweise Probleme durch die Aufheizung des Materials entstünden. Einige andere Überlegungen, die für die Erfindung wichtig sind, werden im folgenden kurz angesprochen, um eine Klarstellung zu erreichen, obwohl sie für Fachleute auf dem Gebiet der Photochemie und der Zwei-Photonen-Spektroskopie nicht neu sind.Should the selected photoreactive material (or the sensitizing material or the energy transfer agent) have an absorption curve that extends into the longer wavelength range, then two photons from the radiation source with higher energy will be sufficient to drive the reaction along the entire radiation path of this radiation source. If the absorption spectrum is limited to a region that is shorter than the wavelength g X , then the active region will not be generated at the intersection due to the insufficient energy. At least part of the absorption spectrum must extend into the area between these two limits so that the necessary conditions are met. As previously stated, if a given material, photoreactive component, and a number of energy sources are to be used successfully, the other ingredients must be selected so that spurious absorption by unreactive materials, thermal reactivity, and undesirable side reactions are excluded. Such preventive measures are part of the task of the person skilled in the field of photochemistry. Those skilled in the art are aware of the fact that, although the generalized description given above of the limitations in the relationship between absorption structures and radiation sources are generally useful, structures of the photoactive spectrum are generally present in the materials which are capable of modification. The absorption spectrum of a material is not always identical to the photoactive absorption spectrum. For example, the photoactive absorption spectrum may coincide with the wavelength of a radiation source, and this would constitute an exclusionary condition that tends to result in spurious imaging along the radiation path by common one-photon reactions. On the other hand, this absorption cannot be photoactive in nature, and then the main problem is that the effectiveness of the process would be weakened or lost entirely due to the unnecessary absorption, and that problems could arise from the heating of the material. Some other considerations that are important to the invention are briefly discussed below for clarification, although they are not new to those skilled in the fields of photochemistry and two-photon spectroscopy.
Wenn ein System vom Typ der gleichzeitigen Zwei-Photonen-Reaktion entworfen wird, werden im allgemeinen Querschnittsfaktoren vermieden, die größer als etwa 10-50 bis 10-48 sind, außer bei Systemen, die sich in der Nähe des Resonanzbereiches abspielen, bei denen die obere Durchführbarkeitsgrenze im wesentlichen dieselbe ist, wie die in aufeinanderfolgenden Vorgängen. Die Wirksamkeit der Photonenabsorption, die bei aufeinanderfolgender Absorption erreicht werden kann, wird bei simultanen Zwei-Photonen-Absorptionsprozessen, die sich in der Nähe der Resonanz abspielen, etwa erreicht.When designing a two-photon reaction type system, cross-sectional factors that are greater than about 10 -50 to 10 -48 are generally avoided, except for systems that occur near the resonance region where the upper feasibility limit is substantially the same as that in successive operations. The effectiveness of photon absorption, which can be achieved with successive absorption, is approximately achieved with simultaneous two-photon absorption processes that take place near the resonance.
Im allgemeinen werden Systeme mit Resonanz-Übergängen bevorzugt, wenn hohe Ergiebigkeit erwünscht ist. Die Wahrscheinlichkeit eines Zwei-Photonen-Überganges ist umgekehrt proportional der Entfernung vom Resonanzzustand (z. B. von einem Ein-Photonen-Übergang) des Zwischenzustandes, verglichen mit den Photonenenergien. Im Idealfall verschwindet dieser Abstand bis in die Nähe der Übereinstimmung (bei vollständiger Übereinstimmung ist es ein Folge-Prozeß) genau in der Spitze der Absorptionslinie und reduziert damit die Energie-Nenner im Absorptionsquerschnitt für Zwei-Photonen-Prozesse so weit wie möglich.Generally, systems with resonance transitions are preferred if high productivity is desired. The probability a two-photon transition is inversely proportional the distance from the resonance state (e.g. from a one-photon transition) of the intermediate state, compared to the Photon energies. Ideally, this distance disappears until close to the match (with full match it is a follow-up process) at the very top of the absorption line and thus reduces the energy denominator in the absorption cross section for two-photon processes as much as possible.
Der besondere Wert von Systemen, bei denen Resonanz oder Fast-Resonanz auftritt, liegt in der Wirksamkeit und hohen Ausbeute, welche sie erlauben, begründet. In dem AusdruckThe special value of systems where resonance or fast resonance occurs, lies in the effectiveness and high yield, which they allow are justified. In the expression
ist <0/μ/1< proportional dem Ein-Photonen-Absorptionskoeffizient zu einem Zwischenniveau, und <1/μ/2< bedeutet einen zweiten Ein-Photonen-Übergang vom Zwischenzustand zum Endzustand. ε i -hv stellt den Energie-Niveau-Unterschied zwischen dem Photon hv₁ und dem Zwischenenergie-Zustand dar. Es ist zu sehen, daß die Wahrscheinlichkeit dieser beiden Photonen-Übergänge dem Produkt der beiden Absorptionskoeffizienten <0/μ/1< und <1/μ/2< proportional ist, geteilt durch den Energieabstand zwischen dem Zwischenniveau und der Photonenenergie hv₁. Wenn der Abstand beim Mittelwert der Photonenenergie gering ist, dann ist der Energienenner klein und die Wahrscheinlichkeit (und die Ergiebigkeit) sehr groß. Wenn der Abstand=Null wird, dann haben wir nicht mehr ein Simultansystem nach Klasse I, sondern ein Folgesystem nach Klasse II. So wird, um einen starken Übergang und eine hohe Ergiebigkeit zu erhalten, ein Zwischenzustand oder Zwischenzustände benutzt, bei denen ein Ein-Photonen-Übergang sehr gut möglich ist und einen hohen Energiewert hat, und bei dem ein Zwischenenergieniveau vorhanden ist, das nur geringfügig höher als die Energie von hv₁ ist.is <0 / μ / 1 <proportional to the one-photon absorption coefficient to an intermediate level, and <1 / μ / 2 <means a second one-photon transition from the intermediate state to the final state. ε i - hv represents the energy level difference between the photon hv ₁ and the intermediate energy state. It can be seen that the probability of these two photon transitions is the product of the two absorption coefficients <0 / μ / 1 <and < 1 / μ / 2 <is proportional, divided by the energy distance between the intermediate level and the photon energy hv ₁. If the distance at the mean value of the photon energy is small, then the energy denominator is small and the probability (and the yield) is very large. If the distance = zero, then we no longer have a simultaneous system according to class I, but a follow-up system according to class II. In order to obtain a strong transition and a high yield, an intermediate state or intermediate states are used in which an input Photon transition is very possible and has a high energy value, and at which there is an intermediate energy level that is only slightly higher than the energy of hv ₁.
Soweit die Ergiebigkeit betrachtet wird, ist ebenso die Auswahl von Materialien besonders wichtig, welche angemessene Lebensdauer der angeregten Zustände für diesen besonderen Zweck besitzen. Zum Beispiel kann ein langlebiger angeregter Zustand eine Energieübertragung auf benachbarte Moleküle ergeben, die so oft vorkommt, daß die Auflösung schlechter wird, so daß sich die Auflösung und die Ergiebigkeit nicht miteinander vertragen. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß Arten mit extrem kurzer Lebensdauer eine geringere Ergiebigkeit hervorrufen, als Arten mit Lebensdauern in der Größenordnung von 10-5 bis 10-9 sec. Offensichtlich müssen davon Systeme ausgenommen werden, die bei Hochgeschwindigkeits-Computervorgängen benutzt werden.As far as productivity is concerned, it is also particularly important to select materials that have a reasonable lifespan for the excited states for this particular purpose. For example, a long-lived excited state can result in energy transfer to neighboring molecules that occurs so often that the resolution deteriorates so that the resolution and the yield are not compatible. In general, it can be said that species with extremely short lifespans produce less fertility than species with lifespans in the order of 10 -5 to 10 -9 seconds. Obviously, systems that are used in high-speed computer operations must be excluded.
Es ist auch wichtig, die Lebensdauern der angeregten Zustände in bezug auf den Energiehaushalt eines gegebenen Prozesses zu betrachten. Zum Beispiel wird es in einem Folgesystem, das mit einem Dauerstrich-Laser als einer Strahlungsquelle und einer gepulsten zweiten Strahlungsquelle betrieben wird, wünschenswert sein, einen angeregten Zustand zu besitzen, der lange genug anhält, um genügend viele Photonen von der schwächeren Strahlungsquelle aufzunehmen. Wenige Dauerstrich-Strahlungsquellen sind, auch wenn sie fokussiert werden, energiereich genug, um beim Simultan-Betrieb ohne außerordentlich große Energieverschwendung mit einem gepulsten Laser zusammen betrieben zu werden. Aus diesem Grund werden in den meisten Systemen mit Simultanbetrieb beide Laser synchron gepulst.It is also important to know the lifetimes of the excited states in relation to the energy balance of a given process consider. For example, it will be in a follow-up system using a continuous wave laser as a radiation source and a pulsed one second radiation source is operated, desirable be in an excited state that is long enough stops to get enough photons from the weaker radiation source to record. Few continuous wave radiation sources are energetic enough, even if they are focused, around simultaneous operation without an extremely large waste of energy operated together with a pulsed laser to become. For this reason, in most systems with simultaneous operation, both lasers pulsed synchronously.
Ein alternativer Mechanismus zur direkten Erregung eines Moleküls im Grundzustand zu einem Triplett-Erregungszustand wurde von C. T. Lin (Spectr. Lettr., 8[9], 1975, S. 901-913) beschrieben:An alternative mechanism for direct excitation of a molecule became a triplet excited state in the ground state by C. T. Lin (Spectr. Lettr., 8 [9], 1975, pp. 901-913):
Wegen der längeren Lebensdauer des Triplett-Zustandes gegenüber dem Singulett-Zustand und weil keine Energie durch Resonanz-Energie-Übergang verlorengeht (für einen Resonanz-Übergang vom Triplett- zum Singulett-Zustand ist ein verbotener Spinnwechselübergang nötig), wird dieser Mechanismus als ergiebiger eingeschätzt als die Anregung zu einem Singulett-Zustand.Because of the longer lifespan of the triplet state the singlet state and because no energy through resonance-energy transition is lost (for a resonance transition from Triplet to singlet state is a prohibited spin change transition necessary), this mechanism is considered to be more productive as the stimulus to a singlet state.
Da die Vorbereitung eines vollständigen Zwei-Photonen-Spektrogramms sehr oft ein ermüdender und langweiliger Vorgang ist, sollen nun einige allgemeine Prinzipien aufgestellt werden, welche oftmals die Auswahl passender Strahlungen und Strahlenquellen zur praktischen Arbeit mit der Erfindung erlauben, wenn nur das Ein-Photonen-Absorptionsspektrum und die Moleküleigenschaften, wie z. B. Symmetrie-Eigenschaften, Lage der verschiedenen Energie-Niveaus, die für das photoreaktive Material charakteristisch sind, bekannt sind. Diese Information erlaubt es dem Fachmann auf dem Gebiet der Spektroskopie und Zwei-Photonen-Spektroskopie, sehr oft die Energie-Niveaus vorauszusagen, die Zwei-Photonen-Übergänge erlauben, und ebenso die ungefähre Stärke dieser Übergänge vorauszusagen. Zum Beispiel wird fast immer, wenn ein Absorptions-Spitzenwert eines Zwei-Photonen-Übergangs nicht an einer Stelle auftritt, der zweimal der Wellenlänge der Ein-Photonen-Absorptionsspitze entspricht, bei einer etwas höheren Energielage ein solcher Übergang vorhanden sein. Im allgemeinen wird der niederste Energieübergang der erlaubte Ein-Photonen-Übergang sein, und es kann ebensogut der erlaubte Zwei-Photonen-Übergang sein, aber es ist unwahrscheinlich, daß der niederste Übergang der erlaubte Zwei-Photonen-Übergang ist und daß der Ein-Photonen-Übergang verboten ist.Because the preparation of a full two-photon spectrogram is very often a tiring and boring process some general principles are now set out, which often the selection of suitable radiation and radiation sources allow for practical work with the invention, if only that One-photon absorption spectrum and the molecular properties, such as B. symmetry properties, location of the different energy levels, which are characteristic of the photoreactive material, are known. This information allows the expert to the field of spectroscopy and two-photon spectroscopy, very often predict the energy levels, the two-photon transitions allow, and also the approximate strength of this Predict transitions. For example, almost always when an absorption peak of a two-photon transition does not occur at a point twice the wavelength corresponds to the one-photon absorption peak, with something such a transition may be present at higher energy levels. in the generally the lowest energy transfer becomes the allowed Be a photon transition, and it may as well be the allowed one Be two-photon transition but it's unlikely that the lowest transition is the allowed two-photon transition and that the one-photon transition is prohibited.
Die Materialien, bei denen die Voraussage vom Ein-Photonen-Spektrogramm aus nicht Übereinstimmung mit dem Zwei-Photonen-Spektrogramm andeutet, sind solche mit starker molekularer Symmetrie, eine Eigenschaft, die dem Untersuchenden bekannt sein wird. Die folgenden Maßnahmen werden als generelle Regel für Beispiele gegeben, bei denen Symmetrie-Eigenschaften und Schwingungsströmungen die Annahme zulassen, daß die Ein-Photonen- und die Zwei-Photonen-Übergänge, wie oben beschrieben, voneinander abhängen. Im allgemeinen ist es möglich, aus wohlbekannten veröffentlichten experimentellen Daten, die das Ein-Photonen-Verhalten photoreaktiven Materials betreffen, zu bestimmen, welche Zwei-Photonen-Übergänge erlaubt und welche verboten sein werden. Solche Voraussagen auf der Grundlage theoretischer Prinzipien sind weniger nützlich, wenn die Energiewerte der Übergänge bestimmt werden sollen oder wenn gesagt werden soll, ob oder ob nicht ein bestimmter Energiezustand mit bestimmter Symmetrie bei einer bestimmten Energie auftritt. Da das Gebiet der Zwei-Photonen-Spektroskopie ziemlich neu ist, ist solche Information in der Literatur im allgemeinen nicht einfach zugänglich, und bei manchen interessanten Systemen wird man Experimente mit Zwei-Photonen-Spektroskopieverfahren anwenden müssen. Es wird jedoch nicht immer nötig sein, auf mühevolle Weise das Zwei-Photonen-Spektrogramm vollständig aufzustellen, um die für die Erfindung erforderlichen Informationen zu erhalten. Wenn das unter Beobachtung stehende Medium direkt aufgenommen werden kann, um nützliche Reaktionen zu erfassen (z. B. durch Fluoreszenz-Emission oder durch Wechsel im Brechungsindex oder im Absorptionsverhalten), wird eine einfache Versuchsserie oftmals genügen. Ein solcher verkürzter Vorgang wird mit einem abstimmbaren Strahlungsaussender (z. B. einem abstimmbaren Laser), ausgeführt, der den wahrscheinlichen Bereich der Energiewerte überdeckt, sowie einer anderen Strahlungsquelle (z. B. für Systeme der Klasse I, Gruppe 3 eine Quelle mit geringerer Photonen-Energie, aber höherer Intensität), die gleichzeitig auf die Probe gerichtet wird, und mit einem Beobachtungssystem, um die gewünschten Reaktionen zu verfolgen, während sie während der Veränderung der ersten Strahlungsquelle auftreten. Wenn bei dem Vorgang eine Strahlung emittiert wird, wird man vorteilhafterweise ein Photodetektor-System zum Erfassen verwenden. Wenn eine Änderung des Brechungsindex oder eine Polymerisation erreicht werden soll, kann der Anzeigewert der Probe erfaßt werden, wenn man einen photochemisch nicht aktiven Strahl aussendet und mißt.The materials where the prediction from the one-photon spectrogram out of agreement with the two-photon spectrogram suggests are those with strong molecular symmetry, a quality that will be known to the examiner. The following measures are used as a general rule for examples given where symmetry properties and vibrational flows allow the assumption that the one-photon and the Two-photon transitions from each other as described above depend. In general, it is possible from well-known published experimental data showing the one-photon behavior relate to photoreactive material to determine which two-photon transitions are allowed and which are prohibited will be. Such predictions based on theory Principles are less useful when the energy values of the transitions to be determined or when said should be whether or not a certain energy state occurs with a certain symmetry at a certain energy. Because the field of two-photon spectroscopy is fairly new is such information in the literature in general not easily accessible, and with some interesting systems one becomes experiments with two-photon spectroscopy methods have to apply. However, it will not always be necessary laboriously complete the two-photon spectrogram to establish the information necessary for the invention to obtain. If that is under observation Medium can be added directly to provide useful reactions to be recorded (e.g. by fluorescence emission or by switching in the refractive index or in the absorption behavior), becomes a simple one Trial series are often sufficient. Such a shortened one The process is carried out with a tunable radiation emitter (e.g. a tunable laser) that performs the likely Range of energy values covered, as well as another radiation source (e.g. a source for Class I, Group 3 systems with lower photon energy, but higher intensity) that is aimed at the sample at the same time, and with a Observation system to track the desired reactions while they're changing the first radiation source occur. If radiation is emitted during the process, will advantageously be a photodetector system for detection use. If a change in the refractive index or if polymerization is to be achieved, the display value of the sample can be detected if one is not photochemically sends out active beam and measures.
Das folgende ist für den Vorgang bezeichnend, der erforderlich ist, wenn ein photoreaktives Material gegeben ist, dessen Zwei-Photonen-Reaktionsspektrum bekannt oder geschätzt ist, und die erforderlichen Laser ausgewählt werden sollen.The following is indicative of the process that is required if a photoreactive material is given, its Two-photon reaction spectrum is known or estimated and the required lasers should be selected.
Um den Fall zu vereinfachen, soll angenommen werden, daß das Material nur aus einer einzigen Art besteht, z. B. aus einem Monomer, der polymerisieren kann, und daß Vorsichtsmaßnahmen getroffen wurden, um nicht-selektive thermische Zersetzung zu vermeiden. Wenn die Betriebsart nach Klasse I, Gruppe 3 benutzt werden soll, muß zuerst ein erster Laser ausgewählt werden, üblicherweise ein handelsüblicher Rubin-Laser mit hoher Leistungsausbeute, der bei 694 nm emittiert. Wenn die bekannte oder als möglich eingeschätzte Zwei-Photonen-Absorption benutzt werden soll, welche eine Photopolymerisation des Monomers hervorruft, kann man die Tafel 10 zu Rate ziehen, die für den Fall berechnet wurde, daß ein Rubin-Laser benutzt wird. Die Spalte 1 der Tafel zeigt einen Bereich photoaktiver Absorptionswellenlängen vom ultravioletten bis ins sichtbare Licht hinein, der an die Zwei-Photonen-Absorptionseigenschaften des ausgewählten Mediums angepaßt wird. Unter Benutzung der Formel, die in der oben erwähnten Arbeit von Kan gegeben wurde:To simplify the case, it should be assumed that the Material consists of only one type, e.g. B. from one Monomer that can polymerize and that precautions have been taken to non-selective thermal decomposition to avoid. If the operating mode according to class I, group 3 a first laser must be selected first usually with a commercially available ruby laser high power yield that emits at 694 nm. If the known or estimated as possible two-photon absorption to be used, which is a photopolymerization of the monomer, you can refer to Table 10, which was calculated in case a ruby laser was used becomes. Column 1 of the panel shows an area more photoactive Absorption wavelengths from the ultraviolet to the visible Light entering the two-photon absorption properties of the selected medium is adjusted. Under use of the formula given in Kan's work mentioned above has been:
können wir die zur Einleitung der Photoreaktion in Beziehung zur spezifischen Laserwellenlänge erforderliche Energie in kcal/mol ableiten. In dem vorliegenden Fall ist die Emissionswellenlänge des Rubins λ=694 nm, und die daraus abgeleitete erforderliche Leistung für einen spezifischen Absorptionsbereich wird in Spalte 2 der Tafel 10 angezeigt.we can derive the energy in kcal / mol required to initiate the photoreaction in relation to the specific laser wavelength. In the present case, the emission wavelength of the ruby is λ = 694 nm, and the power required for a specific absorption range derived therefrom is shown in column 2 of Table 10.
In Abhängigkeit von der optischen Dichte und der Abmessung des Mediums kann eine ausgewählte Aktivierungswellenlänge im Bereich der Spitzenabsorption eingesetzt werden, oder bei großen Volumina, im Anstiegsbereich oder in der Nähe des Fußes des Absorptionsbereiches. In den meisten Fällen wird es das beste sein, Energiequellen zu benutzen, die im interessierenden Bereich fokussiert sind. Da nun die Laserwellenlänge des einen Strahls mit 694 nm und ein Absorptionsbereich bei beispielsweise 380 nm festgelegt ist, kann man unter Benutzung der FormelDepending on the optical density and dimensions of the medium can be a selected activation wavelength be used in the area of peak absorption, or with large volumes, in the rising range or near the Foot of the absorption area. In most cases it be the best to use energy sources that are of interest Area are focused. Now the laser wavelength of a beam at 694 nm and an absorption range for example, 380 nm is fixed, can be used of the formula
die Frequenz ermitteln, die dem zweiten Laser vorgegeben ist und die in der dritten Spalte der Tafel 10 in diesem Fall mit b=846 nm oder kürzer angegeben wird.determine the frequency that is predefined for the second laser and that in this case is indicated in the third column of table 10 as b = 846 nm or shorter.
Beispiele von Systemen der Klasse I, Gruppe 3 mit Zwei-Photonen-Absorption unter Benutzung verschiedener Frequenzen werden im folgenden angegeben:Examples of Class I, Group 3 systems with two-photon absorption using different frequencies stated the following:
1. Eine mit Diphenylzyclopentadien-Lösung gefüllte Zelle wird durch einander schneidende Strahlenbündel beleuchtet, die den "Wellenlängen" 9431 cm-1 und 18 862 cm-1 (hv₁ und hv₂) entsprechen. Wenn gewünscht, kann ein einzelner Laser benutzt werden, um den ersten Strahlenweg durch das Medium auszubilden, und nicht absorbierte Strahlung von der Rückseite kann durch einen KPD-Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen hindurchgeleitet werden (um hv₂ zu bilden) und durch einen Filter (um hv₁ auszuscheiden), und dann zurück auf einen optischen Weg geleitet werden, der den Strahl wieder in das Medium von einem neuen Eintrittspunkt aus eintreten läßt, damit er den Originalstrahlenweg schneidet. Bei diesem Beispiel tritt nach dem Stand der Technik bekannte Fluoreszenz auf, und jede Fluoreszenz-Struktur gehört nicht zu den Beispielen der Strukturen der Erfindung, die keine Strahlung aussenden. Um diese Materialien erfindungsgemäß zu benutzen, ist es erforderlich, der Mischung eine zusätzliche Komponente hinzuzufügen, die auf die interne Fluoreszenz-Emission so reagiert, daß sie einen Sekundärbereich und das keine Strahlen aussendende erwünschte Erzeugnis schafft.1. A cell filled with diphenylcyclopentadiene solution is illuminated by intersecting beams which correspond to the "wavelengths" 9431 cm -1 and 18 862 cm -1 (hv ₁ and hv ₂). If desired, a single laser can be used to form the first beam path through the medium, and unabsorbed radiation from the back can be passed through a KPD crystal to produce the second harmonic (to form hv₂ ) and through a filter (to eliminate hv ₁), and then be directed back to an optical path that allows the beam to re-enter the medium from a new entry point so that it intersects the original beam path. This example shows fluorescence known in the art and any fluorescent structure is not one of the examples of the structures of the invention that do not emit radiation. In order to use these materials in accordance with the invention, it is necessary to add an additional component to the mixture which responds to the internal fluorescence emission to create a secondary region and the non-radiating, desired product.
2. Chromkarbonyl wird in Methylmethacrylat und Azoisobutylnitril gelöst und auf 50°C erwärmt, bis die Polymerisation vollständig ist. Durchdringen dieses Medium zwei einander schneidende Strahlen, wie oben beschrieben, so ergibt sich eine Zwei-Photonen-Absorption, die eine intensiv gelbe Farbe hervorruft, die bei 77°K stabil ist, jedoch bei Raumtemperatur in einigen Stunden ausbleicht.2. Chromium carbonyl is in methyl methacrylate and azoisobutyl nitrile dissolved and heated to 50 ° C until the polymerization is complete. Piercing this medium two each other intersecting rays, as described above, results a two-photon absorption that has an intense yellow color causes, which is stable at 77 ° K, but at room temperature fades in a few hours.
3. Bariumacrylat wird in einer heißen Gelatine-Lösung aufgelöst, die Methylenblau und p-Toluolsulfonsäure enthält. Die Lösung wird abgekühlt, bis sich ein Gel bildet. Zwei-Photonen-Absorption, wie oben beschrieben, erzeugt an dem Schnittpunkt der Strahlen Radikale, welche das Bariumacrylat polymerisieren, wobei ein opakes, lichtstreuendes Bild aus Polymeren entsteht.3. Barium acrylate is dissolved in a hot gelatin solution, which contains methylene blue and p-toluenesulfonic acid. The solution is cooled until a gel forms. Two-photon absorption, as described above, at the intersection of the Radicals radiate, which polymerize the barium acrylate, creating an opaque, light-scattering image made of polymers.
4. Ein gefrorenes Glas aus Acrylnitril, in dem eine größere Menge von Verbindungen, wie Benzoin oder Azo-Isobutylnitril aufgelöst wurden, die lichtaktivierte Radikale bilden, wird in ähnlicher Weise beleuchtet. Zwei-Photonen-Absorption des Katalysators erzeugt Radikale, die lichtstreuende, unlösliche Polymere bilden.4. A frozen glass of acrylonitrile in which a larger one Amount of compounds such as benzoin or azo-isobutyl nitrile which form light-activated radicals illuminated in a similar way. Two-photon absorption of the Catalyst generates radicals that are light-scattering, insoluble Form polymers.
5. Eine Lösung eines Photo-Vernetzungsmittels wie z. B. 2-Methylanthrachinon oder 1-Chloranthrachinon in einem geeigneten Monomer wie Vinylazetat, Styrol, Methylacrylat usw., welche einen Photopolymerisationskatalysator enthält, dessen Absorptionsspektrum dem des Vernetzungsmittels ähnlich ist, wird eingefroren und zwei intensiven Lichtbündeln ausgesetzt. Am Schnittpunkt wird das Monomer polymerisiert und vernetzt. Nach der Belichtung wird das Glas geschmolzen, und die beleuchteten Gebiete werden von der Matrix mit oder ohne Verwendung von Lösungsmitteln getrennt.5. A solution of a photo crosslinking agent such as. B. 2-methylanthraquinone or 1-chloroanthraquinone in one suitable monomer such as vinyl acetate, styrene, methyl acrylate etc., which contains a photopolymerization catalyst, the Absorption spectrum is similar to that of the crosslinking agent, is frozen and exposed to two intense light beams. The monomer is polymerized and crosslinked at the intersection. After exposure, the glass is melted and the illuminated ones Areas are used by the matrix with or without separated from solvents.
6. Bei der Beleuchtung können statt gefrorenen Glases Gele benutzt werden. Ein wärmeaktivierter Polymerisationskatalysator kann bei Beispiel 4 hinzugefügt werden. Die Lösung wird dann aufgeheizt, bis sie geliert und dann, wie oben beschrieben, beleuchtet. Ein Katalysator wie Azoisobutylnitril würde für dieses System geeignet sein, da es sowohl durch Wärme als auch durch Licht aktiviert wird. Zum Trennen des Bildes von der Matrix werden Lösungsmittel benutzt.6. When lighting, instead of frozen glass, gels can be used to be used. A heat activated polymerization catalyst can be added in example 4. The Solution is then heated until it gels and then how described above, illuminated. A catalyst like azoisobutyl nitrile would be suitable for this system because it is activated by both heat and light. Solvents are used to separate the image from the matrix used.
7. Ein durch Licht vernetzbares, photoempfindliches Polymer wird mit oder ohne Verwendung von Sensibilisatoren und zusätzlichen Vernetzungsmitteln, wie in 5 beschrieben, zwei intensiven Lichtbündeln so ausgesetzt, daß an der Überschneidungsstelle der Bündel Zwei-Photonen-Absorption auftritt. Das vernetzte Polymer wird dann unter Verwendung von Lösungsmitteln von der Matrix getrennt. Beispiele für Polymere, die für dieses System geeignet sind: Polyvinylzinnamat, Polyvinylbenzophenol, Polymere, die Diäthyldithiocarbamat enthalten, Anthrazen, Azide, Acrylazide, Sulphonylazid, Acryldiazid, a-Diazoketone, Furylacryl und -Allyl-Gruppen, Stilben, Azidocinnamate, Polyacetylene und Polymere, bei denen die lichtempfindliche Gruppe mittels Isozyanat-Verbindungen einem polymeren Gerüst verbunden ist und die Urethane bilden, gewisse Olefin-Polymere mit sensibilisierenden Halogenverbindungen und Polyestern, die aus zinnamylidenmalonischen Säuren und verwandten Gemischen gebildet wurden. Andere photoempfindliche Polymere, die mittels eines Photodimerisationsmechanismus vernetzen oder die als Ergebnis der Photolyse einer photolabilen Gruppe vernetzen, die entweder mit der Polymerkette verbunden oder von ihr getrennt sein kann, können in gleicher Weise substituiert und verwendet werden.7. A light-crosslinkable, photosensitive polymer is used with or without the use of sensitizers and additional crosslinking agents, as described in FIG. 5, two exposed to intense light beams so that at the intersection the bundle of two-photon absorption occurs. The cross-linked polymer is then made using solvents separated from the matrix. Examples of polymers that suitable for this system are: polyvinyl tin amate, polyvinyl benzophenol, Polymers containing diethyl dithiocarbamate Anthracene, azides, acrylic azides, sulfonyl azide, acrylic diazide, a-diazoketones, Furylacryl and allyl groups, stilbene, azidocinnamates, Polyacetylenes and polymers in which the photosensitive Group using isocyanate compounds polymeric structure and the urethanes form certain Olefin polymers with sensitizing halogen compounds and polyesters made from tin amylidene malonic acids and related mixtures were formed. Other photosensitive Polymers by means of a photodimerization mechanism network or as a result of photolysis one crosslink photolabile group, either with the polymer chain connected or separated from it can be in be substituted and used in the same way.
8. Eine Laktoflavin oder eine ähnlich wirkende Farbe enthaltende thiolierte Gelatine wird, wie in Beispiel 10 beschrieben, beleuchtet. Die Thiolgruppen im Überschneidungsgebiet vernetzen, was ein unlösliches Bild ergibt.8. Containing a lactoflavin or a similarly acting color thiolated gelatin is, as described in Example 10, illuminated. Network the thiol groups in the overlap area, which gives an insoluble picture.
9. Ein durch Quecksilberchlorid vernetztes Gel, das eine lichtreduzierbare Farbe enthält, wird, wie in Beispiel 6 beschrieben, beleuchtet. Im Bereich der Strahlüberschneidung wird das Quecksilberion reduziert, was die Vernetzung des Gels aufhebt. Hier liegt also ein negativ arbeitendes System vor, das zum Erzeugen einer Hohlform benutzt werden kann.9. A gel cross-linked by mercury chloride, the one contains light-reducible paint, as in Example 6 described, illuminated. In the area of beam intersection the mercury ion is reduced, which crosslinks the Gels picks up. So here is a negative working system that can be used to create a cavity.
10. Eine klare Matrix, die einen hohen Anteil eines halogenisierten Harzes und, wenn nötig, andere halogenisierte Verbindungen und Zinkazetat oder eine andere chemische Verbindung enthält, die in Gegenwart eines Halogens einen Friedel-Crafts-Katalysator bildet, wird, wie oben beschrieben, beleuchtet. An der Überschneidung zweier intensiver Strahlenbündel geeigneter Frequenz wird der Katalysator gebildet und verursacht Entartung des Polymers und gefärbte Verbindungen. Diese Bilder können unter Verwendung von Wärme intensiviert werden.10. A clear matrix that contains a high proportion of a halogenated Resin and, if necessary, other halogenated Compounds and zinc acetate or other chemical compound contains a Friedel-Crafts catalyst in the presence of a halogen forms, is illuminated as described above. At the intersection of two intense beams suitable frequency, the catalyst is formed and caused Degeneracy of the polymer and colored compounds. These images can be intensified using heat will.
Es werden nun Systeme nach Klasse II, Gruppe 2 und Gruppe 3 vorgestellt, die eine schrittweise Viel-Photonen-Absorption verwenden. Diese Systeme sind aus Mechanismen der schrittweisen Zwei-Photonen-Anregung entwickelt, die in jüngster Zeit als analytische und chemische Verfahrenstechniken eingesetzt worden sind. Ein wichtiges System dieser Art entsprang aus dem schrittweisen Prozeß, der zuerst von Ambartzumian und Letokhov 1972 beschrieben wurde. Die Systeme nach Klasse II, Gruppe 2 unterscheiden sich von denen nach Klasse II, Gruppe 3 darin, daß die ersteren nur angeregte Zwischenzustände besitzen, normalerweise Singulett- oder Triplett-Zustände, während die letzteren dazwischen mindestens einen Grundzustand benutzen.Now there will be Class II, Group 2 and Group 3 presented that use a gradual multi-photon absorption. These systems are from mechanisms of stepwise two-photon excitation developed recently as analytical and chemical processing techniques have been used. A important system of this kind emerged from the gradual Process first described by Ambartzumian and Letokhov in 1972 has been. Differentiate the systems according to class II, group 2 differ from those in Class II, Group 3 in that the former only have excited intermediate states, usually singlet or triplet states while the latter use at least one basic state in between.
Der höher angeregte Zustand oder seine Vorläufer können ein höherer Schwingungszustand, ein höherer Rotationszustand und/oder ein höherer elektronischer Zustand sein. Der Übergang vom Vorläufer zum erwünschten angeregten Zustand muß erfolgen, bevor Relaxation des Schwingungs- oder elektronischen Zustandes eintritt oder bevor die Anregungsenergie an benachbarte Moleküle weitergegeben werden kann. In manchen Fällen erfordert diese Bedingung den Einsatz hochintensiver oder gepulster Laserlichtquellen.The more excited state or its precursors can be one higher vibrational state, higher rotational state and / or a higher electronic state. The Transition from the precursor to the desired excited state must be done before relaxation of the vibration or electronic State occurs or before the excitation energy can be passed on to neighboring molecules. In some In cases, this condition requires the use of highly intensive or pulsed laser light sources.
Es gibt drei grundlegende Arten von Reaktionen, die unter die Einteilung der aufeinanderfolgenden Zwei-Photonen-Anregungszustände über Zwischenreaktionen fallen.There are three basic types of reactions under the division of the successive two-photon excitation states fall over intermediate reactions.
In dem oben angeführten Mechanismus ist der Leistungsbedarf für den Zustand ¹Av/r relativ niedrig, und daraus ergibt sich, daß es praktisch ist, eine Wellenlänge im unteren oder infraroten Energiebereich für hv₁ zu verwenden. Beispiele von solchen Reaktionen sind in dem Artikel von V. S. Letokhov (Science, Bd. 180, 1973, S. 451-458) zu finden.In the above mechanism, the power requirement for the 1 Av / r state is relatively low, and as a result, it is convenient to use a low or infrared energy wavelength for hv 1. Examples of such reactions can be found in the article by VS Letokhov (Science, Vol. 180, 1973, pp. 451-458).
Die zweite Art sequentieller Zwei-Photonen-Reaktionen mit zwischenangeregten Zuständen kann wie folgt dargestellt werden:The second type of sequential two-photon reactions with intermediate excited states can be represented as follows:
11. Ein Beispiel einer solchen Reaktionsfolge tritt auf, wenn eine Azulollösung durch einen Primärstrahl der Wellenlänge 530 nm und einen Sekundärstrahl der Wellenlänge 1060 nm beleuchtet wird. Der Primärstrahl hebt die Azulolmoleküle längs seines Pfades in einem angeregten Schwingungszustand des untersten Singuletts S₁. Wenn sie nicht weiter angeregt werden, kehren diese Moleküle ohne Fluoreszenz zum Grundzustand zurück. Im Überschneidungsbereich. in dem die zwei Strahlenbündel nacheinander wirken, werden die Moleküle im angeregten Zustand S₁ durch den Sekundärstrahl zum S₂- Zustand angehoben, und es tritt eine Emission von Fluoreszenzstrahlung auf.11. An example of such a reaction sequence occurs when an azulol solution is illuminated by a primary beam of 530 nm and a secondary beam of 1060 nm. The primary beam lifts the azulol molecules along its path in an excited vibrational state of the lowest singlet S ₁. If they are no longer excited, these molecules return to the ground state without fluorescence. In the overlap area. in which the two beams act one after the other, the molecules in the excited state S ₁ are raised by the secondary beam to the S ₂ state, and an emission of fluorescent radiation occurs.
Obwohl nur geringes theoretisches Verständnis für die unterliegenden Vorgänge vorhanden ist, wird eine dritte sequentielle Reaktion mit Zwei-Photonen-Anregung wie folgt beschrieben:Although there is little theoretical understanding of the underlying Operations exist, a third is sequential Reaction with two-photon excitation is described as follows:
In diesem Fall bildet ein Molekül, das die Energie einer angemessenen Wellenlänge aufnehmen kann, einen angeregten Singulett-Zustand, der dann einen Übergang außerhalb des Systems macht, um einen Triplett-Zustand zu bilden. Diese Tripletts können keine Radikale bilden und keine Bilder durch Reaktionen hervorrufen und zerfallen bald in den Grundzustand, wenn sie nicht weiter angeregt werden. Werden sie jedoch der Strahlung einer angemessenen Frequenz ausgesetzt, so können sie angeregte Triplett-Zustände bilden, welche hochreaktiv sind und die verschiedenen erwünschten Reaktionen einleiten können. Bei Benutzung dieses Systems erzeugt der Primärstrahl Triplett- Zustände seinem Pfad entlang und der Sekundärstrahl erhebt die Triplett-Zustände zu angeregten Triplett-Zuständen an den Überschneidungsstellen.In this case it forms a molecule that has the appropriate energy Wavelength can record an excited Singlet state, which then makes a transition outside the system to form a triplet state. These triplets cannot form radicals and images through reactions cause and soon decay to the ground state when they are no longer stimulated. However, they become the radiation exposed to an appropriate frequency so they can form excited triplet states which are highly reactive and can initiate the various desired reactions. When using this system, the primary beam generates triplet States along its path and the secondary ray rises the triplet states to excited triplet states at the intersection points.
Der große Vorteil von Systemen, die mindestens zwei verschiedene Laserwellenlängen kombiniert benutzen gegenüber Systemen, die auf der Wirkung des intensiven Photonenflusses einer einzelnen Wellenlänge beruhen, liegt in den erheblich niedereren Leistungsanforderungen und der Flexibilität der Wellenlänge im Laser mit hoher Energiestärke, die ermöglicht wird, wenn er in Verbindung mit einer abstimmbaren Lichtquelle mit niederer Leistung benutzt wird. Der Leistungsbedarf kann 1/1000 von dem betragen, der bei einer einzelnen Wellenlänge erforderlich ist, und da in dem Fall mit zwei Wellenlängen die Strahlungsleistung bei dem Auswahlschritt klein ist, und die Schwingungs-/Drehungs-Linien der Molekular- Absorption nicht bedeutend verbreitert, wird es viel leichter, besondere Komponenten des Mediums zu aktivieren.The big advantage of systems that are at least two different Combined use of laser wavelengths Systems based on the effect of intense photon flux based on a single wavelength lies in the substantial lower performance requirements and the flexibility of Wavelength in the laser with high energy strength that enables when connected to a tunable light source is used with low power. The power requirement can 1/1000 of that at a single wavelength is required, and since in the case with two wavelengths the radiation power in the selection step is small and the vibration / rotation lines of the molecular Absorption does not widen significantly, it becomes much easier activate special components of the medium.
Um ein System nach Schema (3) mit minimaler Leistung zu betreiben, wird die Anregung nach A* normalerweise durch einen abstimmbaren Laser erfolgen, dessen Wellenlänge so ausgewählt ist, daß sie die unteren Schwingungsniveaus anregt, wobei die Absorptionsquerschnitte relativ groß sind. Um die molekulare Inharmonie auszugleichen, kann die Wellenlänge schrittweise über die angemessenen Linien der unteren Anregungszustände weggeführt werden, um die Anregung in Resonanz zu halten, und dadurch die Leistungsanforderungen beim Besetzen der ersten Schwingungsniveaus niedrig zu halten. Daraufhin wird der Laser mit der hohen Leistung benutzt, um die höheren Anregungsniveaus mit im allgemeinen kleineren Absorptionsquerschnitten anzutreiben, die weniger genaue Wellenlängenauswahl erfordern. In order to operate a system according to scheme (3) with minimal power, the excitation according to A * will normally be carried out by a tunable laser, the wavelength of which is selected in such a way that it excites the lower vibration levels, the absorption cross sections being relatively large. To compensate for the molecular inharmony, the wavelength can be stepped gradually across the appropriate lines of the lower excitation states to keep the excitation in resonance, thereby keeping the performance requirements low when occupying the first vibration levels. The high power laser is then used to drive the higher excitation levels with generally smaller absorption cross sections that require less accurate wavelength selection.
In vielen Fällen wird die größte Wirkung der angewendeten Energie erreicht, indem man die Strahlung in aufeinanderfolgenden Impulsen so auftreffen läßt, daß die Photonen hv₁ von den Photonen hv₂ gefolgt werden, und daß die Zeit vom Beginn des hv₁-Impulses bis zum Ende des hv₂-Impulses viel kürzer als die Lebensdauer des ersten erregten Zwischenzustandes ist. Für die Strahlungsbündel geeignete Strahlungsquellen können in zwei allgemeine Gruppen unterteilt werden.In many cases, the greatest effect of the energy applied is achieved by allowing the radiation to impinge in successive pulses so that the photons hv ₁ are followed by the photons hv ₂ and that the time from the start of the hv ₁ pulse to the end the hv ₂ pulse is much shorter than the life of the first excited intermediate state. Radiation sources suitable for the radiation beams can be divided into two general groups.
Die erste Gruppe wird von Lasern mit mäßiger Leistung und veränderlicher Wellenlänge im infraroten für ausgewählte Erregung von Molekülschwingungen, und im sichtbaren Bereich für Elektronenanregung von Atomen und Molekülen gebildet. Solche Laser schließen die Spinnwechselklasse ein, die im allgemeinen den Bereich zwischen 5 µm und 15 µm überdeckt, oder die Hochdruck- Gaslaser, bei denen die Rotationslinien einander überdecken und sehr breite Verstärkungsbanden bilden, die den Bereich zwischen 2,5 µm bis 12 µm mit hohem Leistungsniveau überdecken, oder Raman-Laser, bei denen mit Nd-Glas gepumpt wird, welche den Bereich von 1,2 µm bis 2,5 µm überdecken, oder Laser mit organischen Farben mit Frequenzsteuerung, die den Bereich von 0,4 µm bis 1,2 µm überdecken. Andere Strahlenquellen mit angemessener Steuerung der Ausgangsqualität können selbstverständlich ebenso gebraucht werden.The first group is made up of lasers with moderate power and variable wavelength in the infrared for selected excitation of molecular vibrations, and in the visible range for Electron excitation is formed by atoms and molecules. Such lasers include the spin change class, which is generally the Range between 5 µm and 15 µm, or the high pressure Gas lasers in which the lines of rotation overlap each other and form very wide reinforcement bands that the Range between 2.5 µm to 12 µm with a high level of performance cover, or Raman lasers, where pumped with Nd glass which cover the range from 1.2 µm to 2.5 µm, or lasers with organic colors with frequency control, covering the range from 0.4 µm to 1.2 µm. Other Radiation sources with adequate control of output quality can of course also be used.
Die zweite Art brauchbarer Laser besitzt einen hohen Leistungsausgang im Ultravioletten, sie braucht keine Abstimmung der Wellenlängen zu besitzen, jedoch stellen sie eine Leistungsdichte (E₂) in solchem Maße bereit, daßThe second type of usable laser has a high power output in the ultraviolet, it does not need to have a wavelength adjustment, but they provide a power density (E ₂) to such an extent that
wobei σ phd und s phi die Photodissoziations- und Photoionisationsquerschnitte bedeuten. Rubinlaser (mit einer zweiten Harmonischen von 3,6 eV) und Nd-Glas-Laser (dritte und vierte Harmonische mit 3,5 eV bzw. 4,7 eV) und Stickstoff- Laser mit Wellenlängen von 337,1 nm, (3,7 eV) können ebenso verwendet werden, wie Wasserstoff-Laser (160 nm bis 110 nm) oder die Xe-Laser bei etwa 170 nm. Vom Standpunkt des Energieverbrauchs und des Wirkungsgrades aus sind die neuerdings entwickelten Edelgas-Halogen-Laser, die im Bereich von 250 bis 350 nm arbeiten, besonders attraktiv. Diese letztgenannten Laser, z. B. Komplex-Xenon- und Chlor-Laser ergeben einen hohen Wirkungsgrad (d. h. Ausbeute von Photonen pro Einheit elektrischer Energie kann verschiedene Größenordnungen besser sein als bei Argon-Ionen-Lasern). Solche Strahlungsquellen mit hoher Photonenenergie sind besonders wertvoll, wenn freie Radikale in dem aktiven Bereich erwünscht sind, da sie diese bereits von kleineren Molekülen erreichbar werden lassen. Eine Vielzahl von Eigenschaften wird durch die strukturierten Ergebnisse der folgenden Beispiele gezeigt.where σ phd and s phi mean the photodissociation and photoionization cross sections . Ruby lasers (with a second harmonic of 3.6 eV) and Nd glass lasers (third and fourth harmonics with 3.5 eV and 4.7 eV) and nitrogen lasers with wavelengths of 337.1 nm, (3, 7 eV) can also be used, such as hydrogen lasers (160 nm to 110 nm) or the Xe lasers at around 170 nm. From the standpoint of energy consumption and efficiency, the newly developed noble gas halogen lasers are in the range work from 250 to 350 nm, particularly attractive. These latter lasers, e.g. B. complex xenon and chlorine lasers result in high efficiency (ie yield of photons per unit of electrical energy can be different orders of magnitude better than with argon ion lasers). Such radiation sources with high photon energy are particularly valuable when free radicals are desired in the active region, since they make them accessible even to smaller molecules. A variety of properties are shown by the structured results of the following examples.
12. Tetramethylphenoldiamin in einer EPA-Matrix bei 77°K bilden eine in herrlichem Blau gefärbte Struktur, wenn es gegenüber einer Überschneidung von Strahlenbündeln mit 340 nm und 400 nm bewegt wird. Die Farbe rührt von der Bildung eines TMPD-Radikal-Kations her, das ebenso benutzt werden kann, um eine Polymerisation zu katalysieren. Die Farbe bildet sich ebenfalls in Methan- oder Propylen-Karbonat- Lösungen, und ähnliche Systeme können vorbereitet werden, wenn man Triphenyl, 3,4-Benzopyren oder Diphenyl in borsauren Gläsern benutzt.12. Tetramethylphenol diamine in an EPA matrix at 77 ° K form a structure colored in gorgeous blue when it against an overlap of rays with 340 nm and 400 nm is moved. The color stems from education of a TMPD radical cation that also uses can be used to catalyze polymerization. The Color also forms in methane or propylene carbonate Solutions, and similar systems can be prepared if you have triphenyl, 3,4-benzopyrene or diphenyl in boric acids Glasses used.
13. Beta-Naphthol, das in einer Polymethylmethacrylat-Matrix zwei Strahlen ausgesetzt wird, die dem Singulett-Band und dem Triplett-Band der Absorption angepaßt sind, bilden ein halbstabiles gelbes Radikal am Schnittpunkt der beiden Strahlenbündel. 13. Beta naphthol, which is in a polymethyl methacrylate matrix is exposed to two rays, the singlet band and are adapted to the triplet band of absorption, form a semi-stable yellow radical at the intersection of the two beams.
14. Naphthalen in einer Lösung eines Monomers, eines difunktionalen Monomers (um Vernetzung zu erzeugen) und Äthyljodid wird zwei Lichtstrahlen ausgesetzt, einem von 313 nm und einem Strahl im sichtbaren Bereich von einer Wellenlänge, die von dem Triplett des Naphthalens absorbiert wird. Das entstehende angeregte Triplett erzeugt Radikale, die direkt oder indirekt das Monomer polymerisieren und vernetzen. Andere Verbindungen, die statt des Naphthalens benutzt werden können, um ähnliche Radikale zu erzeugen, sind Akridan, 9-Phenylakridan, Toluol, Naphthol, Akriflavin und Akridin.14. Naphthalene in a solution of a monomer, one difunctional monomer (to create crosslinking) and ethyl iodide is exposed to two rays of light, one of 313 nm and a beam in the visible range of one Wavelength absorbed by the triplet of naphthalene becomes. The resulting triplet generates radicals, which polymerize the monomer directly or indirectly and network. Other compounds instead of naphthalene can be used to generate similar radicals are acridan, 9-phenylacridan, toluene, naphthol, acriflavin and acridine.
15. Orotin-Säure und ähnliche Verbindungen bilden auch angeregte Triplette bei Zwei-Photonen-Vorgängen. Diese Triplette können von geeigneten Donatoren Wasserstoffatome abziehen, und dabei Radikale bilden, die einen wirksamen Katalysator für Polymerisations- und mögliche Vernetzungsvorgänge darstellen.15. Orotinic acid and similar compounds also form excited ones Triplet in two-photon processes. These Triplets can contain hydrogen atoms from suitable donors deduct, forming radicals that are effective Catalyst for polymerization and possible crosslinking processes represent.
16. Benzoyl- und Oxalyl-Chlorid und Benzophenol, in einem Polymer aufgelöst, bilden einen angeregten Zustand, der das Polymer vernetzt und unlöslich macht, wobei ein ähnlicher Zwei-Photonen-Mechanismus wirksam ist.16. Benzoyl and oxalyl chloride and benzophenol, in one Polymer dissolved, form an excited state, which crosslinks the polymer and makes it insoluble, with a similar two-photon mechanism is effective.
In den oben beschriebenen neuen Systemen nach Klasse II, Gruppe 2 geschah die Absorption des Sekundärstrahls durch ein Molekül in angeregtem Zustand, und es wurde unterschieden zwischen angeregten Singulett- und Triplett-Zuständen. Bei den nun zu besprechenden Systemen nach Gruppe 3 ist diese Unterscheidung nicht wichtig, weil der Sekundärstrahl von einem Molekül oder Atom im Grundzustand absorbiert wird, und in dem folgenden Abschnitt kann das Zwischenglied im angeregten Zustand entweder ein Singulett oder ein Triplett sein.In the new Class II systems described above, Group 2 happened through the absorption of the secondary beam a molecule in an excited state and a distinction was made between excited singlet and triplet states. In the systems to be discussed according to group 3 is this distinction is not important because of the secondary beam is absorbed by a molecule or atom in the ground state and in the following section the pontic can excited state either a singlet or a triplet be.
Die im Grundzustand befindlichen Zwischensysteme der Gruppe 3 können so vorbereitet werden, daß eine oder beide der Reaktionen irreversibel verläuft. Ein Beispiel dafür ist das Schema (6)The intermediate systems of group 3 that are in the basic state can be prepared so that one or both of the reactions is irreversible. This is an example Scheme (6)
17. Ein solches System wird präpariert durch Benutzung einer Polymethin-Cyanin-Farbe, die unter Bestrahlung mit (hv₁) ein Mono-Cis-Isomer erzeugt, das auf eine Bestrahlung mit (hv₂) reagiert und ein gefärbtes Di-Cis-Isomer ergibt. In einem ähnlichen System ist Bengal-Ros´ vorhanden und wird in ein de-iodiniertes Derivat durch (hv₁) verwandelt, welches wiederum durch (hv₂) in Fluoreszein verwandelt wird, was eine gefärbte fluoreszierende Verbindung und einen Katalysator für Polymerisation ergibt. Diese nicht reversiblen Systeme sind jedoch nur für eine begrenzte Gruppe einfacher Figuren zu gebrauchen.17. Such a system is prepared by using a polymethine-cyanine color, which generates a mono-cis isomer under radiation with (hv ₁), which reacts to radiation with (hv ₂) and a colored di-cis isomer results. In a similar system, Bengal-Ros' is present and is converted into a de-iodinated derivative by (hv ₁), which in turn is converted by (hv ₂) to fluorescein, which results in a colored fluorescent compound and a catalyst for polymerization. However, these non-reversible systems can only be used for a limited group of simple figures.
Im nächsten Schema (7) wird eine nützlichere reversible sequentielle Zwei-Photonen-Reaktion gezeigt:The next scheme (7) shows a more useful reversible one sequential two-photon reaction shown:
In diesem Fall verursacht die Absorption des (hv₁) Photons durch die Komponente (A) die Umwandlung in die Komponente (B). Die Absorption des sekundären Photons (hv₂) durch B erzeugt ein Radikal oder eine gefärbte Verbindung, oder ein Energieübertragungsmittel, usw., wie vorher beschrieben. In this case, the absorption of the (hv ₁) photon by component (A) causes the conversion to component (B) . The absorption of the secondary photon (hv ₂) by B creates a radical or a colored compound, or an energy transfer agent, etc., as previously described.
In den Gebieten, in denen (hv₂) nicht wirksam wurde, zerfällt die Verbindung B zurück zur Verbindung A. Dieser Zerfall kann durch Absorption von Licht- oder Wärmeenergie hervorgerufen werden, und er kann durch eine geeignete Bestrahlung beschleunigt werden, wenn die erwünschte Umkehrgeschwindigkeit und das Vorkommen nicht mit dem vorhandenen Umgebungslicht und der Umgebungswärme zu erreichen sind. Beispiele solcher Systeme werden im folgenden besprochen.In the areas where (hv ₂) was not effective, compound B disintegrates back to compound A. This decay can be caused by absorption of light or thermal energy, and can be accelerated by suitable irradiation if the desired rate of reversal and occurrence cannot be achieved with the ambient light and heat present. Examples of such systems are discussed below.
18. O-Methyl und O-Benzophenon, welche nach Absorption von ultraviolettem Licht reversibel photo-enolisieren, sind geeignete Materialien. Diese Enole reagieren bei Bestrahlung mit einem blauen (hv₂) Photon unter Bildung semistabiler zyklischer Verbindungen von gelber Farbe.18. O-methyl and O-benzophenone, which reversibly photo-enolize after absorption of ultraviolet light, are suitable materials. These enols react when irradiated with a blue (hv ₂) photon to form semi-stable cyclic compounds of yellow color.
19. Ähnliche Reaktionen können bei Verwendung von 2-Benzhydryl- 3-Benzoylchromon und seinen Analogen erhalten werden. Die Dihydrobenzofurane können auch unter Ausnutzung der photochemischen Ringöffnung in Verbindung mit Photozyklierung verwendet werden. Die verwandten Furilchromone machen ebenso eine photochemische Umordnung zwischen nicht-fluoreszierenden und fluoreszierenden Isomeren durch, was sie für spezielle, im folgenden Beispiel beschriebene Zwecke höchst nützlich macht. Zusätzliche Information kann aus Huffman et. al., J. Amer. Chem. Soc., Bd. 92, 1970, S. 599 und Zweig, J. Pure und Applied Chem., Bd. 33, 1973, S. 394 erhalten werden.19. Similar reactions can occur when using 2-benzhydryl 3-Benzoylchromon and its analogs can be obtained. The dihydrobenzofurans can also take advantage of the photochemical Ring opening used in conjunction with photocycling will. The related furil chromones do the same a photochemical rearrangement between non-fluorescent and fluorescent isomers through what they are special, purposes described in the following example are extremely useful makes. Additional information can be found in Huffman et. al., J. Amer. Chem. Soc., Vol. 92, 1970, p. 599 and Zweig, J. Pure and Applied Chem., Vol. 33, 1973, p. 394.
20. Ein anderes solches System benutzt Isooxazole, die sich bei Bestrahlung mit dem ersten Photon (hv₁) in Azirene umwandeln, durch Bestrahlung mit (hv₂) in Isooxazole verwandelt werden und durch Bestrahlung mit (hv₃) Oxazole aus dem Zwischenzustand Azirin ergeben. Diese und ähnliche Materialien sind besonders interessant für die Erfindung, da nur eine der Formen (Oxazol) fluoresziert. Auf diese Weise kann die strukturierte Verteilung von Oxazol als ein Verstärkungs- Zwischenglied benutzt werden oder besonders als das aktive Teil in einem Speichersystem für Rechner, in dem die Bit-Information in der Form einer Anordnung von Stellen in einem drei-dimensionalen Volumen vorhanden ist, welche fluoreszieren oder einer stimulierten Emission fähig sind.20. Another such system uses isooxazoles, which convert to azirenes when irradiated with the first photon (hv ₁), are converted to isooxazoles by irradiation with (hv ₂) and result from the intermediate state azirine by irradiation with (hv ₃) oxazoles . These and similar materials are particularly interesting for the invention, since only one of the forms (oxazole) fluoresces. In this way, the structured distribution of oxazole can be used as a reinforcement intermediate or especially as the active part in a computer storage system in which the bit information is in the form of an array of locations in a three-dimensional volume, which fluoresce or are capable of stimulated emission.
21. Andere reversible Systeme nach Gruppe 3 können präpariert werden, indem C-Nitrose-Verbindungen benutzt werden, die stabile Dimere in wäßrigen oder organischen Lösungen bilden. Diese Dimere können zu Monomeren zersetzt werden, indem entweder Wärme oder ultraviolettes Licht benutzt wird. Siehe auch Schema (8).21. Other reversible systems according to group 3 can be prepared by using C-nitrose compounds that form stable dimers in aqueous or organic solutions. These dimers can be decomposed to monomers by either Heat or ultraviolet light is used. Please refer also scheme (8).
In diesem System hängt die Lebensdauer des Monomers von der besonderen Nitrose-Verbindung ab, sowie von dem gewählten Lösungsmittel und der Temperatur. Das Monomer hat gegenüber dem Dimer eine Absorptionsbande im sichtbaren Roten. Das durch diese Bande absorbierte Licht photolysiert das Monomer und erzeugt Radikale. Gewisse Dinitrose-Verbindungen, wie z. B. 1,4-Dichloro-1,4-Dinitrose-Zyklohexan können in gleicher Weise verwendet werden.In this system the lifetime of the monomer depends on that special nitrous compound, as well as the chosen solvent and the temperature. The monomer has opposite the dimer has an absorption band in the visible red. The light absorbed by this band photolyzes the monomer and generates radicals. Certain dinitrose compounds, such as. B. 1,4-dichloro-1,4-dinitrose cyclohexane can be used in the same way be used.
Mit einer Veränderung der Methode können gefärbte Verbindungen erhalten werden, wenn die Radikale durch farbbildende Verbindungen, die dem Medium hinzugefügt wurden, eingefangen werden. With a change in the method, colored compounds can can be obtained when the radicals by color-forming Connections added to the medium are captured will.
Eine andere Abwandlung der Erfindung benutzt photochromische Materialien, die üblicherweise nur zwischen zwei Zuständen wie in Schema (9) gezeigt wird, hin- und hergeschaltet werden:Another variation of the invention uses photochromic Materials that are usually only between two states switch back and forth as shown in scheme (9):
Das Schema (9) zeigt das geradlinige Ein-Photonen-Verfahren, das in der US-PS 40 41 476 und in der US-PS 36 09 707 benutzt wird, um gefärbte Zahlenbilder mit einer photochromischen Matrix herzustellen. In der praktischen Anwendung der Erfindung kann, anstatt eine Schreib- und Löschkombination von hv₁ mit hv₂, wie es dort gezeigt wird, zu verwenden, ein farbiges Bild erhalten werden durch Anwendung der richtigen Kombination von Strahlungen, um Zwei-Photonen-Übergänge und -Färbung in den ausgewählten Bereichen zu erhalten. Dieser Mechanismus ist viel flexibler und ergibt eine nützlichere Technik für komplizierte Muster. Er kann wie folgt gezeigt werden:Scheme (9) shows the straight-line one-photon process used in US Pat. No. 4,041,476 and US Pat. No. 3,6 09,707 to produce colored number images with a photochromic matrix. In the practice of the invention, instead of using a write and erase combination of hv ₁ with hv ₂ as shown there, a color image can be obtained by using the correct combination of radiations to achieve two-photon transitions and - Get coloring in the selected areas. This mechanism is much more flexible and results in a more useful technique for complicated patterns. It can be shown as follows:
Selbstverständlich können die Viel-Photonen-Anregungssysteme, die benutzt werden, irgendwelche in dieser Anmeldung beschriebene, oder Kombinationen davon sein.Of course, the many-photon excitation systems, used, any of those described in this application, or combinations thereof.
22. Geeignete photochromische Materialien sind auch die 6,6′-Diäthoxithioindigo-Farben und ihre Derivative, die durch optische Einflüsse zwischen den Cis- und Transzuständen geschaltet werden können, wenn zwei Wellenlängen hv₁ und hv₂ benutzt werden. Die zwei Isomere besitzen verschiedene Farben und Eigenschaften, einschließlich der Tatsache, daß nur das Trans-Isomer fluoresziert. Ein Vorteil dieser Materialien ist eine sehr hoch gesteigerte Quantenausbeute bei hohen Temperaturen (90° bei einigen Epoxid-Harzen), was Stabilität bei niederen Temperaturen ergibt, nachdem ein Bild bei einer höheren Temperatur gebildet wurde.22. Suitable photochromic materials are also the 6,6'-diethoxithioindigo colors and their derivatives, which can be switched by optical influences between the cis and trans states when two wavelengths hv ₁ and hv ₂ are used. The two isomers have different colors and properties, including the fact that only the trans isomer fluoresces. An advantage of these materials is a very high increase in quantum yield at high temperatures (90 ° for some epoxy resins), which gives stability at low temperatures after an image is formed at a higher temperature.
23. Für diesen Vorgang sind ebenfalls die in der US-PS 33 29 502 beschriebenen Epoxide zu gebrauchen. Diese Verbindungen sind thermisch stabil und können zwischen farblosen oder hellgelben und rotgefärbten Zuständen geschaltet werden.23. For this process are also those in US-PS 33 29 502 epoxy to use. These connections are thermally stable and can be between colorless or light yellow and red colored states will.
24. In gleicher Weise ergibt N,N′-Diacetylindigo, das in Xylol und geschmolzenem Polyvinylazetat aufgelöst wurde, nach der Abkühlung eine sehr steife polymere Lösung, die sich nach Belichtung mit blauem (458 nm) Licht in die fluxinrote Trans- Konfiguration verwandelt. Wie die schaltbaren Indigofarben- Derivative des Beispiels 22, fluoreszieren die Diacetylindigofarbabkömmlinge nur in der Trans-Form, so daß sie sowohl in Speicherkonstruktionen benutzt werden können, die auf Lichtemission beruhen, als auch in solchen, die auf verschiedener Lichtdurchlässigkeit beruhen.24. In the same way gives N, N'-diacetylindigo that in xylene and melted polyvinyl acetate, after which Cooling down a very rigid polymeric solution Exposure to blue (458 nm) light in the flux-red translucent Configuration transformed. Like the switchable indigo colors Derivatives of Example 22 fluoresce the diacetylindigo color derivatives only in the trans form, so that they both can be used in memory constructions based on Light emission are based, as well as in those based on different Light transmission.
Zusätzliche Einzelheiten, die Eigenschaften der Polymethynfarben (Bsp. 17) auf dem Gebiet der Anregungsemission betreffen, dazu noch die Beschreibung der Benutzung von optischen strukturierten Inhomogenitäten in Laser-Strukturen, die durch diese Erfindung dreidimensional erzeugt werden können, sind bei Melishchuk (Spektroscopy Lett. 8 (9), 1975, S. 669) zu finden. Zur weiteren Information über diese Eigenschaften bei den Oxazolen (siehe Beispiel 2) sind bei Abukumov et. al., Spectrosc. Lett. 8 (9) 1975, S. 651-667, zu finden, sowie bei Andrejeschtschew, Baroni, Kovyrzina, Rozman, Shoniia in Akademy Nauk, S. 64-66, Adrova, Koton, Ranov und Florinskii in Akademy Nauk, S. 39-41 (die letzten beiden geben in englischer Übersetzung auch Information über Szintillation, die dort zu verwenden ist, wo die Anregungsstrahlung eine Teilchenstrahlung statt elektromagnetischer Strahlung ist). Die Gedächtnisprozesse und die Verstärkungsverfahren können Aktivierung durch Zwei- Photonen- oder Ein-Photonen-Systeme einschließen (siehe US-PS 40 41 476).Additional details, the properties of the polymethine colors (Ex. 17) in the area of excitation emission, in addition the description of the use of optical structured Inhomogeneities in laser structures caused by this invention can be generated three-dimensionally at Melishchuk (Spektroscopy Lett. 8 (9), 1975, p. 669). For further information about these properties in the oxazoles (see example 2) are in Abukumov et. al., Spectrosc. Lett. 8 (9) 1975, pp. 651-667, as well as at Andrejeschtschew, Baroni, Kovyrzina, Rozman, Shoniia in Akademy Nauk, pp. 64-66, Adrova, Koton, Ranov and Florinskii in Akademy Nauk, pp. 39-41 (the last two give in English Translation also includes information about scintillation that is there too is where the excitation radiation is a particle radiation instead of electromagnetic radiation). The memory processes and the amplification processes can be activated by two- Include photon or one-photon systems (see U.S. Patent 40 41 476).
Weitere Informationen über diese Materialien können in einem Artikel von A. Zweig, J. Pure and Appl. Chem., Bd. 33, 1973 S. 389-410 und den dort benannten Referenzen 21, 22 und 23 gefunden werden. Ebenso ist eine Information in einem Aufsatz von A. Zweig, W. A. Henderson jr. und K. R. Huffmann zu finden, der von der American Cyanamid Co., Chem. Res. Div., Stamford Connecticut, unter der Überschrift "Intensity Dependent Photoimaging Systems" vorabgedruckt wurde. Ebenfalls werden empfohlen: G. R. Bird, Symposium III, Unconventional Photographic Systems vom 20. bis 23. Oktober 1971, SPSE Abstracts S. 79 und vom selben Autor in Photographic Science and Engineering, Bd. 17, No. 3, May/June 1973, S. 261 bis 267.More information about these materials can be found in one Articles by A. Zweig, J. Pure and Appl. Chem., Vol. 33, 1973 S. 389-410 and the references 21, 22 and 23 named there being found. There is also information in an essay by A. Zweig, W. A. Henderson jr. and K. R. Huffmann that of American Cyanamid Co., Chem. Res. Div., Stamford Connecticut, under the heading "Intensity Dependent Photoimaging Systems "was pre-printed. Also Recommended: G. R. Bird, Symposium III, Unconventional Photographic Systems from October 20 to 23, 1971, SPSE Abstracts P. 79 and by the same author in Photographic Science and Engineering, Vol. 17, No. 3, May / June 1973, pp. 261 to 267.
Eine wichtige Abwandlung der Erfindung umfaßt die Benutzung zusätzlicher Komponenten, die dem Medium zugefügt werden und es für verschiedene Zwecke sensibilisieren können. Solche Sensibilisatoren sind im allgemeinen fähig, solche Strahlungsenergie, auf die andere Komponenten nicht ansprechen, aufzunehmen und genügend Energie im Vorgang der Ausbildung der strukturierten Produktverteilung auf einen Empfänger zu übertragen. An important modification of the invention involves use additional components that are added to the medium and can sensitize it for different purposes. Such sensitizers are generally capable of such radiant energy, to which other components do not respond and enough energy in the process of training the structured Transfer product distribution to a recipient.
Zum Beispiel kann die Verwendung von Sensibilisatoren die Bildung unecht angeregter Tripletts im Primärstrahlweg reduzieren. Diese unerwünschten Anregungen können auftreten, wenn eine Überlappung zwischen dem Band der Grundzustand-Singulettabsorption und dem der Triplett-Triplett-Absorption vorhanden ist (dies ist jedoch selten, da im allgemeinen mit dem Übergang vom Grundzustandssingulett zum Zustand des ersten angeregten Singuletts eine viel höhere Energie verbunden ist, als dem niedersten Triplett-Triplett-Band entspricht). Eine üblichere Überlappung könnte vom Typ T₁→T₄ sein:For example, the use of sensitizers can Reduce the formation of spuriously excited triplets in the primary beam path. These unwanted suggestions can occur when an overlap between the band of ground state singlet absorption and that of triplet-triplet absorption is (however, this is rare because generally with the transition from the ground state singlet to the state of the first excited one Singlets are associated with a much higher energy than corresponds to the lowest triplet-triplet band). A more common one Overlap could be of the type T₁ → T₄:
Die Benutzung von Sensibilisatoren kann auch die Schwächung der Primärstrahlen reduzieren, da sie in niederen Konzentrationen verwendet werden können. Sie können auch verwendet werden, um die Ausbeute an Tripletten zu erhöhen.The use of sensitizers can also weaken the Reduce primary rays as they are in lower concentrations can be used. They can also be used to to increase the yield of triplets.
Es werden einige wenige Beispiele von Sensibilisierungsreaktionen in Systemen der Klasse I und auch der Klasse II angegeben; es sollte jedoch dabei beachtet werden, daß die Anzahl der möglichen Kombinationen sehr groß ist, und wie bei den anderen Beispielen dieser Schrift, sind sie nur als Verdeutlichung gedacht.There are a few examples of sensitization reactions specified in class I and class II systems; however, it should be noted that the number of the possible combinations is very large, and like the others Examples of this document are only for clarification thought.
Die folgenden Schemata geben einige Sensibilisierungsmechanismen der Klasse I an. The following schemes give some awareness mechanisms class I.
Schema (12) zeigt die Absorption zweier ungleicher Photonen durch einen Sensibilisator unter Benutzung der Singulett- Singulett-Wechselwirkung oder der Fluoreszenz. Die folgenden Schemata (13) und (14) zeigen Singulett- und Triplett-Reaktionen mit Sensibilisierung.Scheme (12) shows the absorption of two dissimilar photons through a sensitizer using the singlet Singlet interaction or fluorescence. The following Schemes (13) and (14) show singlet and triplet reactions with awareness.
Die folgenden Schemata und Beispiele zeigen Sensibilisierungsmechanismen der Klasse II. In einer Gruppe solcher sensibilisierter Reaktionen absorbiert der Sensibilisator den Primärstrahl, und die Energie wird auf ein Molekül im Grundzustand übertragen:The following schemes and examples show sensitization mechanisms class II. In a group of such sensitized Reactions, the sensitizer absorbs the primary beam, and the energy is on a molecule in the ground state transfer:
In den beiden obigen Systemen geschieht die Sensibilisierung durch eine Singulett-Singulett-Wechselwirkung oder durch Ab sorption von Fluoreszenzstrahlung. Obwohl es nur wenig theoretische Kenntnis der Details dieser Energieübertragungsmechanismen gibt, reicht die Erkenntnis aus der praktischen Erfahrung für die ge genwärtigen Zwecke aus, daß es nur nötig ist, daß das Emissions spektrum des Donators und das Absorptionsspektrum des Akzeptors einander überlappen. Das benutzte Licht braucht nur die Wellen länge zu haben, die von dem Sensibilisator absorbiert wird, der Akzeptor kann vollständig transparent sein.Sensitization occurs in the two systems above by a singlet-singlet interaction or by Ab sorption of fluorescent radiation. Although there is little theoretical Knowledge of the details of these energy transfer mechanisms, the knowledge from practical experience is sufficient for ge present purposes that it is only necessary that the emissions spectrum of the donor and the absorption spectrum of the acceptor overlap each other. The light used only needs the waves length that is absorbed by the sensitizer, the acceptor can be completely transparent.
Das Schema (17) zeigt eine Triplett-Triplett-Sensibilisierung, bei der, wie oben, die Energie einem Molekül im Grundzustand übertragen wird.Scheme (17) shows triplet-triplet sensitization, where, like above, the energy of a molecule in the ground state is transmitted.
25. Ein Beispiel nach dem Schema (17) kann präpariert werden, wenn man zu dem Beispiel 14 Benzophenon als Sensibilisator hinzufügt und dann die Wellenlänge des Primärstrahls in 365 nm ändert. Diese Wellenlänge wird von reinem Naphthalen nicht absorbiert. 25. An example according to the scheme (17) can be prepared if, for example, 14 benzophenone as Sensitizer and then adds the wavelength of the primary beam changes to 365 nm. This wavelength is made from pure naphthalene not absorbed.
In den folgenden Systemen (Schemata (18) und (19)) wird der Sekundärstrahl vom Sensibilisator absorbiert, und die Energie wird zum Produkt des Primärstrahls überführt. Im Schema (18) übergibt der Sensibilisator seine Energie einem angeregten Singulett, während in Schema (19) die Energie einem angeregten Triplett zugeführt wird.In the following systems (Schemes (18) and (19)) the Secondary beam absorbed by the sensitizer, and the energy is transferred to the product of the primary beam. In the scheme (18) the sensitizer transfers its energy to an excited singlet, while in scheme (19) the energy of an excited triplet is fed.
Bei einer anderen bedeutenden Variation der Erfindung wird die strukturierte Verteilung des Produktes X als ein Zwischenschritt zur Erzeugung des Endproduktes benutzt. In einer Abart dieser Variation ist X ein Energieübertragungsmittel, das Energie in Form einer elektromagnetischen oder Teilchenstrahlung unterhalb der Anregungsenergie aufnehmen kann. In einem einfachen Fall kann das verteilte Produkt X eine Verteilung fluoreszenzfähiger Moleküle sein, die im allgemeinen bei keiner der zur Erzeugung der Strukturen benutzten Strahlungen fluoreszieren, die jedoch unter ausgewählten Strahlungsbedingungen zu fluoreszieren beginnen und so eine Energie auf andere, vorher untätige, photoempfindliche Mechanismen übertragen, wie z. B. auf einen Polymerisationsvorgang. Der Vorteil ist, daß ein einziges fluoreszierendes Molekül Tausende von Photonen pro Sekunde auf ein Akzeptorsystem übertragen kann. Auf diese Weise wird der ursprüngliche Strukturerzeugungsvorgang der Klassen I oder II einer großen Verstärkung unterworfen, wodurch bei niederer Konzentration von X gleichzeitig eine beachtliche Menge des Endproduktes erzeugt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn X durch verhältnismäßig unwirksame Zwei-Photonen- Absorptionsvorgänge erhalten wird. Dieser Vorgang kann wie folgt schematisch dargestellt werden, wobei L das Rezeptorsystem bezeichnet:In another significant variation of the invention, the structured distribution of product X is used as an intermediate step in the production of the final product. In a variant of this variation, X is an energy transfer medium that can absorb energy in the form of electromagnetic or particle radiation below the excitation energy. In a simple case, the distributed product X can be a distribution of fluorescent molecules that generally do not fluoresce in any of the radiations used to generate the structures, but which begin to fluoresce under selected radiation conditions and thus transfer energy to other previously inactive photosensitive mechanisms , such as B. on a polymerization process. The advantage is that a single fluorescent molecule can transfer thousands of photons per second to an acceptor system. In this way, the original structure creation process of Class I or II is subjected to a large amplification, whereby at a low concentration of X, a considerable amount of the end product is simultaneously produced. This is particularly advantageous when X is obtained by relatively ineffective two-photon absorption processes. This process can be represented schematically as follows, where L denotes the receptor system:
Je nach den an die Auflösung gestellten Ansprüchen wird eine zweite Komponente, die zur Aufnahme übertragener Energie, wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben, fähig ist, im allgemeinen einen höheren Absorptionskoeffizienten oder höhere Reaktivität auf den Energieübertragungsmechanismus und auch höhere Konzentration im Medium haben müssen, wenn die Anforderungen an die Auflösung größer werden. Es ist durchaus üblich, für spezifische Materialien Konzentrationstabellen auszuarbeiten, die den Mindestwert der molaren Absorptionskoeffizienten gegen den Wert der erwünschten Auflösung angeben. Diese gleiche Überlegung ist auch auf die verschiedenen Energieübergangsmechanismen, wie Fluoreszenz, Emission/Absorption, den Förster- Mechanismus der Energieübertragung und andere Arten der Energieübertragung, die nicht von abhängen und in erster Linie durch Molekülkontakt funktionieren und dem Fachmann im allgemeinen als verschiedene Formen intramolekularer strahlungsloser Übergänge bekannt sind, anwendbar.Depending on the demands placed on the resolution, a second component that is used to absorb transmitted energy, such as described in the previous section is capable, in general a higher absorption coefficient or higher reactivity on the energy transfer mechanism and also higher Must have concentration in the medium if the requirements to get bigger at the resolution. It is quite common prepare concentration tables for specific materials, which is the minimum value of the molar absorption coefficient against the value of the desired resolution. This same Consideration is also on the different energy transfer mechanisms, such as fluorescence, emission / absorption, the Mechanism of energy transfer and other types of energy transfer, that don't depend on and in the first place function through molecular contact and the expert in general than different forms of intramolecular radiationless Transitions are known to be applicable.
Beispiele solcher Sensibilisierungs- und Verstärkungssysteme werden im folgenden gegeben.Examples of such awareness and reinforcement systems are given below.
26. Ein Farbvorläufer bzw. eine Vorfarbe in einer klaren Matrix wird zwei einander schneidenden Lichtstrahlen von angemessener Energie ausgesetzt, so daß zwei Photonenabsorptionsprozesse, wie früher beschrieben, eine Struktur verteilter Farben ergibt. Die Farbe (siehe unten) wird nach ihrer Fähigkeit ausgewählt, den Zerfall des Farbvorläufers über eine Photonenreaktion zu sensibilisieren (T→T Energieübergang), die von der Absorption der langen Wellenlängen des Abtaststrahls oder eines getrennten Entwicklungsstrahls herrührt. Dies wird im Schema (21) gezeigt:26. A color precursor or pre-color in a clear matrix is exposed to two intersecting light beams of adequate energy so that two photon absorption processes, as previously described, result in a structure of distributed colors. The color (see below) is selected according to its ability to sensitize the decay of the color precursor via a photon reaction (T → T energy transition) resulting from the absorption of the long wavelengths of the scanning beam or a separate developing beam. This is shown in scheme (21):
Ein solches System kann präpariert werden in einer transparenten Matrix, die Amine, wie Diphenylamin oder N-Vinylcarbazol zusammen mit einem organischen Halogen, wie z. B. Iodoform oder Kohlenstofftetrabromid, enthält. Die Halogene und die Amine vereinen sich zu einem Komplex, der, wenn er einem fokussierten Rubin-Laserstrahl ausgesetzt wird, eine kleine Menge einer Farbe erzeugt, die durch Bestrahlung mit rotem Licht vergrößert werden kann. Siehe auch Fotland, J. Photogr. Sc., Bd. 18, 1970, S. 33, Hazy & Petro, Laser Focus, Bd. 8, 1972, S. 32.Such a system can be prepared in a transparent Matrix, the amines, such as diphenylamine or N-vinyl carbazole together with an organic halogen, such as. B. iodoform or Carbon tetrabromide. The halogens and the amines combine become a complex that, when focused on Ruby laser beam is exposed to a small amount of one Color generated that magnified by exposure to red light can be. See also Fotland, J. Photogr. Sc., Vol. 18, 1970, P. 33, Hazy & Petro, Laser Focus, Vol. 8, 1972, p. 32.
27. Stabile Fluoreszoren können auch über simultane Zwei- Photonenabsorptionssysteme erzeugt werden, bei Benutzung der Fluoreszor-Vorläufer, die in Zweig (J. Pure and Applied Chem., Bd. 33, S. 389-440) beschrieben sind. Unter den nützlichen Reaktionen befinden sich oxidative Zyklisation, Dedimerisation, Tautomerisation, Umordnung, Elimination, Oxidation, Substitution und Reduktion. Die bevorzugten Materialien werden in größerer Ausführlichkeit in dem Abschnitt über Fluoreszenzemissionsspeicher am Ende dieser Schrift besprochen und sie schließen ein die Benutzung der Spaltung von Photodimeren durch Licht in fluoreszente Monomere (Salmon and Chandross, Analytical Chemistry, Bd. 45, Dez. 1973, S. 2446), die photochemische Erzeugung fluoreszenten Zyklohexa-1,3-diens durch ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von weniger als 300 nm bei Benutzung von Strahlen mit größerer Wellenlänge und Zwei-Photonenabsorption nach US-PS 38 99 678, und den Übergang von Cis- zu fluoreszenten Transisomeren in der Indigofarbserie (J. Phys. Chem. Bd. 72, Nr. 8, Aug. 1968, S. 2817).27. Stable fluorescence can also be Photon absorption systems are generated using the Fluorescent precursors found in Zweig (J. Pure and Applied Chem., 33, pp. 389-440). Among the useful reactions there are oxidative cyclization, dedimerization, Tautomerization, rearrangement, elimination, oxidation, substitution and reduction. The preferred materials are in greater detail in the section on fluorescence emission storage discussed at the end of this document and they include use the cleavage of photodimers by light into fluorescent Monomers (Salmon and Chandross, Analytical Chemistry, Vol. 45, Dec. 1973, p. 2446), the photochemical generation is fluorescent Cyclohexa-1,3-dien by ultraviolet light of one wavelength of less than 300 nm when using beams with longer wavelength and two-photon absorption according to US-PS 38 99 678, and the transition from cis to fluorescent transisomers in the Indigo color series (J. Phys. Chem. Vol. 72, No. 8, Aug. 1968, p. 2817).
George R. Bird hat eine wichtige Gruppe neuer Energieübergangssysteme und -mittel in Phot. Sc. and Engineering, Bd. 17, Nr. 3, Mai/Juni 1973, S. 261-267 beschrieben. Bird beschreibt andere direkte intramolekulare Energieübergangssysteme in seinen US-PS 36 22 316 und 36 22 317.George R. Bird has an important group of new energy transfer systems and means in Phot. Sc. and Engineering, Vol. 17, No. 3, May / June 1973, pp. 261-267. Bird describes other direct intramolecular energy transfer systems in his U.S. Patents 36 22 316 and 36 22 317.
In einer anderen Variation des oben Angeführten kann das Produkt (X) ein Photokatalysationsmittel sein. Ein Photokatalysationsmittel unterscheidet sich von einem Energieübertragungsmittel durch die Tatsache, daß es in den Bildungsreaktionen des nachfolgenden Schemas verbraucht wird. Diese sind schematisch aufgezeichnet und von Beispielen gefolgt:In another variation of the above, the product (X) can be a photocatalyst. A photocatalyst differs from an energy transfer agent in that it is consumed in the formation reactions of the scheme below. These are recorded schematically and followed by examples:
28. Eine Verbindung (A), die mittels einer Photoreaktion einen Polymerisationskatalysator (B) bilden kann, wird in einem passenden Monomer oder in einem vernetzbaren Polymer aufgelöst. Zwei- Photonenabsorption mit einander schneidenden Strahlen wird benutzt, um den aktiven Photokatalysator (B) in der erwünschten Struktur zu erzeugen. Die Matrix wird dann einer Art von Strahlung ausgesetzt, die den Katalysator (B), aber nicht (A) aktiviert. Die Verbindung (A) kann ebenfalls ein Polymerisationskatalysator sein, der auf chemischem Wege so geändert oder in einen Komplex verwandelt wurde, daß durch Zwei-Photonenabsorption die Inaktivierung aufgehoben und die Originaleigenschaft wieder hergestellt werden kann.28. A compound (A) which can form a polymerization catalyst (B) by means of a photoreaction is dissolved in a suitable monomer or in a crosslinkable polymer. Two-photon absorption with intersecting beams is used to produce the active photocatalyst (B) in the desired structure. The matrix is then exposed to some type of radiation that activates the catalyst (B) but not (A) . The compound (A) can also be a polymerization catalyst which has been chemically modified or converted into a complex in such a way that the inactivation can be removed by two-photon absorption and the original property can be restored.
29. Dieser Vorgang ist auch brauchbar, wenn gewisse Farben benutzt werden, die nur dann eine Polymerisation einleiten können, wenn sie an makromolekulare Substrate gebunden sind. In diesem Beispiel wird ein Gel, das kristallines violettes Leukonitril, ein Monomer, ein difunktionales Monomer, ein mildes Reduziermittel und Polymethylacrylsäure enthält, belichtet. Das durch Zwei-Photonenabsorption erzeugte Farb- Kation verbindet mit dem Polymer. Das Gel wird dann einer Strahlung im Absorptionsband der Farbe unterhalb der Anregungsenergie ausgesetzt. Die Farbe wird reduziert und erzeugt Radikale, um das Monomer zu polymerisieren. Auf diese Weise wird die Unwirksamkeit des Zwei-Photonenabsorptionsprozesses überwunden, indem eine Licht-"Entwicklung" des schwachen Bildes benutzt wird. Dieser Verstärkungseffekt ist von zusätzlichem Vorteil bei unfokussierten Überschneidungsbereichen, oder wenn die Strahlen zu einer diffuseren Geometrie verbreitet wurden, statt fokussierte, dünne Strahlen zu sein. Beispielsweise, wenn drei Lichtebenen benutzt werden, um den aktiven Bereich zu erzeugen, wobei sie an ihrem Schnittpunkt einen einzelnen Punkt, der einen aktiven Bereich umfaßt, bilden.29. This process is also useful if certain colors are used that only initiate polymerization can if they are bound to macromolecular substrates. In this example, a gel called crystalline violet leuconitrile, a monomer, a difunctional monomer, a mild reducing agent and Contains polymethylacrylic acid, exposed. The color produced by two-photon absorption Cation combines with the polymer. The gel then becomes a radiation in the absorption band of the color below the excitation energy exposed. The color is reduced and creates radicals, to polymerize the monomer. That way overcome the ineffectiveness of the two-photon absorption process, by a light "development" of the weak picture is used. This reinforcing effect is additional Advantage with unfocused overlap areas, or when the rays spread to a more diffuse geometry instead of being focused, thin rays. For example, when three light levels are used to match the active one Generate area, where at their intersection a single point that includes an active area.
Die oben beschriebenen Beispiele enthalten etliche, bei denen das inhomogene Produkt Inhomogenitäten des Brechungsindex umschließt. Darunter sind Beispiel 3, (falls Natriumacrylat oder -acrylamid für die Barium- Verbindung substituiert wird), Beispiele 5, 6, 7 und 8, Beispiel 12 und Beispiele 14, 15 und 16. Um diese und verwandte Inhomogenitäten des Brechungsindex für optische Zwecke zu verwenden, ist es notwendig, die Anordnung und Gestaltung der Bereiche nach gewissen Regeln zu beeinflussen, die im folgenden aufgestellt werden.The examples described above contain several in which the inhomogeneous product encloses inhomogeneities in the refractive index. Below are example 3, (if sodium acrylate or acrylamide for the barium Compound is substituted), Examples 5, 6, 7 and 8, Example 12 and Examples 14, 15 and 16. To this and related inhomogeneities to use the refractive index for optical purposes it is necessary to arrange and design the areas to influence according to certain rules set out below will.
Die für die Herstellung optischer Elemente verschiedener Art brauchbaren Materialien können im weitesten Sinne als photochemisch aktive Materialien beschrieben werden, die sich von einem Zustand mit einem Brechungsindex in mindestens einen anderen Zustand mit verschiedenem Brechungsindex durch die in der US-PS 40 41 476 oder in den vorhergehenden Teilen dieser Anmeldung gezeigten Mechanismen bringen lassen. In bestimmten Fällen, wie bei der Herstellung von Apodisations-Schirmen, sind Verteilungen, die den Durchgang von Licht hemmen, wertvoll.The for the production of various types of optical elements usable materials can be considered in the broadest sense as photochemical active materials that differ from a state with a refractive index in at least one different state with different refractive index by the in US-PS 40 41 476 or in the preceding parts of this Have registration mechanisms brought. In particular Cases, such as in the manufacture of apodization screens, distributions that block the passage of light are valuable.
Eine Gruppe geeigneter Materialien sind die Gläser und kristallinen Materialien, wie sie von Crow et al. (Applied Optics Bd. 14, März 1975, S. 580 und in der in Applied Optics erschienenen Aufsatzreihe von Thaxter (April 1974, S. 913), Staebler und Phillips (April 1974, S. 788) und Micheron, Mayeux und Trotier (April 1974, S. 784) beschrieben wurden. Diese Materialien schließen mit ein: Strontium-Barium-Niobat, Lithium- Niobat und Blei-Lanthan-Titan-Zirkonat-Keramiken (PLZT). Einige dieser Materialien können auch für den Gebrauch wie früher beschrieben sensibilisiert werden (Phillips et. al. RCA Rev. 33 (1972) S. 94; und Ishida et. al. Applied Phys. Let. Bd. 21, (1972) S. 192).A group of suitable materials are the glasses and crystalline ones Materials as described by Crow et al. (Applied Optics Vol. 14, March 1975, p. 580 and in the published in Applied Optics Essay series by Thaxter (April 1974, p. 913), Staebler and Phillips (April 1974, p. 788) and Micheron, Mayeux and Trotier (April 1974, p. 784). These materials include: strontium barium niobate, lithium Niobate and lead-lanthanum-titanium-zirconate ceramics (PLZT). Some These materials can also be used as described earlier be sensitized (Phillips et. al. RCA Rev. 33 (1972) p. 94; and Ishida et. al. Applied Phys. Let. Vol. 21, (1972) p. 192).
Wenn optische Elemente von beträchtlicher Größe gebraucht werden, so werden Kunststoffmaterialien bevorzugt, die verläßlich ohne Unvollkommenheiten hergestellt werden können, und welche einem weiten Bereich photochemischer Prozesse unterworfen werden können, die Unterschiede des Brechungsindex und der Durchlässigkeit ergeben. Eine wichtige Gruppe von Kunststoffmaterialien ist in der US-PS 37 26 588 (J. R. Rust) beschrieben. Die in dieser Schrift vorkommenden Kunststoffmaterialien können auf zwei verschiedenen Wegen photochemischen Änderungen unterzogen werden, wovon der eine ein Additions-Polymer und der andere ein Kondensations-Polymer ergibt. Diese verschiedenen Produkte haben bestimmte verschiedene Brechungsindizes und können auf nützliche Weise strukturiert werden, um die inhomogenen optischen Komponenten dieser Erfindung zu ergeben. Gleichfalls nützliches Material wird in der US-PS 36 15 454 (Cescon et. al.) beschrieben.If optical elements of considerable size are needed, so plastic materials are preferred that are reliable can be made without imperfections, and what be subjected to a wide range of photochemical processes can, the differences in refractive index and permeability surrender. An important group of plastic materials is described in U.S. Patent No. 37 26 588 (J.R. Rust). The plastic materials occurring in this document can undergo photochemical changes in two different ways , one of which is an addition polymer and the other another gives a condensation polymer. These different Products have certain different refractive indices and can be structured to the to give inhomogeneous optical components of this invention. Likewise useful material is described in US Pat. No. 3,615,454 (Cescon et. Al.).
Eine andere nützliche Gruppe von Materialien sind solche, welche auf photochemischem Wege aus einem Polymerisationszustand in einen anderen, verschiedenen Polymerisationszustand überführt werden können. Materialien, bei denen ein komplexes Polymer auf photochemischem Wege in einfachere polymere Zustände gebracht wird, sind beispielsweise in den US-PS 28 92 712 und 38 84 696 beschrieben, bei denen Verbindungen durch Lichtenergie im Bereich von 170 bis 400 nm aufgebrochen werden. Eine größere Gruppe wird durch Reaktionen gekennzeichnet, bei denen Lichtanregung Verbindungen herstellt, statt einfachere Produkte zu erzeugen; es sind hier zu nennen die US-PS 26 10 120 und 26 70 287 (Polyvinyl-Zinamat mit Lichtsensibilisatoren, wie z. B. Nitro-Verbindungen und Diaminoaryl-Verbindungen), US-PS 27 56 143 (Benzal- und Zinnamal-Arvinylacetophenon- Polymere), die US-PS 28 61 058 (alkali-lösliche Bernsteinsäure oder Phthalische Ester von teilweise verestertem Polyvinylalkohol, bei dem das veresternde Mittel Zimtsäure oder ihre Derivate sind), die US-PS 27 02 243 (Diazo- Verbindungen und Polyimide), US-PS 31 43 416 und 31 43 417 (Diazo-Verbindungen und besondere Polyamide), US-PS 31 89 451 (Aldehyde und eine Diazo-Verbindung eines Arylamins), und US-PS 29 27 022 (Zellulose-Abkömmlinge und eine Äthylen- Verbindung als Additions-Polymerisations-Verbindung). Die in diesem Absatz zusammengestellten Materialien können durch die praktische Anwendung dieser Erfindung dazu gebracht werden, daß sie sich durch gesteuerte Umwandlung von einem Monomer zu einem Polymer oder von Polymeren zu Additions- und vernetzten Polymeren verwandeln, was durch Vorgänge von Kondensation, Addition oder Vernetzung in einer gesteuerten und in Bereichen ablaufenden Weise geschieht.Another useful group of materials are those photochemically from a polymerization state in transferred a different, different polymerization state can be. Materials with a complex polymer brought into simpler polymeric states by photochemical means is, for example, in US Pat. No. 2,892,712 and 38 84 696 described in which connections by light energy in the range from 170 to 400 nm. A larger group is characterized by reactions at to which light excitation creates connections instead of simpler ones To produce products; the US PS are to be mentioned here 26 10 120 and 26 70 287 (polyvinyl zinamate with light sensitizers, such as B. nitro compounds and diaminoaryl compounds), US Pat. No. 2,756,143 (benzal and tin amal arvinylacetophenone) Polymers), US Pat. No. 2,861,058 (alkali-soluble succinic acid or phthalic esters of partially esterified Polyvinyl alcohol, in which the esterifying agent is cinnamic acid or are their derivatives), the US-PS 27 02 243 (Diazo- Compounds and Polyimides), U.S. Patents 31 43 416 and 31 43 417 (Diazo compounds and special polyamides), US Pat. No. 3,189,451 (Aldehydes and a diazo compound of an arylamine), and US Pat. No. 2,927,022 (cellulose derivatives and an ethylene Compound as addition-polymerization compound). The Materials compiled in this paragraph can by the practical application of this invention can be brought that they are controlled by conversion from a monomer to a polymer or from polymers to addition and crosslinked Transforming polymers through condensation, Addition or networking in a controlled and in areas expiring way happens.
Eine wichtige Gruppe von Materialien wurde in der Literatur beschrieben, um Raumhologramme aufzuzeichnen, und einige dieser Materialien sind im Handel erhältlich, z. B. von der DuPont-Corporation, der Newport Research Corporation, der Hughes Aircraft Corporation und anderen. Erreichbare technische Information, die einige dieser Materialien betrifft, zeigt, daß sie oftmals zu einer weit unterschiedenen Brechungsindex- Veränderung fähig sind, und daß sie besonders nützlich sind, wenn bedeutende Brechungsindexveränderung gefordert wird. (Siehe auch Tafel 12).An important group of materials has been found in the literature described to record space holograms, and some these materials are commercially available, e.g. B. from the DuPont Corporation, Newport Research Corporation, the Hughes Aircraft Corporation and others. Accessible technical Information regarding some of these materials shows that they often lead to a widely different refractive index Are capable of change and that they are particularly useful when significant refractive index change is required. (See also table 12).
Eine Gruppe solchen holographischen Materials wurde von Chambers und Jenney (US-PS 44 79 185, J. Opt. Soc. Am. Bd. 60, 1970, S. 1155 und Bd. 61, 1971, S. 1116) beschrieben. Diese Materialien sind zuerst flüssig und schrumpfen bei der Belichtung. Sie können für die vorliegenden Zwecke in Schutzzellen verwendet werden, und ebenso, wie andere Materialien, die im Zusammenhang mit einer Verwendung in dieser Erfindung Volumenänderungen erfahren, kann es nötig sein, sie durch Schleifen und Polieren nach der Erzeugung der internen Brechungs-Inhomogenitäten nachzubehandeln. Wenn solche Materialien benutzt werden, sind diese darauf folgenden Formungs- und Endbehandlungsvorgänge Teil der Erfindung.A group of such holographic material was developed by Chambers and Jenney (U.S. Patent No. 44 79 185, J. Opt. Soc. Am. Vol. 60, 1970, p. 1155 and vol. 61, 1971, p. 1116). These materials are liquid at first and shrink on exposure. they can be used in protective cells for the present purposes and just like other materials related undergo volume changes with use in this invention, it may be necessary to grind and polish them after the internal refraction inhomogeneities are generated. If such materials are used, they are subsequent molding and finishing operations part the invention.
Ein Beispiel für eine andere Gruppe von Materialien sind die in einem Aufsatz von Tomlinson, Chrandross und anderen in Appl. Opt., Bd. 15, Feb. 1976, S. 534 und in der US-PS 38 09 732 beschriebenen photopolymeren Systeme aus vielen Komponenten, bei denen photochemische Prozesse Änderungen der chemischen Zusammensetzung mit sehr hohen Unterschieden im Brechungsindex hervorrufen. Die Mechanismen, die diese Unterschiede hervorrufen, sind noch nicht aufgeklärt, aber offensichtlich können die Materialien benutzt werden, um wirksame Lichtleiter innerhalb eines Volumens zu schaffen, die der Faseroptik analog sind, die durch die in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren erzeugt wird. Optische Inhomogenitäten in beträchtlichen Volumina können erzeugt werden, wenn die Diffusionserfordernisse der Materialien in Rechnung gestellt werden, und wenn die einzelnen Komponenten selektiv mit angemessenen Strahlungsmechanismen angeregt werden, die sich in anderer Weise unterscheiden als die jeweilige Polymerisationsgeschwindigkeit (wie von Chandross und Tomlinson beschrieben).An example of another group of materials is that in an essay by Tomlinson, Chrandross and others in Appl. Opt., Vol. 15, Feb. 1976, p. 534 and in U.S. Patent No. 38 09 732 described photopolymer systems made up of many components, where photochemical processes change the chemical Composition with very high differences in the refractive index cause. The mechanisms that make up these differences have not yet been elucidated, but are obvious the materials can be used to make effective light guides to create within a volume that is analogous to fiber optics are by the methods described in this invention is produced. Optical inhomogeneities in considerable Volumes can be created if the diffusion requirements of the materials will be charged and if the individual Components selectively with appropriate radiation mechanisms that are different in a different way than the respective polymerization rate (as of Chandross and Tomlinson described).
Andere Materialien, die eine Abstufung im Brechungsindex hervorrufen können, wurden von J. D. Margerum in seinem Abschluß- Bericht vom Juli 1973 "Chemistry of Photopolymer Light Sensitive Systems" beschrieben, der als Bericht Nr. AD770068 vom Air Force Office of Scientific Research erhältlich ist. Das von M. J. Bowden und anderen in Appl. Optics Bd. 13, Nr. 1, Jan. 1974, S. 112 beschriebene, speziell präparierte Polymethylmethacrylat hat den Nachteil, daß die Änderung des Brechungsindex verzögert erfolgt, kann aber dennoch in manchen Fällen eingesetzt werden. Dieses Material wurde von Tomlinson und Chandross und anderen benutzt, um optische Wellenleiter zu bilden, indem ein fokussierter Lichtstrahl und übliche Photochemie benutzt werden (US-PS 36 89 264 und 38 09 686), ähnlich, wie es in der US PS 40 41 476 beschrieben ist.Other materials that cause gradation in the refractive index J. D. Margerum in his final Report of July 1973 "Chemistry of Photopolymer Light Sensitive Systems "described as Report No. AD770068 is available from the Air Force Office of Scientific Research. The one by M. J. Bowden and others in Appl. Optics Vol. 13, No. 1, Jan. 1974, p. 112, specially prepared polymethyl methacrylate has the disadvantage that changing the Refractive index is delayed, but can still occur in some Cases are used. This material was created by Tomlinson and Chandross and others used optical waveguides to form by a focused beam of light and usual photochemistry can be used (US-PS 36 89 264 and 38 09 686), similar to that described in US Pat. No. 4,041,476 is.
Andere Medien zur Aufzeichnung von Holographien mit beachtlicher Fähigkeit, den Brechungsindex zu ändern, sind in den US-PS 35 47 509 (R. G. Brandes), 39 26 637 (Bartolini und Bloom), und von Booth in Appl. Opt. Bd. 11, Nr. 12, 1973, S. 2994 beschrieben. Das von Bartolini und Bloom beschriebene Material ist besonders interessant, da eine Menge von gußfähigen polymeren Matrix-Substanzen benutzt werden kann, um die photoaktiven Diketone aufzunehmen, und Elemente von beachtlicher Größe leicht hergestellt werden können. Weiteres derartiges Material ist in der US-PS 37 07 371 (Files) und von D. S. Lo (Appl. Opt., Bd. 13, Nr. 4, April 1974, S. 861) und S. Maslowski (Appl. Opt., Bd. 13, Nr. 4, April 1974, S. 857) beschrieben. Das Material von Files besteht aus einer Farb- Styrol-Peroxid-Kombination, Lo benutzt ein Salicylid-Eneanilin und Maslowski benutzt ein Spyropyran-Derivat. Andere zur Aufzeichnung von Hologrammen dienende Materialien wurden von M. R. B. Forshaw in Optics and Laser Technology, Febr. 1974, S. 28 und von Bowden u. a. in Polymer Engineering and Science, Juli 1974, Bd. 14, S. 494 beschrieben.Other media for recording holography with considerable Ability to change the refractive index are in the US PS 35 47 509 (R.G. Brandes), 39 26 637 (Bartolini and Bloom), and by Booth in Appl. Opt. Vol. 11, No. 12, 1973, p. 2994. That of Bartolini and Material described by Bloom is particularly interesting because of a Amount of castable polymeric matrix substances can be used can to accommodate the photoactive diketones and elements of considerable size can be easily manufactured. additional such material is in US-PS 37 07 371 (files) and by D. S. Lo (Appl. Opt., Vol. 13, No. 4, April 1974, p. 861) and S. Maslowski (Appl. Opt., Vol. 13, No. 4, April 1974, p. 857) described. The material of files consists of a color Styrene-peroxide combination, Lo uses a salicylide eneaniline and Maslowski uses a spyropyran derivative. Others for recording Hologram serving materials have been developed by M. R. B. Forshaw in Optics and Laser Technology, Feb. 1974, pp. 28 and by Bowden u. a. in Polymer Engineering and Science, July 1974, 14, p. 494.
Von beträchtlichem Wert beim Aufbau von Rechner-Speichern und von aktiven optischen Schaltsystemen sind die von R. L. Fork u. a. in App. Phys. Lett., Bd. 20 vom Februar 1972, S. 139 und von Kogelnik und Shank (Appl. Phys. Lett. Bd. 18, Febr. 1971, S. 152) beschriebenen Materialien. Speicherelemente, die solche, der angeregten Emission fähigen Materialien benutzen, haben den Vorteil gegenüber einfachen Fluoreszenz-Systemen, daß die Emissionsrichtung durch die Richtung der anregenden Strahlung bestimmt werden kann. Dies erlaubt eine gesteigerte Wirksamkeit, wenn der Speicher im "Kanal"-Betrieb benutzt wird, und es ergibt eine bessere Selektivität beim Auslesen der Bit. Erwähnt seien auch noch Hilfsstoffe und die Fixierungstechnik, wodurch nach der Bildung einer Verteilung mit geändertem Brechnungsindex das Material für solche Wellenlängen, die beim Aufbau benutzt wurden, unempfindlich gemacht werden kann. Ein Beispiel solcher Mechanismen unter Benutzung von Aci-Anionen kann in den US-PS 35 31 281 und 35 31 282 gefunden werden.Of considerable value when building computer memories and of active optical switching systems are those of R. L. Fork u. a. in app. Phys. Lett., Vol. 20 of February 1972, p. 139 and from Kogelnik and Shank (Appl. Phys. Lett. Vol. 18, Feb. 1971, p. 152) described materials. Storage elements, those such excited materials Advantage over simple fluorescence systems that Emission direction by the direction of the exciting radiation can be determined. This allows increased effectiveness, if the memory is used in "channel" mode, and it results in better selectivity when reading the bits. Mentioned are also auxiliary materials and the fixation technique, whereby after the formation of a distribution with a changed refractive index the material for such wavelengths used in the construction were made insensitive. An example such mechanisms using aci anions can be found in the US-PS 35 31 281 and 35 31 282 can be found.
Man sollte daran erinnern, daß bei manchen Anwendungszwecken, z. B. bei Korrekturplatten, der Größenbereich der Brechungsindexänderung nicht sehr groß zu sein braucht. Zum Beispiel sind sehr kleine Differenzen bei leistungsfähigen Instrumenten nützlich, bei denen die Strahlen unter einem kleinen Winkel, z. B. bei Objektiven mit langer Brennweite, konvergieren. Größere Unterschiede an der zweiten und dritten Dezimalstelle werden notwendig bei Instrumenten mit weniger hoher Brechkraft, bei denen die Strahlen in großen Winkeln einfallen.It should be remembered that for some applications, e.g. B. with correction plates, the size range of the refractive index change doesn't need to be very big. For example very small differences in powerful instruments useful at where the rays are at a small angle, e.g. B. with lenses with a long focal length, converge. Bigger differences at the second and third decimal place are necessary for instruments with less refractive power, where the Incident rays at large angles.
Ein nützliches Beispiel im Mittelbereich wurde von Sinai gerechnet. Dieses Beispiel betraf eine bestimmte plankonvexe Linse und zeigte, daß die größte nötige Änderung im Brechungsindex nur 0,0014 beträgt. Diese Änderung liegt weitaus im Bereich der mit den erhältlichen Materialien erreichbaren Änderungen (Tafel 12).A useful example in the middle range was calculated by Sinai. This example concerned a particular plano-convex Lens and showed that the biggest necessary change in the refractive index only Is 0.0014. This change is far in the range of the available achievable changes (Table 12).
Weitere Beispiele können in den folgenden Abschnitten gefunden werden, und in der Tafel 9 sind verschiedene Kombinationen der Brennweite (f), des Brechungsindexbereiches N₁ mit den Indexdifferenzen (Δ N) für verschiedene Werte der Linsenradien (r) für einen Grund-Brechungsindex von N₀ = 1.450 zusammengestellt. Es ist zu bemerken, daß bei jeder einzelnen Zusammenstellung Brennweiten vorhanden sind, die eine Änderung im Brechungsindex von weniger als 0.07 erfordern.Further examples can be found in the following sections, and in Table 9 there are various combinations of the focal length (f), the refractive index range N ₁ with the index differences ( Δ N) for different values of the lens radii (r) for a basic refractive index of N ₀ = 1,450 compiled. It should be noted that focal lengths are present in each individual compilation which require a change in the refractive index of less than 0.07.
Die Korrektur für chromatische Aberrationen in optischen Systemen wird in erster Linie durch Verwendung von Apochromaten erreicht, bei denen die Brennpunkte, die zwei oder drei verschiedenen Wellenlängen entsprechen, zusammenfallen müssen, worauf das primäre Residuum der chromatischen Aberration korrigiert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es unglückseligerweise nötig, auf große Mengen von Krümmungen von brechenden Oberflächen zurückzugreifen, wodurch wieder geometrische Aberrationen einer hohen Ordnung im Fall sphärischer Linsen erzeugt werden. Folglich zieht dies den Nachteil der Begrenzung auf kleine Öffnungswinkel nach sich. Im Fall der erfindungsgemäßen Linsen mit variablem Brechungsindex wird es zum ersten Mal möglich, sich mit solchen großen Mengen von Krümmungen brechender Oberflächen auszusöhnen bei korrigierter geometrischer und chromatischer Aberration.Correction for chromatic aberrations in optical systems is achieved primarily through the use of apochromats, where the focal points are two or three different wavelengths correspond, must coincide with what the primary Residual chromatic aberration is corrected. To this Unfortunately, it is necessary to reach the goal resort to large amounts of curvature from refractive surfaces, causing geometric aberrations again high order in the case of spherical lenses. Hence this draws the disadvantage of the limitation to small opening angles after itself. In the case of the lenses according to the invention with variable refractive index it becomes possible for the first time with such large amounts of curvature breaking surfaces to reconcile with corrected geometric and chromatic Aberration.
Während viele der erfindungsgemäßen nützlichen optischen Elemente solche mit gesteuerter Verteilung der Veränderung des Brechungsindex sind, enthalten einige Elemente, und besonders jene, die in Hinsicht auf Brechungsfehler korrigiert sind, verschiedene Durchlässigkeitsverteilungen. Ein difunktionales Monomer wie z. B. Divinylbenzol, das in einem System enthalten ist, das aus einem gefrorenen Glas aus monomerem Styrol in einer Pyrexzelle besteht, wobei auch andere Monomere, wie z. B. p-Isopropylstyrol oder chlor-substituierte Styrolderivative verwendet werden können, ruft eine solche verschiedene Durchlässigkeit hervor. Es können auch einander schneidende Strahlenbündel elektromagnetischer Strahlung einschließlich Röntgen- und Gammastrahlen in Glas oder Kunststoff benutzt werden, um solche weniger durchlässigen Stellen in dem als Apodisations-Schirm bekannten optischen Element hervorzurufen. Solche Schirme korrigieren Fehler, die von der Beugung herrühren. Eine Blende, die die Winkelöffnung des effektiven Strahlenbündels an der Eingangspupille begrenzt, erzeugt Beugungsringe um den wahren Punkt, der das Abbild eines Punktes bildet. Man sagt, daß die Beugungsfigur ein mittleres oder Hauptmaximum enthält, in welchem der größte Teil der Lichtenergie konzentriert ist, sowie subsidiäre oder sekundäre Maxima, bei denen die Lichtenergie beträchtlich niedriger ist. Ein Beugungsfehler wird offensichtlich, wenn ein optisches Abbild mit zwei benachbarten Bildern mit großer Helligkeitsdifferenz erzeugt wird: Das Bild des schwächeren Elementes neigt dazu, sich mit den Beugungsringen des helleren Elementes zu vermischen, und zusätzlich neigen die subsidiären Intensitäten des Beugungsbildes dazu, die Kontraste der Abbilder weit entfernter Gegenstände zu verringern.While many of the useful optical elements of the invention those with controlled distribution of change in Are refractive index, contain some elements, and special those corrected for refractive errors different permeability distributions. A bifunctional Monomer such as B. divinylbenzene, which in is a system that consists of a frozen Glass made of monomeric styrene in a Pyrex cell, other monomers, such as. B. p-isopropylstyrene or chlorine-substituted styrene derivatives such a different permeability can be used. There can also be intersecting beams of electromagnetic radiation Radiation including x-rays and gamma rays used in glass or plastic to make such less permeable spots in what is known as the apodization screen cause optical element. Correct such screens Defects resulting from diffraction. An aperture that the angular opening of the effective beam at the Limited entrance pupil, creates diffraction rings around the true one Point that is the image of a point. They say that Diffraction pattern containing a mean or principal maximum, in which most of the light energy is concentrated in, and subsidiary or secondary maxima at which the light energy is considerably lower. A diffraction error becomes obvious if an optical image with two neighboring ones Images with a large difference in brightness is generated: The Image of the weaker element tends to deal with the diffraction rings of the lighter element to mix, and in addition tend the subsidiary intensities of the diffraction pattern the contrasts of the images of distant objects to reduce.
Die verteilten Undurchlässigkeiten, die durch die erfindungsgemäßen Apodisationsschirme erzeugt werden, erlauben die Reduzierung der subsidiären Intensitäten oder sekundären Maxima, indem die Verteilung der Amplitude der Lichtschwingungen in der Öffnungsebene durch kontinuierlich veränderliche Durchlässigkeit modifiziert wird. Diese Durchlässigkeit ist vor der Öffnung der Eingangspupille verteilt und ändert sich kontinuierlich von einem Punkt zum anderen, sie ist eine Funktion F (x, y) jedes Punktes des Schirmes. Solche Schirme besitzen im allgemeinen eine Durchlässigkeit, die von der Mittelachse zu den Außengebieten hin abnimmt. Umgekehrt wird in einer verwandten Anwendung die entgegengesetzte Verteilung benutzt, um einen Schirm zu bilden, welcher den mittleren Beugungspunkt verschärft und damit die Auflösungskraft des optischen Systems mit Bezug auf Punktquellen erhöht. Eine wichtige Anwendung apodisierter optischer Komponenten besteht im Gebiet der Laser-Optik und besonders bei den Laserbauteilen, die in den Energiesystemen für Fusionen mit Benutzung von Laseroptik verwendet werden.The distributed opacities that are generated by the apodization screens according to the invention allow the subsidiary intensities or secondary maxima to be reduced by modifying the distribution of the amplitude of the light vibrations in the opening plane by continuously changing permeability. This permeability is distributed before the opening of the entrance pupil and changes continuously from one point to another, it is a function F (x, y) of each point of the screen. Such umbrellas generally have a permeability that decreases from the central axis to the outside areas. Conversely, in a related application, the opposite distribution is used to form a screen that sharpens the center diffraction point and thus increases the resolving power of the optical system with respect to point sources. An important application of apodized optical components is in the field of laser optics and especially in the laser components that are used in the energy systems for fusions using laser optics.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The invention is described below, for example, with the aid of Drawing described; in this shows:
Fig. 1 die Axialform eines optischen Elementes mit Symmetrieeigenschaften, Fig. 1, the axial forming an optical element having symmetry properties,
Fig. 2 die sphärische Form eines Elementes mit Symmetrieeigenschaften, Fig. 2, the spherical shape of a member having symmetry properties,
Fig. 3 die zylindrische Form eines Elements mit Symmetrieeigenschaften, Fig. 3, the cylindrical shape of an element having symmetry properties,
Fig. 4 und 5 jeweils ein Element mit einer bestimmten Eigenschaftsänderung, FIGS. 4 and 5 are each a member having a specific property change,
Fig. 6 ein Element mit Grenzeigenschaften, Fig. 6 is an element having intrinsic features,
Fig. 7 ein Prisma mit optischer Inhomogenität in zeitlicher statt in räumlicher Hinsicht, Fig. 7 is a prism with optical inhomogeneity in time instead of in spatial terms,
Fig. 8 eine Einzel-Linse mit sphärischer Korrektur, unter Benutzung eines höheren Brechungsindex im mittleren Bereich als an den Außenrändern, Fig. 8 is a single lens having a spherical correction, using a higher refractive index in the central region than at the outer edges
Fig. 9 eine sphärisch korrigierte Einzel-Linse mit niederem Brechungsindex im mittleren Bereich, Fig. 9 is a spherically corrected single lens with low refractive index in the central region,
Fig. 10 die klassische inhomogene "Wood'sche Linse", Fig. 10 shows the classic inhomogeneous "Wood's lens"
Fig. 11 eine Vorrichtung zur Erzeugung einfacher inhomogener Linsen mit radialer Gradientenverteilung, Fig. 11 is a simple device for generating an inhomogeneous lenses with radial gradient distribution,
Fig. 12 den Weg eines axialen Lichtstrahls in einer "Wood'schen Linse", die teilweise sphärisch korrigiert ist, Fig. 12 shows the path of an axial light beam in a "Wood's lens", which is partially corrected spherical,
Fig. 13 eine Einzellinse mit ebener Index-Verteilung; Bereiche mit gleichem Indexwert sind Ebenen senkrecht zur optischen Achse, FIG. 13 is a single lens having a planar index distribution; Areas with the same index value are planes perpendicular to the optical axis,
Fig. 14 eine Einzellinse mit einem radialen Gradienten der Art, wie er in der verallgemeinerten "Wood'schen Linse" gebraucht wird, Fig. 14 is a single lens having a radial gradient of the type as used in the generalized "Wood's lens"
Fig. 15 ein komplexes optisches Element, das ein einem gekitteten Dublett entsprechendes aplanatisches Teleskop-Objektiv zeigt, Fig. 15, a complex optical element which shows a corresponding one cemented doublet telescopic aplanatic lens,
Fig. 16 eine Brechungsindex-Verteilung, die durch eine nicht dieser Erfindung entsprechenden Einrichtung geschaffen wurde, Fig. 16 shows a refractive index distribution that was created by a not of this invention, appropriate means,
Fig. 17 eine Brechungsindex-Verteilung mit Radialgradient, die durch Abwandlung des Beispiels 36 erzeugt wurde, wobei diese Abwandlung ein Teil der Erfindung und in Beispiel 37 beschrieben ist,Wherein this modification, a part of the invention and is described in Example 37. Fig. 17 shows a refractive index distribution with RadialGradient that was generated by modification of the example 36,
Fig. 18 ein automatisiertes System, das zur Echtzeit-Überprüfung und Erzeugung inhomogener Optiken nach dieser Erfindung fähig ist, Fig. 18 is an automated system that inhomogeneous for real-time verification and generation optics according to this invention is capable of
Fig. 19 eine f/6,3-Einze 75673 00070 552 001000280000000200012000285917556200040 0002002633036 00004 75554llinse mit zylindrischer Verteilung des Brechungsindex, Fig. 19 is an f / 6.3 Einze 75673 00070 552 00004 001000280000000200012000285917556200040 0002002633036 75554llinse of cylindrical refractive index distribution,
Fig. 20 ein erfindungsgemäß aufgebautes inneres Analog einer Lichtfaser-Optik, Fig. 20 is an analog according to the invention constructed inside a light fiber optics,
Fig. 21 eine graphische Darstellung von Zwei-Photonenvorgängen unter Benutzung von Rubin- und Nd-Yag-Lasern bei Systemen nach Klasse I, Gruppe 3, Fig. 21 is a plot of two-photon processes under use of ruby and Nd-YAG lasers with systems by class I, Group 3,
Fig. 22 eine graphische Darstellung von Zwei-Photonenvorgängen unter Benutzung von Argon- und Rubin-Lasern in Systemen der Klasse I, Gruppe 3, bei denen der Laser mit niedriger Intensität durch einen Bereich von Wellenlängen gestimmt wird, Fig. 22 is a plot of two-photon processes with use of argon and ruby lasers in systems of the class I, group 3, in which the laser with low intensity is tuned through a range of wavelengths,
Fig. 23 eine Anwendung dieser Erfindung für Rechnerzwecke. Fig. 23 is an application of this invention for computing purposes.
Die Verteilungen des Brechungsindex, die durch Anwendung dieser Erfindung erreicht werden können, können nach drei Eigenschaften klassifiziert werden: 1. Symmetrieeigenschaften, 2. Art der Eigenschaftswechsel und 3. Grenzeigenschaften. Jede dieser Gruppen kann weiter unterteilt werden.The distributions of the refractive index obtained by applying this Invention can be achieved according to three properties be classified: 1. symmetry properties, 2. Type of property changes and 3. Limit properties. Each of these groups can be further divided.
Fig. 1 zeigt die Axialform eines Elementes mit Symmetrieeigenschaften. Ein solcher axialer Gradient besteht da, wo der Gradient immer parallel zur optischen Achse ist. Die Flächen konstanter Brechungsindexe sind Ebenen senkrecht zur Achse. In Fig. 1 zeigen die gestrichelten Linien Ebenen konstanten Indexes innerhalb eines Plan-Plan-Elementes an, und die Indexfunktion hat die folgende polynome Form: Fig. 1 shows the axial shape of an element with symmetry properties. Such an axial gradient exists where the gradient is always parallel to the optical axis. The areas of constant refractive indices are planes perpendicular to the axis. In Fig. 1, the dashed lines indicate levels of constant index within a plan-plan element, and the index function has the following polynomial form:
N(X) = N₀+N₁ X+N₂ X²+N₃X³ . . ., N (X) = N ₀ + N ₁ X + N ₂ X ² + N ₃ X ³. . .,
wobei N₀, N₁, N₂ . . . Konstanten sind und X den Abstand von einer Fläche bedeutet.where N ₀, N ₁, N ₂. . . Are constants and X is the distance from a surface.
Fig. 2 zeigt die sphärische Form eines Elementes mit Symmetrieeigenschaften. Der Index wird hier eine Funktion der senkrechten Entfernung von der Oberfläche oder eine Funktion der Radialentfernung vom Krümmungsmittelpunkt; die Flächen mit konstantem Brechungsindex sind Kugelflächen. Die Form der Indexfunktion ist in diesem Fall: Fig. 2 shows the spherical shape of an element with symmetry properties. The index here becomes a function of the vertical distance from the surface or a function of the radial distance from the center of curvature; the areas with constant refractive index are spherical areas. The form of the index function in this case is:
N(r) = N₀+N₁r²+N₂r⁴+N₃r⁶ . . ., N (r) = N ₀ + N ₁ r ² + N ₂ r ⁴ + N ₃ r ⁶. . .,
wobei N₀, N₁, N₂ . . . Konstante sind, und r der radiale Abstand vom Krümmungsmittelpunkt ist.where N ₀, N ₁, N ₂. . . Are constant, and r is the radial distance from the center of curvature.
Fig. 3 zeigt eine zylindrische Form eines Elementes mit Symmetrieeigenschaften. Zylindrische Verteilungen ergeben sich bei kontinuierlichem Index-Wechsel in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse. Die Flächen konstanter Brechungsindexes sind demzufolge Zylinder, deren Achsen mit der optischen Achse zusammenfallen. Da der Gradient des Brechungsindex senkrecht zur optischen Achse steht, wird auch der Ausdruck "Radialgradient" gebraucht, um eine zylindrische Indexverteilung zu beschreiben. Die Form der Indexfunktion ist: Fig. 3 shows a cylindrical shape of an element with symmetry properties. Cylindrical distributions result from a continuous index change in a direction perpendicular to the optical axis. The areas of constant refractive index are therefore cylinders whose axes coincide with the optical axis. Since the gradient of the refractive index is perpendicular to the optical axis, the term "radial gradient" is also used to describe a cylindrical index distribution. The form of the index function is:
N(R) = N₀+N₁R²+N₂R⁴+N₃R⁶ . . ., N (R) = N ₀ + N ₁ R ² + N ₂ R ⁴ + N ₃ R ⁶. . .,
wobei N₀, N₁, N₂ Konstanten sind und R der senkrechte Abstand von der optischen Achse ist.where N ₀, N ₁, N ₂ are constants and R is the perpendicular distance from the optical axis.
Offensichtlich können viele andere Symmetrien ebenso in dieser Gruppe mit Symmetrie-Eigenschaften vorgestellt werden.Obviously, many other symmetries can also be found in this Group with symmetry properties are presented.
Fig. 4 und 5 zeigen Elemente mit Eigenschaften der Indexveränderung Fig. 4 zeigt einen linearen axialen Gradienten, wobei FIGS. 4 and 5 show characteristics of the elements with index change Fig. 4 shows a linear axial gradient, wherein
N = 1,5+0,01 X N = 1.5 + 0.01 X
ist, während Fig. 5 einen polynomen Axialgradienten zeigt, bei demis, while Fig. 5 shows a polynomial Axialgradienten, wherein
N = 1,5+0,01 X² N = 1.5 + 0.01 X ²
ist.is.
Die Beschreibung ist dabei:The description is:
- a) polynom in einer Variablen, wenn X der Abstand entlang der optischen Achse ist, N = N₀+N₁X+N₂X² . . .a) polynomial in a variable when X is the distance along the optical axis, N = N ₀ + N ₁ X + N ₂ X ². . .
- b) polynom in mehr als einer veränderlichen Koordinate, z. B. N(X₁, R) = N₀+N₁(X)R²+N₂(X)R⁴ . . .b) polynomial in more than one variable coordinate, e.g. B. N (X ₁, R) = N ₀ + N ₁ (X) R ² + N ₂ (X) R ⁴. . .
Fig. 6 zeigt ein Element mit Grenzflächeneigenschaften. Die Gruppe mit Grenzflächeneigenschaften kann in zwei Grundgruppen unterteilt werden. Figure 6 shows an element with interface properties. The group with interface properties can be divided into two basic groups.
- a) Solche, bei denen die Grenzfläche der inhomogenen Indexverteilung gleichzeitig die Grenzfläche des Materials selbst ist,a) Those where the interface of the inhomogeneous index distribution at the same time the interface of the material itself is
- b) solche, bei denen eine oder mehrere Grenzflächen der inhomogenen Medien verschieden von Material-Grenzflächen selbst sind, z. B. in Fig. 6, wo ein Plan-Plan-Element mit einem Bereich mit konstantem Index und zwei bestimmten inhomogenen Bereichen vorliegt. Es ist zu bemerken, daß die Grenzfläche zwischen den Bereichen eben, sphärisch oder willkürlich sein kann.b) those in which one or more interfaces of the inhomogeneous media are different from material interfaces themselves, e.g. As in Fig. 6, where a plane-plane element is present with a region of constant index, and two specific non-homogeneous areas. It should be noted that the interface between the areas can be flat, spherical or arbitrary.
Die Erfindung führt weiterhin von selbst zur Herstellung apochromatischer Elemente, besonders wegen ihrer Fähigkeit, zwei Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in einem einzigen Volumen zu erzeugen. Der Brechungsindex der meisten optischen Materialien ändert sich mit der Wellenlänge, und deswegen sind die Strahlenwege von Strahlen verschiedener Wellenlänge durch eine Linse verschieden. Die Theorie der chromatischen Aberration für inhomogene Linsen wurde von P. Sands im J. Opt. Soc. Am., Bd. 61, 1971, S. 777 entwickelt.The invention itself leads to the production of apochromatic Elements, especially because of their ability to two Areas with different refractive index in one Generate volume. The refractive index of most optical Materials change with the wavelength, and therefore are the ray paths of rays of different wavelengths different through a lens. The theory of chromatic Aberration for inhomogeneous lenses was described by P. Sands in J. Opt. Soc. Am., Vol. 61, 1971, p. 777.
Es ist auch möglich, optische Inhomogenitäten als eine Funktion der Zeit statt eine solche des Raumes zu erzeugen. Fig. 7 zeigt ein Prisma aus dem von Tomlinson beschriebenen Material, bei dem der Brechungsindex infolge eines photochromischen Effekts geändert wird. Ein solches Prisma kann in einem Festkörper- Abtaster benutzt werden, oder, falls das Prisma in eine Linse verwandelt wird, wird sich durch denselben Mechanismus die Brennweite ändern. Die Ablenkung des Winkels B wird durch die Formel:It is also possible to create optical inhomogeneities as a function of time instead of that of space. FIG. 7 shows a prism made of the material described by Tomlinson, in which the refractive index is changed due to a photochromic effect. Such a prism can be used in a solid state scanner, or if the prism is turned into a lens, the same mechanism will change the focal length. The deflection of the angle B is given by the formula:
Δ Bi = d Δ N Δ Bi = d Δ N
gegeben. given.
So kann man für einen Wert Δ N = 0.01 eine Ablenkung von 1% vom Keilwinkel d des Prismas erhalten. Mit einem Keilwinkel von 30° und einer Änderung des Brechungsindex von 0,01 beträgt die Ablenkung annähernd ½°. Fig. 8 zeigt eine Einzellinse, bei der die sphärische Aberration korrigiert wurde durch Anheben des Brechungsindex der originalen gegossenen oder geschliffenen Linien, so daß er einen Gradienten zur Mitte der Linse hin erhält (Regionen mit gleichem Brechungsindex sind Zylinder). Der Brennpunkt der mittleren Strahlen fällt jetzt mit dem Brennpunkt der Randstrahlen zusammen. In Fig. 9 wird der umgekehrte Vorgang gezeigt, wobei die Erfindung benutzt wurde, um den Brechungsindex zum Rand hin abnehmen zu lassen, durch welchen Vorgang die sphärische Aberration dadurch korrigiert wurde, daß die Randstrahlen jetzt mit dem Brennpunkt der Mittenstrahlen zusammenfallen.For a value Δ N = 0.01, a deflection of 1% from the wedge angle d of the prism can be obtained. With a wedge angle of 30 ° and a change in the refractive index of 0.01, the deflection is approximately ½ °. Fig. 8 shows a single lens in which the spherical aberration has been corrected by raising the refractive index of the original cast or ground lines so that it has a gradient toward the center of the lens (regions with the same refractive index are cylinders). The focal point of the middle rays now coincides with the focal point of the marginal rays. In Fig. 9 the reverse process is shown where the invention was used to decrease the refractive index towards the edge, by which process the spherical aberration was corrected by the fact that the edge rays now coincide with the focal point of the center rays.
Im allgemeinen sind Radialgradienten weit wirksamer bei der Korrektur von Aberrationen als Axialgradienten, und sie sind bei der Gestaltung von Linsen von größerem Wert. Ein wichtiger Vorteil bei der Benutzung ebener Index-Verteilungen ist die Tatsache, daß Herstellungstoleranzen bei weiterhin guter Wirksamkeit beträchtlich erleichtert werden können. Die radiale Verteilung ist am wirksamsten beim Verändern der Brechkraft einer geformten Linse (Dioptrien-Wechsel). Bei einer Berechnung dieses radialen Gradienten wird der Brechungsindex durch eine Reihenentwicklung der geradzahligen Potenzen des Radialabstandes r von der optischen Achse in einem zylindrischen Koordinatensystem entwickelt:In general, radial gradients are far more effective in correcting aberrations than axial gradients, and are of greater value in lens design. An important advantage of using flat index distributions is the fact that manufacturing tolerances can be considerably reduced while still being effective. The radial distribution is most effective when changing the refractive power of a shaped lens (changing the diopter). When calculating this radial gradient, the refractive index is developed by a series expansion of the even powers of the radial distance r from the optical axis in a cylindrical coordinate system:
N(r) = N₀+N₁r²+ . . .. N (r) = N ₀ + N ₁ r ² +. . ..
Ist dann t die Dicke der Linse, dann wird die Brechkraft der Linse um den Betrag -2N₁t geändert. Zum Beispiel ergibt bei einer Brillenlinse von 40 mm Durchmesser und 5 mm Stärke ein radialer Indexgradient von N₁ =-0,000025 eine Brechkraftänderung von +1,00 Dioptrie. Dabei ist über die Gesamtfläche der Linse eine Brechungsindexänderung von nur 0,01 notwendig. Die Tafel 1 zeigt ein Beispiel dieses Zusammenhangs zwischen Brechkraft und Öffnung. Ein wichtiger Anwendungsfall der Erfindung liegt in der Möglichkeit, den erforderlichen Vorrat von Brillengläsern verschiedener Brechkraft weit zu reduzieren, indem man die Rohlinge in Gläser der gewünschten Brechkraft verwandelt und sogar bifokale Eigenschaften durch örtlich begrenzten Wandel des Brechungsindex einbringt.Then is t the thickness of the lens, then the refractive power of the lens is changed by the amount -2 N ₁ t . For example, with a spectacle lens of 40 mm in diameter and 5 mm in thickness, a radial index gradient of N ₁ = -0.000025 results in a change in refractive power of +1.00 diopter. A refractive index change of just 0.01 over the entire surface of the lens is necessary. Table 1 shows an example of this relationship between refractive power and opening. An important application of the invention lies in the possibility of greatly reducing the required stock of spectacle lenses of different refractive powers by converting the blanks into glasses of the desired refractive power and even introducing bifocal properties through locally changing refractive index.
Das klassische inhomogene Optikelement ist die zuerst im Buch von R. W. Wood "Physical Optics" beschriebene sogenannte "Wood'sche Linse". Diese Wood'sche Linse besteht aus einem planparallelen, plattenförmigen optischen Element, bei dem sich der Brechungsindex nach außen von der optischen Achse her verändert. Ein größerer Brechungsindex an der optischen Achse im Vergleich zu den Grenzgebieten ergibt eine konvergente Linse, während die umgekehrte Eigenschaft eine divergente Linse ergibt.The classic inhomogeneous optical element is the first in the Book by R. W. Wood "Physical Optics" described so-called "Wood's lens". This Wood lens consists of a plane-parallel, plate-shaped optical element, in which the refractive index changes outwards from the optical axis. A larger refractive index on the optical axis compared to the border areas results in a convergent lens, while the reverse property gives a divergent lens.
Bei einer solchen Linse ist die Bedingung, daß ein Bild entstehen kannWith such a lens, the condition is that an image is formed can
N(R) = N₀ + N₁R², N (R) = N ₀ + N ₁ R ²,
wobei R der senkrechte Abstand von der optischen Achse (Rotationssymmetrieachse) ist. Wenn die Dicke der Platte t ist undwhere R is the vertical distance from the optical axis (rotational symmetry axis). If the thickness of the plate is t and
viel kleiner als 1 ist, dann ist die Brennweite einer solchen Linseis much smaller than 1, then the focal length is one such lens
Allgemeinere Gleichungen für die Brennweite f und die Rückbrennweite Bf für eine Wood'sche Linse sind:More general equations for the focal length f and the back focal length Bf for a Wood lens are:
Eine Darstellung einer Wood'schen Linse findet man in Fig. 10, und die Tafeln 2 und 9 geben Werte für verschiedene Kombinationen von Brennweiten, N₁ und Dicken an.A representation of a Wood lens can be found in Fig. 10, and the panels 2 and 9 give values for different combinations of focal lengths, N ₁ and thicknesses.
Obwohl bei der bevorzugten Form dieser Erfindung die erforderlichen Wechsel der Energieniveaus durch die kombinierte Wirkung von mindestens zwei einander schneidenden Lichtstrahlen hervorgerufen wird, um die interne Anordnung für die optische Inhomogenität zu schaffen, kann die klassische Wood'sche Linse dieses Beispiels (und die optischen Elemente in Fig. 3, 8, 9 und 14) wirkungsvoll durch ein abgewandeltes Verfahren präpariert werden, das ebenfalls bei der Herstellung von Korrekturplatten irregulärer Gestalt oder von Schmidt-Platten angewendet werden kann.Although in the preferred form of this invention the required changes in energy levels are brought about by the combined action of at least two intersecting light beams to create the internal arrangement for optical inhomogeneity, the classic Wood's lens of this example (and the optical elements which can also be applied to the production of corrective plates of irregular shape or of Schmidt-plates are in Fig. 3, 8, 9 and 14) effectively prepared by a modified method.
Bei einer Variation dieser alternativen Technik wird das, was die Wood'sche Linse werden soll, in einen Apparat, wie er in Fig. 11 gezeigt ist, eingesetzt. Links ist eine Quelle aktinischer Strahlung, in der Mitte eine Blende, die man ganz schließen kann, um die aktinische Strahlung vollständig abzublocken, und die kontinuierlich in Form eines wachsenden Kreises vom Mittelpunkt nach außen bis zu den Grenzflächen des zu bildenden optischen Elementes geöffnet werden kann, und rechts ist das Werkstück angezeigt.In a variation of this alternative technique, what is to become Wood's lens is placed in an apparatus as shown in Fig. 11. On the left is a source of actinic radiation, in the middle a diaphragm that can be closed completely to block the actinic radiation completely and that can be opened continuously in the form of a growing circle from the center outwards to the interfaces of the optical element to be formed , and the workpiece is displayed on the right.
Dieses Werkstück ist üblicherweise eine Zelle, die aus zwei flachen Glas- oder Quarzglasplatten besteht, je nach der aktinischen Strahlung, die benutzt wird. Der Aufbau einer passenden Zelle ist in Beispiel 1 der US-PS 37 32 097 beschrieben, wobei der Abstand je nachdem verändert werden kann.This workpiece is usually a cell made up of two flat glass or quartz glass plates, depending on the actinic Radiation that is used. Building a suitable one Cell is described in Example 1 of US Pat. No. 3,732,097, the distance can be changed as required.
Die Arbeitsweise dieser geänderten Vorrichtung hängt von der speziellen Zusammensetzung des Mediums ab, das ein Energieübertragungsmittel, wie z. B. einen stabilen Fluoreszenten enthält, wie es schon früher in einer ähnlichen Funktion besprochen wurde. Es muß darauf hingewiesen werden, daß die nun beschriebene Änderung wegen ihrer Einfachheit und Brauchbarkeit sehr wichtig ist, wenn doch sonst einander schneidende Strahlenbündel benötigt werden, um spezielle innere Grenzen und ähnliche inhomogene optische Elemente nach dieser Erfindung herzustellen. Diese Methode bietet eine überlegene Möglichkeit, zu bereits früher bekannten inhomogenen optischen Elementen zu gelangen, die bisher nur durch das langwierige Ionentauschverfahren oder das Sinai-Verfahren erhalten werden konnten.The operation of this modified device depends on the special composition of the medium Energy transmission means, such as B. a stable fluorescence contains, as it had previously in a similar function was discussed. It should be noted that the change now described for its simplicity and utility is very important if otherwise intersecting Beams are required to have special inner boundaries and similar inhomogeneous optical elements according to this invention to manufacture. This method offers a superior way to previously known inhomogeneous optical Elements to arrive that were previously only through the lengthy Ion exchange method or the Sinai method can be obtained could.
Um den Vorteil dieses geänderten Verfahrens gegenüber dem bekannten Stand der Technik klarzumachen, wird das folgende Beispiel 31 angeführt, das nicht zu den Beispielen für die Erfindung gehört. Das Beispiel 32 ist eine abgewandelte Form des Beispiels 31 und ist Beispiel der Erfindung.To take advantage of this modified method over the known The following example will clarify the state of the art 31, which does not refer to the examples of the invention belongs. Example 32 is a modified form of Example 31 and is an example of the invention.
31. Kein Beispiel der vorliegenden Erfindung.31. No example of the present invention.
-
1. In einer Anordnung nach Fig. 11 wird die Zelle in
der Dunkelkammer mit folgender, bei 40°C angesetzter
Lösung gefüllt:
Gelatine15%
Acrylamid5%
Dimedon1,6 × 10-³ mol
Thionin4,0 × 10-⁵ mol
Wasser zum Auffüllen auf 100%,
eingestellter pH-Wert 5,7. . 1. In an arrangement according to Figure 11, the cell is filled in the dark room with the following, being set at 40 ° C Solution: Gelatine15% Acrylamid5% Dimedon1,6 x 10 - ³ mol Thionin4,0 × 10 - ⁵ mol Water to make 100%,
adjusted pH value 5.7. - 2. Abkühlen, bis sich eine hellblaue, klare Gelatinetafel in der Zelle gebildet hat.2. Cool until there is a light blue, clear gelatin slab has formed in the cell.
- 3. Blende schließen, rote Lichtquelle anschalten, und die der Lichtquelle zugewandte Seite der Zelle über eine Dauer von 10 bis 20 Minuten belichten, während die Blende fortlaufend so geöffnet wird, daß sie am Ende der Belichtungszeit voll geöffnet ist. Zelle verschließen, um Entwässerung des Gels zu verhindern.3. Close the cover, switch on the red light source, and the side of the cell facing the light source via a Expose for 10 to 20 minutes while exposing the aperture is opened continuously so that at the end of the Exposure time is fully open. Lock cell, to prevent drainage of the gel.
Fig. 16 zeigt das Ergebnis des Versuchs in einer Seitenschnittansicht der Zelle. Es hat sich ein etwa kegelförmiger Bereich aus farblosem polymeren-kopolymeren Material gebildet, das an allen Seiten außer einer von einem Bereich aus nichtpolymerisiertem Material von immer noch hellblauer Färbung umgeben ist. Der Vorgang wurde auch mathematisch behandelt von Tomlinson, Appl. Opt. Bd. 11, April 1971. In einfachen Worten ist der Vorgang so, daß die Absorption an der Vorderseite der Zelle, die Polymerisation hervorruft, das Strahlungsniveau an der Rückseite so reduziert, daß die Polymerisations- Grenze in der angedeuteten Weise voranschreitet. Dieser Effekt tritt am wenigsten deutlich bei Photoreaktionen mit ansteigender Transparenz auf, am deutlichsten ist er, wenn die Transparenz gleichbleibt oder ansteigt. Fig. 16 shows the result of the experiment in a side sectional view of the cell. An approximately conical area of colorless polymer-copolymer material has formed, which is surrounded on all sides except for an area of unpolymerized material which is still light blue in color. The process was also handled mathematically by Tomlinson, Appl. Opt. Vol. 11, April 1971. In simple terms, the process is such that the absorption on the front of the cell, which causes polymerization, reduces the level of radiation on the rear so that the polymerization limit advances as indicated. This effect is least evident in photo reactions with increasing transparency; it is most evident when the transparency remains or increases.
32. Schritt 1 des Beispiels 31 wird wiederholt, jedoch wird der Lösung eine kleine Menge eines der früher besprochenen Energieübertragungsmittel zugegeben. Wenn z. B. das Energieübertragungsmittel ein Fluoreszent ist, dann wird man es aus den wasserlöslichen Fluoreszenzmitteln aussuchen, um den folgenden Anforderungen zu entsprechen.32. Step 1 of Example 31 is repeated, but will the solution a small amount of one of those previously discussed Energy transfer agent added. If e.g. B. the energy transfer medium is a fluorescent, then you become it choose from the water-soluble fluorescent agents to get the to meet the following requirements.
- 1. Der Fluoreszent wird durch Licht aus einem solchen Wellenlängenbereich aktiviert, der nicht der gleiche ist, der von der aktivierenden Farbe absorbiert wird und diese aktiviert. Zum Beispiel im Fall von Thionin wird wird man einen Fluoreszenten verwenden, der durch blaues Licht von etwa 450 nm oder durch Ultraviolett aktiviert wird.1. The fluorescence is caused by light from such a wavelength range activated, which is not the same as that is absorbed by the activating color and activates it. For example, in the case of thionine, one becomes a fluorescent use that by blue light of about 450 nm or by Ultraviolet is activated.
- 2. Die Fluoreszenz-Emission soll in einem Bereich sein, für die die zu aktivierende Farbe empfindlich ist und in der sie aktiviert wird. Zum Beispiel, im Fall des Thionins soll die Fluoreszenz im Roten sein.2. The fluorescence emission should be in a range for which is sensitive to the color to be activated and in which it is activated. For example, in the case of thionine the fluorescence be in red.
- 3. Der Fluoreszent soll die Polymerisation nicht selbst aktivieren.3. The fluorescent should not activate the polymerization itself.
Als weiterer Unterschied zum Beispiel 31 wird die rote Lichtquelle durch eine hochintensive Quelle von blauem oder ultraviolettem Licht ersetzt. In dem Fall des Beispiels 31 war die Lichtstärke und die Bestrahlungszeit in einfacher Weise mit der Eindringtiefe verbunden. Im nun vorliegenden Fall ist die Bereitstellung einer intensiven Lichtquelle für das Gelingen der Erfindung wichtig. Die Intensität der Lichtquelle sollte so groß sein, daß ein großer Überschuß der Photonenzahl pro cm³ im Medium vorhanden ist gegenüber der Anzahl der Moleküle des absorbierenden Energieübertragungsmittels.Another difference from example 31 is the red one Light source from a high intensity source of blue or ultraviolet light. In the case of the example 31, the light intensity and the irradiation time were easier Way connected with the depth of penetration. In the present The case is the provision of an intense light source important for the success of the invention. The intensity of the Light source should be so large that a large excess compared to the number of photons per cm³ in the medium the number of molecules of the absorbent energy transfer agent.
Die Belichtung wird wie in Beispiel 31 beschrieben ausgeführt, jedoch wird ein gänzlich anderes Ergebnis erzielt, wie es in Fig. 17 gezeigt wird. In diesem Fall wird der erwünschte radial gerichtete Gradient erhalten und eine echte Wood'sche Linse wird in der Zelle geschaffen.The exposure is carried out as described in Example 31, but an entirely different result is achieved, as shown in FIG. 17. In this case the desired radially directed gradient is obtained and a true Wood lens is created in the cell.
Die Erklärung für diesen Unterschied ist einfach die, daß der große Überschuß der Photonen über die gesamte Stärke der Zelle hin von der Vorderseite bis zu ihrer Rückseite ein annähernd gleiches Angebot von Photonen an den Fluoreszenten ergibt. Daraus folgt, daß entlang des gesamten Lichtpfades von der Vorderseite zur Rückseite annähernd gleiche Anzahlen von fluoreszenten Molekülen annähernd gleiche Zahlen aktivierender roter Photonen erzeugen, die wiederum annähernd gleiche Mengen eines rot-absorbierenden blauen Katalysators für die Polymerisation aktivieren. Eine verbesserte Auflösung (kleinere freie Weglänge für die roten Fluoreszenz-Photonen vor dem Einfang) kann durch Erhöhen des Anteils des Energieübertragungsmittels erzielt werden. The explanation for this difference is simply that the large excess of photons over the entire strength of the cell approximately from the front to the back the same supply of photons at the fluorescent results. It follows that along the entire light path from the Front to back approximately equal numbers of fluorescent molecules activating approximately equal numbers generate red photons, which in turn are approximately the same Amounts of a red-absorbing blue catalyst for the Activate polymerization. An improved resolution (smaller free path length for the red fluorescence photons before Capture) can be done by increasing the amount of energy transfer medium be achieved.
Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung der sehr erwünschten inhomogenen optischen Elemente kann einfach einer Vielzahl verschiedener Energieübertragungsmittel oder Katalysatoren angepaßt werden, wenn die drei oben besprochenen Erfordernisse beachtet werden. Es ist offensichtlich, daß bei Vorhandensein anderer Komponenten in dem Volumen, z. B. Säureanionen abgegebenen Komponenten, um das erzeugte Element zu fixieren, die Wellenlängen und die absorbierenden Mittel so ausgewählt werden müssen, daß solche Säureanionen oder andere Komponenten nicht unbeabsichtigt aktiviert werden.The process described above for making the very Desired inhomogeneous optical elements can simply be one Variety of different energy transfer agents or catalysts be adjusted if the three requirements discussed above get noticed. It is obvious that at Presence of other components in the volume, e.g. B. acid anions delivered components to the generated item fix the wavelengths and the absorbent so must be selected that such acid anions or others Components are not activated unintentionally.
Während die automatisierte Vorrichtung mit Rückmeldung nach Fig. 18, welche später im Detail beschrieben wird, ideal geeignet ist, hochspezielle inhomogene optische Elemente auf diese Weise herzustellen, ist es auch möglich, die erwünschten Eigenschaften in einigen Fällen in zufriedenstellender Weise angenähert zu erhalten, indem berechnete Strahlungsmengen bei sorgfältig zusammengesetzten Präparaten angewendet werden. Es ist zu beachten, daß, obwohl im allgemeinen Lichtstrahlungsquellen benutzt werden, es auch möglich ist, Materialien zu benutzen, welche Energie bei der Anwendung von ionisierender Strahlung als Anregungs-Energie übertragen. Solche Materialien wurden von Sangster und Irvine in J. of Chem. Phys., Bd. 24, 1956, S. 670 zusammengestellt. Ein offensichtlicher Vorteil solcher Materialien liegt darin, daß sie nicht durch einen getrennten Vorgang fixiert werden müssen, um unerwünschte Aktivierung durch Lichtstrahlung zu verhindern, die während ihrer Benutzung als optisches Element durch sie hindurchtritt, sondern einfach vor der besonderen Ionisationsstrahlung zu schützen sind. Wie im Fall der lichtaktivierten Materialien kann man die Variation der aktivierenden Strahlung über die Oberfläche des optischen Elementes erreichen, indem man eine zeitgesteuerte Belichtung, wie oben beschrieben, anwendet, oder es kann ein Abschwächer für die Strahlung hergestellt werden, bei welchem das Schwächungsprofil durch Rechnung als Funktion des Strahlungsgesetzes bestimmt wird, welches angewendet werden soll, um die kontinuierliche Veränderung des Brechungsindex nach der Entfernung von der Achse zu erhalten (im Fall der inhomogenen optischen Elemente mit Rotationssymmetrie um die Achse).While the automated device with feedback to Fig. 18, which will be described later in detail, is ideally suited to prepare highly specific inhomogeneous optical elements in this manner, it is also possible to obtain approximately the desired properties in some cases in a satisfactory manner by calculated amounts of radiation can be used with carefully composed preparations. It should be noted that although light radiation sources are generally used, it is also possible to use materials which transmit energy when using ionizing radiation as excitation energy. Such materials have been compiled by Sangster and Irvine in J. of Chem. Phys., Vol. 24, 1956, p. 670. An obvious advantage of such materials is that they do not have to be fixed by a separate process in order to prevent unwanted activation by light radiation which passes through them during their use as an optical element, but are simply to be protected from the special ionization radiation. As in the case of the light-activated materials, the variation of the activating radiation over the surface of the optical element can be achieved by using a time-controlled exposure as described above, or an attenuator for the radiation can be produced in which the attenuation profile is calculated is determined as a function of the radiation law which is to be used to obtain the continuous change in the refractive index after the distance from the axis (in the case of the inhomogeneous optical elements with rotational symmetry about the axis).
Auch bei Benutzung der Vorrichtung mit Rückmeldung wird es oft vorteilhaft sein, durch Rechnung das angenäherte Verhalten des Mediums unter den besonderen Strahlungsflußbedingungen zu bestimmen. Bei einem rotationssymmetrischen Element, bei dem die sphärische Aberration korrigiert werden soll, schließt dies ein, daß die durchzuführende Indexkorrektur an jedem Punkt der Linsen als Funktion des Achsenabstandes berechnet wird, und daß auch der Strahlungsfluß berechnet wird, der an jedem der Punkte ankommen muß, um die erwünschte Korrektur zu erhalten. Ein Beispiel für eine solche Berechnung ist im Beispiel 37 gegeben.Even when using the device with feedback it will often be advantageous by calculating approximate behavior of the medium under the special radiation flow conditions to determine. With a rotationally symmetrical element, with to which the spherical aberration is to be corrected this means that the index correction to be carried out at every point the lens is calculated as a function of the center distance, and that also the radiation flux is calculated, which at each the points must arrive in order to get the desired correction. An example of such a calculation is in example 37 given.
33. Der Mischungsvorgang nach Schritt 1 in Beispiel 31 wird wiederholt, wobei das Thionin durch Eosin Y bei einer Konzentration von 10-² mol ersetzt wird. Zur Erzeugung der strukturierten optischen Inhomogenität können zwei einander schneidende Laserstrahlen mit entsprechenden Energieeigenschaften (siehe Tafel 10), ausgewählt werden, unter Benutzung der Mechanismen von Klasse I Gruppe 3, oder es können Kombinationen von Lasern mit fester und mit abstimmbarer Wellenlänge nach den Regeln, die bei den Mechanismen der Klasse II Gruppe 2 besprochen wurden, ausgewählt werden.² is replaced mol - 33. The mixing procedure to step 1 in Example 31 wherein the thionin by eosin Y at a concentration of 10 is repeated. To generate the structured optical inhomogeneity, two intersecting laser beams with corresponding energy properties (see Table 10) can be selected using the mechanisms of class I group 3, or combinations of lasers with fixed and with tunable wavelength according to the rules that were discussed in the mechanisms of class II group 2.
Anders als bei dem Verfahren des Beispiels 32 erlauben diese gesteuerten Systeme sowohl eine innere Grenzfunktion eine radiale Indexverteilung zu strukturieren.Unlike the method of Example 32, these allow controlled systems both an internal limit function structure a radial index distribution.
34. Es werden zwei Lösungen A und B wie folgt vorbereitet:34. Two solutions A and B are prepared as follows:
- A. 14 g Polyacrylamid, 2,38 g Natrium-p-Toluolsulfinat- Dihydrat, 10-2 mol Eosin Y in 100 ml Wasser. Unter Umrühren bei 60 bis 80°C erhitzen, bis die Mischung klar blau, zähflüssig und blasenfrei ist.A. 14 g polyacrylamide, 2.38 g sodium p-toluenesulfinate dihydrate, 10 -2 mol eosin Y in 100 ml water. Heat with stirring at 60 to 80 ° C until the mixture is clear blue, viscous and free of bubbles.
- B. 50 Gewichtsprozent Natriumacrylat.B. 50 percent by weight sodium acrylate.
Im Dunkelraum werden zwei Raumteile der Lösung A mit zwei Raumteilen der Lösung B gemischt und ein halber Raumteil 37%-iger Formaldehyd-Lösung, mit Acrylsäure gesäuert, hinzugefügt. Die Zelle wird wie in Beispiel 31 gefüllt und wie in Beispiel 33 belichtet. Nach der Belichtung erhält man ein zähes, transparentes Gel mit strukturierter optischer Inhomogenität, die gänzlich fixiert und nicht länger lichtempfindlich ist.In the dark room two parts of solution A become two Parts of solution B mixed and half a part of the room 37% formaldehyde solution acidified with acrylic acid added. The cell is filled as in Example 31 and how exposed in Example 33. After exposure you get one tough, transparent gel with structured optical inhomogeneity, which is completely fixed and no longer sensitive to light is.
35. Im Dunkelraum wird eine Zelle wie in Beispiel 1 vorbereitet, unter Benutzung von Natrium-m-Nitrophenylazetat mit einer Mindestkonzentration von 10-² mol in 100 ml Wasser, 20% Acrylamid, 0,5% Methylen-bis-Acrylamid und genügend Gelatine zur Verfestigung. Eine Belichtung wie in 33 ergibt ein gleichartiges Produkt. Das Azetat kann auch durch Eosin Y und Dimidol oder p-Toluolsulfinat ersetzt werden.35. In the dark room, a cell prepared as in Example 1, using sodium m-Nitrophenylazetat with a minimum concentration of 10 - ² mol in 100 ml water, 20% acrylamide, 0.5% methylene-bis-acrylamide and enough gelatin for solidification. Exposure as in Figure 33 gives a similar product. The acetate can also be replaced by eosin Y and dimidol or p-toluenesulfinate.
Während es nicht schwierig ist, das optische Verhalten der Wood'schen Linse zu steuern, die einer einfachen konvexen Einzellinse oder symmetrischen asphärischen Geräten äquivalent ist, indem man die Betätigung der Blende wie oben beschrieben nach der Zeit steuert, oder wie es gleichfalls leicht ist, einfache Rotationssymmetrien in optischen Elementen durch regelmäßige Bewegung des Brennpunktes oder der Strahlüberschneidungsstelle gegenüber dem Mediumskörper zu erzeugen, werden komplexere optische Elemente vorzugsweise mit Benutzung einer Vorrichtung präpariert, die rechnergesteuerte Belichtung erlaubt. Für diesen Zweck werden bevorzugt Kombinationen aus Medien, die mit nur kleinem oder gar keinem zeitlichen Verzug auf die Strahlungszustände reagieren, und die nach dieser Reaktion stabil bleiben, verwendet und zwar geschieht das zusammen mit einer automatischen Rückkopplungs-Steuerung (z. B. gleichzeitiger Überwachung und Inhomogenitätserzeugung), aber es ist auch möglich, Materialien zu benutzen, die nachfolgendes Altern erfordern, oder die einer physikalischen Umwandlung unterzogen werden (z. B. die Jenny-Materialien), bei denen nach der Erzeugung der Inhomogenitäten und dem Altern das optische Element in den Endzustand durch übliches Oberflächengestalten und Polieren gebracht werden kann.While it is not difficult to change the optical behavior of the Wood's lens to control that of a simple convex Single lens or symmetrical aspherical devices equivalent by operating the cover as described above controls by time, or how easy it is, simple rotational symmetries in optical elements through regular Movement of the focal point or the beam intersection to produce in relation to the medium body become more complex optical elements preferably using a Prepared device, the computer-controlled exposure allowed. Combinations of are preferably used for this purpose Media with little or no time delay react to the radiation states, and after that Reaction remain stable, used and that's what happens together with an automatic feedback control (e.g. simultaneous monitoring and inhomogeneity generation), but it is also possible to use materials that follow Aging or physical transformation is required undergo (e.g. the Jenny materials) at those after generation of inhomogeneities and aging the optical element in the final state by customary surface design and polishing can be brought.
Viele Prüfsysteme für optisch inhomogene Materialien erscheinen in der Literatur und können einfach für den erwünschten Steuerungs-Rückmeldevorgang abgewandelt werden. Ein erstes Beispiel ist das Steuerungs-Rückmeldesystem, wie es in der US-PS 35 87 195 unter dem Titel "Optical Surface Generating Method and Apparatus" erschienen ist, wobei diese Anmeldung noch kurz in der US-PS 36 58 528 beschrieben ist. Obwohl diese Apparatur entworfen wurde, um die Oberflächengestaltung eines optischen Elementes zu überwachen und zu leiten, ist sie für den vorliegenden etwas abweichenden Zweck direkt anwendbar. Andere Überwachungstechniken, die mit der Herstellungsvorrichtung der US-PS 38 29 838 verbunden werden können und für den hier beschriebenen Zweck nützlich sind, wurden von Wyant, O'Neill und MacGovern in Appl. Opt. Bd. 13, 1974, S. 1549 und auch von Nadov (a.a.O. S. 1551) beschrieben. Weitere nützliche Systeme wurden von Tomlinson und Aumiller in Appl. Opt. Bd. 14, 1975, S. 1100 und von Hunter und Schreiber Appl. Opt. Bd. 14, 1975, S. 25 beschrieben. Ein weiteres solches System wird von Brodnar und Ratajczyk in Appl. Opt. Bd. 4, 1965, S. 181 beschrieben. Eine andere Technik, die eine Holographie mit Doppelbelichtung benutzt, wird von Küpper und van Dÿk in der Rev.Sci.Instr. Bd. 43, 1972, S. 1492 beschrieben.Many test systems for optically inhomogeneous materials appear in the literature and can simply be for the one you want Control feedback process can be modified. A first one An example is the control feedback system, as in the US-PS 35 87 195 under the title "Optical Surface Generating Method and Apparatus "has appeared, this application is briefly described in US-PS 36 58 528. Although these Apparatus was designed to match the surface design of an optical element to be monitored and directed for the present slightly different purpose applicable. Other surveillance techniques with the manufacturing device the US-PS 38 29 838 can be connected and are useful for the purpose described here by Wyant, O'Neill and MacGovern in Appl. Opt. Vol. 13, 1974, P. 1549 and also described by Nadov (op. Cit. P. 1551). Further useful systems were developed by Tomlinson and Aumiller in Appl. Opt. Vol. 14, 1975, p. 1100 and by Hunter and Schreiber Appl. Opt. Vol. 14, 1975, p. 25. Another one System is developed by Brodnar and Ratajczyk in Appl. Opt. Vol. 4, 1965, p. 181. Another technique that is a holography with double exposure is used by Küpper and van Dÿk in Rev.Sci.Instr. 43, 1972, p. 1492.
Die Kombination der im vorigen Ansatz beschriebenen Prüfsysteme mit geeigneten Geräten zur Strahlsteuerung, wie sie in der US-PS 36 58 528 beschrieben ist, oder anderen Steuerungssystemen ist eine triviale Aufgabe für Fachleute auf dem Gebiet der Elementaroptik und elektronischen Steuerung. Die folgende kurze Beschreibung legt die grundlegenden Elemente eines solchen Systems zur Steuerung, Rückmeldung und Strukturierung dar.The combination of the test systems described in the previous approach with suitable devices for beam control, as in the U.S. Patent 3,658,528 is described, or other control systems is a trivial task for professionals in the field of Elementary optics and electronic control. The following short Description sets out the basic elements of such a system for control, feedback and structuring.
In Fig. 18 ist ein Volumen eines Mediums 1 angezeigt, das durch Strahlungszustände hervorgerufene Energieniveauwechsel ausführen kann, wie sie hier als kombinierter Effekt der zwei Laserstrahlen 3 und 4 an der Stelle 2 angezeigt werden. Die Laser sind mit Strahlstärkesteuerungs- und Ablenkungseinrichtungen 5 und 6 ausgerüstet, die auf vielerlei Arten gebaut sein können (siehe US-PS 38 29 838, dort sind Konstruktions- und Betriebseinzelheiten zu finden). 7 ist ein Mustergenerator und 8 ein Empfangsgerät, das empfangene Signale in Digitalform einem Computer 9 eingeben kann, der auch Informationen, die sich auf die gewünschte optische Eigenschaft des Volumens 1 beziehen, enthält. In Fig. 18 a volume of a medium 1 is displayed, the radiation-induced states of energy level change can run as they are shown as a combined effect of the two laser beams 3 and 4 at the spot 2. The lasers are equipped with beam intensity control and deflection devices 5 and 6 , which can be constructed in many different ways (see US Pat. No. 3,829,838, where construction and operating details can be found). 7 is a pattern generator and 8 is a receiving device which can input signals received in digital form to a computer 9 which also contains information relating to the desired optical property of the volume 1 .
Der Computer 9 steuert entweder direkt oder durch zusätzliche Rechner- und Steuerfunktionen die Steuerungs- und Ablenkungseinrichtungen 5 und 6 in der richtigen Weise, um die Eigenschaften des optischen Elementes in der erwünschten Weise zu erzeugen (Einzelheiten über die Rechnerteile siehe in der oben erwähnten Patentschrift).The computer 9 controls the control and deflection devices 5 and 6 in the correct manner, either directly or through additional computer and control functions, in order to produce the properties of the optical element in the desired manner (for details on the computer parts, see the patent mentioned above) .
36. Das durch eine "Wood'sche Linse" erzeugte Bild ist nicht frei von Bildfehlern. Um ein axiales Bild frei von sphärischen Aberrationen der dritten Ordnung zu erzeugen, wird der Koeffizient des nächsten Ausdrucks N₂ für N(R) benötigt, so daß:36. The image created by a "Wood's lens" is not free from image errors. In order to produce an axial image free from third order spherical aberrations, the coefficient of the next expression N ₂ for N (R) is required so that:
N(R) = N₀-N₁R²-N₂R⁴. N (R) = N ₀- N ₁ R ²- N ₂ R ⁴.
Soll noch die fünfte Ordnung der sphärischen Abweichung korrigiert werden, so wird ein Koeffizient N₃ nötig und der Ausdruck heißt:If the fifth order of the spherical deviation is to be corrected, a coefficient N ₃ is necessary and the expression is:
N(R) = N₀-N₁R²-N₂R⁴-N₃R⁶. N (R) = N ₀- N ₁ R ²- N ₂ R ⁴- N ₃ R ⁶.
In Fig. 19 ist eine "verallgemeinerte Wood'sche Linse" mit einem Lichtstrahl zu sehen, der von einem axialen Gegenstandspunkt zu einem axialen Bildpunkt wandert. D. Moore beschreibt im J. Opt. Soc. Am. Bd. 61, 1971, S. 886 die Index-Verteilung für eine solche Linse. Diese Daten erscheinen hier als Tabelle 3 und erhalten die Ergebnisse einer Berechnung von N₁ und N₂ auf solche Weise, daß das System die vorgeschriebene Rückbrennweite besitzt und die sphärische Aberration der dritten Ordnung korrigiert ist. Der besondere Wert der optischen Elemente mit einem radialen Gradienten der Inhomogenität wird durch die Größe von N₁ bezeichnet: Es ist sehr einfach möglich, eine verallgemeinerte "Wood'sche Linse" mit einer Rückbrennweite von 10 cm und einem Radius von 2 cm herzustellen. FIG. 19 shows a "generalized Wood lens" with a light beam that travels from an axial object point to an axial image point. D. Moore describes in J. Opt. Soc. At the. Vol. 61, 1971, p. 886 the index distribution for such a lens. These data appear here as Table 3 and receive the results of a calculation of N ₁ and N ₂ in such a way that the system has the prescribed back focal length and the spherical aberration of the third order is corrected. The special value of the optical elements with a radial gradient of inhomogeneity is denoted by the size of N ₁: It is very easy to produce a generalized "Wood's lens" with a back focal length of 10 cm and a radius of 2 cm.
In diesem Fall sind Koma, Astigmatismus, Bildwölbung und Verzeichnung nicht korrigiert. Die Tatsache, daß in dieser "verallgemeinerten" Wood'schen Linse die sphärische Aberration der dritten Ordnung praktisch zu Null reduziert wurde, ist besonders wichtig und kann mit einer normalen Linse, deren Krümmung einer minimalen sphärischen Aberration angepaßt wurde, nicht erreicht werden.In this case there are coma, astigmatism, curvature and Distortion not corrected. The fact that in this "generalized" Wood's lens the spherical aberration the third order has been reduced practically to zero, is particularly important and can be done with a normal lens, the curvature of a minimal spherical aberration adjusted, cannot be achieved.
37. D. Moore hat auf rechnerischem Wege im J. Opt. Soc. Am. Bd. 61, 1971, S. 886 bis 894 die Wirkung einer planaren Indexverteilung auf die Steuerung der Aberration gezeigt. Es hat sich herausgestellt, daß der Beitrag einer inhomogenen Oberfläche am wirksamsten zur Steuerung der sphärischen Aberration beiträgt und deshalb den gleichen Effekt wie eine asphärische Oberfläche besitzt. Es ergibt sich auch, daß der Beitrag des Durchgangs klein ist und deshalb eine Veränderung der Stärke nur geringe Folgen bei der Korrektur der Aberrationen dritter Ordnung hat.37. D. Moore has calculated in J. Opt. Soc. At the. Vol. 61, 1971, pp. 886 to 894 the effect of a planar index distribution shown on controlling the aberration. It turned out that the contribution of an inhomogeneous surface is most effective contributes to the control of spherical aberration and therefore has the same effect as an aspherical surface. It also emerges that the contribution of the passage is small and therefore a change in strength is only slight Consequences in correcting third order aberrations.
Es ist wohlbekannt, daß, wenn Astigmatismus und Petzval-Krümmung in einer Linse vorhanden sind, eine Haltstelle existiert, für die die Störung gleich Null ist. Benutzt man eine ebene Indexverteilung, zwei sphärische Oberflächen und eine Haltstelle, so ist es möglich, die sphärische Aberration dritter Ordnung, das Koma und die Bildabweichung zu korrigieren. Die Fig. 13 zeigt eine solche Linse, die Tafel 4 gibt die Konstruktionsdaten.It is well known that if there is astigmatism and Petzval curvature in a lens, there is a stopping point for which the disturbance is zero. Using a flat index distribution, two spherical surfaces and a stop, it is possible to correct the third-order spherical aberration, the coma and the image deviation. Fig. 13 shows such a lens, panel 4 gives the design data.
Eine korrigierte Linse dieser Art kann unter Benutzung der Vorrichtung der Fig. 17 hergestellt werden, bei Benützung eines Energieübertragungsmittels, wie es in Beispiel 32 beschrieben ist. Wird jedoch die Vorrichtung mit Rückmeldung nach Fig. 18 nicht benutzt, dann ist die mögliche Genauigkeit wegen Abweichungen in der Zusammensetzung udgl. nicht gerade die größte. Bei sorgfältiger Steuerung kann jedoch eine solche Annäherung bei nicht kritischen optischen Komponenten brauchbar sein. Die folgenden Berechnungen werden benutzt, um die grundlegenden Anforderungen an Medium und an Strahlenqualität festzulegen.A corrected lens of this type can be made using the device of FIG. 17 using an energy transfer medium as described in Example 32. However, if the device with feedback according to FIG. 18 is not used, the possible accuracy due to deviations in the composition is the same. not exactly the biggest. With careful control, however, such an approximation may be useful for non-critical optical components. The following calculations are used to determine the basic requirements for medium and radiation quality.
Wird für einen einfachen Fall angenommen, daß der Überschuß der Photonen über die Anzahl der energieübertragenden Moleküle im Medium zumindest 100 : 1 pro cm³ des Mediumvolumens beträgt, daß die maximale Dicke des Mediums einige wenige Millimeter beträgt und daß die Energieübertragung die Wirkung hat, die Polymerisation und den Brechungsindex zu vergrößern, dann ist der Brechungsindex eine ansteigende Funktion der genannten erhaltenen Strahlung.For a simple case it is assumed that the surplus of photons over the number of energy-transferring molecules in the medium is at least 100: 1 per cm³ of the medium volume, that the maximum thickness of the medium is a few millimeters and that the energy transfer has the effect that Polymerization and then increasing the refractive index the refractive index is an increasing function of the above received radiation.
Diese Funktion kann im allgemeinen durch die folgende Formel ausgedrückt werden:This function can generally be represented by the following formula are expressed:
n = n i + b Φ (23) n = n i + b Φ (23)
wobei n i der anfängliche Brechungsindex des Mediums vor Beginn der Strahlung ist, Φ die bei einem Abstand h von der Achse insgesamt aufgenommene Strahlungsmenge ist und b eine Konstante.where n i is the initial refractive index of the medium before the start of radiation, Φ is the total amount of radiation absorbed at a distance h from the axis, and b is a constant.
Der Ausdruck:The expression:
beschreibt die prinzipielle sphärische Aberration einer dünnen Linse, wobei r der Linsenradius, f die Brennweite und A eine Konstante ist. Durch Vergleichen dieses Ausdrucks mit der Veränderung in der Brennweite, die von einer Veränderung in der Konvergenz der Linse von der Mitte zum Rand hin herrührt, erhalten wir die Formel:describes the principle spherical aberration of a thin lens, where r is the lens radius , f is the focal length and A is a constant. By comparing this expression with the change in focal length resulting from a change in the convergence of the lens from the center to the edge, we get the formula:
Wir wenden uns nun der klassischen optischen Beziehung zu, die die relative Indexänderung mit der relativen Brennweitenänderung verbindet und geschrieben wird:We now turn to the classic optical relationship, which is the relative index change with the relative focal length change connects and is written:
und vergleichen diese beiden Formeln (25) und (26), dann erhalten wir:and compare these two formulas (25) and (26), then get we:
worin A eine Konstante ist und die Formel die Änderung des Brechungsindex ausdrückt, die am Punkt M der Linse erreicht werden kann, der h von der Achse entfernt ist, damit eine Brennweitenvariation erzwungen wird, welche die prinzipielle sphärische Aberration korrigiert, die von diesem Punkt herrührt.where A is a constant and the formula expresses the change in refractive index that can be achieved at point M of the lens, which is h away from the axis, to force a focal length variation that corrects for the principal spherical aberration resulting from that point .
Ein Vergleich der obigen Gleichungen (23) und (27) ergibt die weitere Rechenformel:A comparison of equations (23) and (27) above shows the further calculation formula:
Δ n = n-n₀ = -ah² = n i +b₀-n₀, Δ n = n - n ₀ = - ah ² = n i + b ₀- n ₀,
wobei n₀ der Brechungsindex an der Achse bedeutet, wo h = 0, n = n₀, Φ = Φ₀ ist, und Φ die Gesamtmenge der an der Achse erhaltenen Strahlung bedeutet, und demnach:where n ₀ is the refractive index on the axis, where h = 0, n = n ₀, Φ = Φ ₀, and Φ is the total amount of radiation obtained on the axis, and therefore:
0 = n i +b Φ₀-n₀0 = n i + b Φ ₀- n ₀
undand
Bei dieser Betriebsart sind die wichtigen Beziehungen ähnlich den vorher beschriebenen, außer, daß hier die Struktur in diskreten Tiefen beeinflußt werden kann, was bewirkt, daß man Grenzflächen gesteuert anbringen kann. Es ist bei dieser Art nötig, die Überschneidungsgröße und Quantenausbeutefaktoren zu beachten, die für andere Arten von Strukturen ähnlich sind, aber hier so beschrieben werden, daß sie für den Fall zutreffen, bei Inhomogenitäten des Brechungsindex von direkten Prozessen herrühren. Hier liegt dann ein direkter Zusammenhang zwischen der Polymerisation (und demnach dem Zuwachs des Brechungsindex) und dem Rückgang aus einem angeregten Zustand vor, der durch einen Anregungsvorgang von mindestens zwei Schritten erreicht wurde.In this mode, the important relationships are similar those previously described, except that here the structure is in discrete Depths can be affected, which causes one Can attach interfaces controlled. It is with this type necessary, the overlap size and quantum yield factors note that are similar for other types of structures, but are described here so that they apply to the case with inhomogeneities in the refractive index of direct processes come from. Then there is a direct connection between the polymerization (and therefore the increase in the refractive index) and the decline from an excited state before achieved by an excitation process of at least two steps has been.
Bei dieser Aufbauart wird die Überschneidung der Strahlungszustände nur kurze Zeit mit einem Abschnitt der strukturierten optischen Inhomogenität zusammenfallen. In diesem Fall wird der Polymerisationsgrad eine Funktion des Wirkungsgrades der Polymerisation durch freie Radiale sein, die wiederum eine Funktion der Wirksamkeit des Reaktionsprozesses sein wird, der durch den Zerfall des zuletzt erregten Zustandes des Strukturiervorgangs angeregt sein wird. Dieses alles kann am besten in Beziehung zueinander gesetzt werden, und die endgültige Produktion der optischen Inhomogenitäten in einem gegebenen Bereich des Mediums wird dann eine Funktion des folgenden Ausdrucks sein:With this type of construction, the overlap of the radiation states only a short time with a section of the structured optical inhomogeneity coincide. In this case the degree of polymerization is a function of the efficiency of the Free radical polymerization, which in turn is a Function of the effectiveness of the reaction process will be that caused by the decay of the last excited state of the structuring process will be excited. All of this works best related to each other, and the final Production of optical inhomogeneities in a given The area of the medium then becomes a function of the following Be expressive:
wobei N die Dichte der erregbaren Molekülart bedeutet, V das Volumen der Strahlüberschneidung, I₁₂ und I₂₃ die durchschnittlichen Strahlintensitäten sind, B₁₂ und B₂₃ die Einstein-Absorptions- Koeffizienten für Übergänge zwischen einem ersten und einem zweiten angeregten Zustand, bzw. von einem zweiten zu einem dritten angeregten Zustand, jeweils durch hv₁ bzw. hv₂ sind, und η₃₁ die Quantenausbeute der Polymerisation pro Übergang vom dritten erregten Zustand zum niedersten Zustand ist, M die Anzahl der R mal pro Sekunde angesprochenen Orte ist und angenommen wurde, daß bei jedem der R Male, an denen ein Ort angesprochen wurde, ein Pumpvorgang durch ein einzelnes Paar zeitlich getrennter Impulse eingeleitet wurde, die in der Reihenfolge hv₁ gefolgt von hv₂ so eintraten, daß die Zeit vom Anfang des hv₁-Impulses zum Ende des hv₂-Impulses viel kürzer als die Lebensdauer des zweiten Anregungszustandes ist. Es liegt auf der Hand, daß, um eine maximale Wirkung zu erreichen, es wünschenswert ist, den Ausdruck B₁₂ · B₂₃ · η₃₁ möglichst groß zu machen.where N is the density of the excitable molecular type, V is the volume of the beam intersection, I ₁₂ and I ₂₃ are the average beam intensities, B ₁₂ and B ₂₃ are the Einstein absorption coefficients for transitions between a first and a second excited state, or of a second to a third excited state, each by hv ₁ or hv ₂, and η ₃₁ is the quantum yield of the polymerization per transition from the third excited state to the lowest state, M is the number of R times per second addressed locations and has been assumed that at each of the R times at which a location was addressed, a pumping operation was initiated by a single pair of time-separated pulses which occurred in the order hv ₁ followed by hv ₂ so that the time from the beginning of the hv ₁ pulse at the end of the hv ₂ pulse is much shorter than the lifespan of the second excitation state. It is obvious that, in order to achieve maximum effect, it is desirable to make the expression B ₁₂ · B ₂₃ · η ₃₁ as large as possible.
38. Während in Beispiel 30 der Nutzen einer Verteilung mit radialem Gradienten gezeigt wurde, der die asphärische Krümmung ersetzte, wird im vorliegenden Fall der in Fig. 14 gezeigte radiale Gradient benutzt, und zwar in einer Einzellinse mit einem radialen Gradienten in der Art, wie er in der verallgemeinerten Wood'schen Linse benutzt wurde:38. While the benefit of a radial gradient distribution that replaced the aspherical curvature was shown in Example 30, the radial gradient shown in FIG. 14 is used in the present case, namely in a single lens with a radial gradient of the type like it was used in the generalized Wood lens:
N(R) = N₀+N₁R²+N₂R⁴. N (R) = N ₀ + N ₁ R ² + N ₂ R ⁴.
Für diesen Fall sind die Baudaten in Tafel 5 angegeben. Man sieht, daß drei Aberrationen (die sphärische, das Koma und der Astigmatismus) durch eine angepaßte Wahl der Krüm mungen, der Stärken und der Werte von N₁ bis N₂ korrigiert wurden, während die Verzeichnung durch Wechsel des Halt punktes korrigiert wurde. Die Petzval'sche Feldkrümmung bleibt unkorrigiert. Diese Linse ist von allen Abweichungen der dritten Ordnung bis auf die Petzval-Krümmung frei.In this case, the construction data are given in Table 5. It can be seen that three aberrations (the spherical, the coma and the astigmatism) were corrected by an appropriate choice of the curvatures, the strengths and the values from N ₁ to N ₂, while the distortion was corrected by changing the stop. Petzval's field curvature remains uncorrected. This lens is free from all third order deviations except for the Petzval curvature.
Die Brennweite einer Einzellinse mit radialem Gradienten wird durch die Formel:The focal length of a single lens with a radial gradient becomes through the formula:
gegeben, wobei jeweils die oberen Ausdrücke für N₁<0 und die unteren für N₁<0 gelten, f die Brennweite, C₀ die erste Oberflächenkrümmung, C₁ die zweite Oberflächenkrümmung, t die mittlere Dicke bedeutet, die Funktion des Brechungsindex gleich ist N(R)=N₀+N₁R²+N₂R⁴+. . ., undgiven, the upper expressions for N ₁ <0 and the lower ones for N ₁ <0, f the focal length, C ₀ the first surface curvature, C ₁ the second surface curvature, t the mean thickness, the function of the refractive index is the same N (R) = N ₀ + N ₁ R ² + N ₂ R ⁴ +. . ., and
Für Werte (kt)²«1 kann diese Gleichung angenähert werden durchFor values (kt) ² «1 this equation can be approximated by
wobeiin which
ist. is.
39. Ein komplexeres optisches Element wird in Fig. 15 gezeigt. Hier sind zwei Elemente gleicher Dicke und mit zylindrischen Flächen mit gleichem Brechungsindex miteinander verbunden, um ein aplanares Fernrohrobjektiv zu schaffen. Während eine äquivalente Linse erzeugt werden könnte durch zwei Wood'sche Linsen, die nach der GRIN oder Sinai-Methode hergestellt sein können, kann diese Fernrohrdoppellinse innerhalb eines einzigen Materienblocks direkt nur durch die vorliegende Erfindung er zeugt werden. Ein ähnliches Element, jedoch mit einem Luft spalt, wurde von Matsumara in der US-PS 36 37 295 beschrieben, wobei die GRIN-Technik benutzt wurde, um zwei Elemente mit radialem Gradienten zu erhalten.39. A more complex optical element is shown in Fig. 15. Here two elements of the same thickness and with cylindrical surfaces with the same refractive index are connected to each other to create an aplanar telescope objective. While an equivalent lens could be produced by two Wood's lenses, which can be manufactured according to the GRIN or Sinai method, this telescope double lens within a single block of matter can only be produced directly by the present invention. A similar element, but with an air gap, was described by Matsumara in US Pat. No. 3,637,295 using the GRIN technique to obtain two radial gradient elements.
Die zwei Aberrationen, die korrigiert worden sind, die sphärische Abweichung und das Koma. Die Konstruktionsdaten für diese korrigierte Linse sind in Tafel 6 zusammengestellt.The two aberrations that have been corrected, the spherical Deviation and the coma. The design data for these corrected lenses are summarized in Table 6.
40. Eine Linse mit einem Brennweiten-Öffnungsverhältnis von f/6.3 wird in Fig. 19 dargestellt. Es handelt sich um eine Einzellinse mit zylindrischer Indexverteilung. Sie hat annähernd die gleiche sphärische Aberration, das gleiche Koma, die gleichen tangentiellen und Pfeilfeldkrümmungen wie eine homo gene photographische Einzellinse mit dem Verhältnis f/11. Der Halbfeldwinkel beträgt 25°, die Aberrationen sind insge samt größer als von der dritten Ordnung. Diese Linse besitzt einen Unterschied in dem Brechungsindex von -0,008 zwischen dem Zentrum und dem Randbereich der Linse. Die Tafel 7 gibt die Konstruktionsdaten dieser Linse. Eine zweite Linse mit f/11, deren Aberrationen insgesamt großenteils gegenüber einer homogenen photographischen Einzellinse f/11 reduziert wurden, ist in Tafel 8 aufgelistet. 40. A lens with a focal length aperture ratio of f /6.3 is shown in FIG. 19. It is a single lens with a cylindrical index distribution. It has approximately the same spherical aberration, the same coma, the same tangential and arrow field curvatures as a homogeneous single photographic lens with the ratio f / 11. The half field angle is 25 °, the overall aberrations are larger than from the third order. This lens has a refractive index difference of -0.008 between the center and the periphery of the lens. Table 7 gives the design data of this lens. A second lens with f / 11, the overall aberrations of which were largely reduced compared to a homogeneous single photographic lens f / 11, is listed in Table 8.
Es wurden schon verschiedene Versuche unternommen, die Möglichkeit zu erforschen, einen Volumen-Rechnerspeicher auszubilden. Einer dieser Anläufe benutzte die Holographie und wurde ursprünglich von van Heerden in Appl.Opt. Bd. 2, 1963, S. 393 beschrieben. Die Information ist als ein Inter ferenzmuster gespeichert, das sich durch das gesamte Volumen eines Raumhologramms ausdehnt. Bei einem solchen Versuch ist eine Steuerung der Anbringung nicht möglich und eine Infor mationskodierung findet darin nicht statt (z. B. die Gradationen in der optischen Dichte oder im Brechungsindex entwickeln sich durch willkürlich plazierte Muster von Interferenzringen, wobei beim Auslesevorgang mit kohärendem Licht die Information durch Zusammenwirkung mit dem gesamten Vorrat an gespeicherten Ringen wiedererweckt wird). Ein solcher Speicher ist "seiten organisiert" und von vornherein für den Informationsaustausch mit einem Digitalrechner schlecht geeignet.Various attempts have been made to: Possibility to explore a volume calculator storage to train. One of these attempts used holography and was originally developed by van Heerden in Appl.Opt. Vol. 2, 1963, p. 393. The information is as an inter Reference pattern saved that extends through the entire volume of a room hologram. In such an attempt control of the attachment is not possible and information Mation coding does not take place in it (e.g. the gradations develop in optical density or in refractive index through randomly placed patterns of interference rings, the information being read out with coherent light by interacting with the entire stock of stored Wrestling is reawakened). Such a memory is "pages organized "and from the outset for the exchange of information badly suited with a digital computer.
Einige Forscher haben dreidimensionale Speichersysteme be schrieben, bei denen Bereiche mit spezieller Zusammensetzung innerhalb des Volumens eines Speicherinhalts geschaffen werden, bei denen jedes Bit ein positives oder negatives Informations- Bit entsprechend seinem Zustand und seinem Anordungsplatz repräsentiert. Zwei Forscher haben thermische Effekte benutzt, um Bits in Volumenspeicher zu schreiben, z. B. wird in der US-PS 37 15 734 ein Verfahren entwickelt, Kohlenstoff-Bereiche in einer dreidimensionalen Anordnung aus Kunststoff zu erzeugen, und ein verbessertes System nach der US-PS 38 20 087 be nutzt aufgeschmolzene Bereiche kristallinen Materials um ein negatives Bit zu repräsentieren, das unfähig zu harmonischer Erzeugung ist und gesteigerte Auslese-Selektivität ergibt.Some researchers have used three-dimensional storage systems wrote in areas with special composition be created within the volume of a storage content, where each bit is a positive or negative information Bit according to its state and location represents. Two researchers used thermal effects to write bits into volume storage, e.g. B. is in the U.S. Patent No. 37 15 734 developed a process to carbon areas in a three-dimensional arrangement of plastic, and an improved system according to US-PS 38 20 087 be uses melted areas of crystalline material around to represent negative bit that is incapable of harmonic Generation is and results in increased selectivity.
Eine Anzahl von Forschern hat Systeme beschrieben, welche den leichten Zugang zu Zwei-Photonen-Absorptionsprozessen ausnützen, wie sie in unserem Klassifikationssystem nach Klasse I Gruppe 2 und 3 vorhanden sind, sie haben jedoch den Wert dieser Vor gänge für die selektive Aktivierung wirklicher photochemischer Umwandlungen nicht erkannt. Statt dessen wurde die Ener giezufuhr dazu benutzt, ein Material in eine angeregte Zu standsbedingung zu versetzen, die künstlich über eine gewisse Zeit aufrechterhalten werden kann. Diese angeregte Zustands bedingung von Elektronen in einer kristallinen Matrix ist nicht beständig (siehe z. B. US-PS 34 66 616, 36 54 626 und 39 40 748), so daß der Speicher sowohl unter den normalen Licht- und Temperaturbedingungen als auch beim Auslesen unbe ständig ist. Die US-PS 35 08 208 (Duguay und Rentzepis), bei der fluoreszenz-fähige Materialien (Anthrazen, Pyren und 3,4-Benzpyren) eingefroren werden, um einprogrammierte Bits in dem angeregten Zustand vor Abgabe einer Strahlung zu halten und dann durch Erfassen der emittierten Fluoreszenz bei Rückkehr in den Grundzustand zu lesen, zeigen einen klaren Unterschied zur vorliegenden Erfindung, bei der diese gleichen Materialien in einer gänzlich anderen Weise verwendet werden.A number of researchers have described systems which easy access to two-photon absorption processes take advantage of, as in our classification system according to class I group 2 and 3 are present, but they have the value of this before for the selective activation of real photochemical Conversions not recognized. Instead, the Ener used to feed a material into an excited feed to place a condition that is artificially above a certain Time can be maintained. This excited state condition of electrons in a crystalline matrix not resistant (see e.g. US-PS 34 66 616, 36 54 626 and 39 40 748), so that the memory is both below normal Light and temperature conditions as well as when reading out is constant. The US-PS 35 08 208 (Duguay and Rentzepis), at of fluorescent materials (anthracene, pyrene and 3,4-benzopyrene) are frozen to programmed bits to keep in the excited state before emitting radiation and then by detecting the emitted fluorescence Reading return to the basic state shows a clear Difference from the present invention, in which they are the same Materials are used in a completely different way.
Nach dem Verfahren von Duguay und Rentzepis wird ein größeres Volumen eines Materials, wie z. B. Anthrazen als bipolare Spei chermatrix benutzt, bei der die zwei Zustände der Grundzustand und ein angeregter Zustand sind. Nach dem Lesevorgang (in Abwesenheit eines besonderen Wiederprogrammierens durch Rück kopplung) ist das Material wiederum ein homogenes Volumen von Anthrazen im Grundzustand. In der vorliegenden Erfindung wird dadurch programmiert, daß die Anthrazen-Moleküle zwischen den zwei stabilen Grundzuständen der Monomere und der Dimere unter Benutzung der Systeme nach Klasse I oder Klasse II wechseln, wie bereits früher beschrieben (siehe die angeführten Beispiele 18 bis 24 und 26 bis 28). Man bemerke, daß die gleichen Übergänge unter Benutzung anderer, hier beschriebener Zwei-Photonen-Systeme ausgeführt werden können) besitzen diese Materialien bestimmte, vonein ander verschiedene Eigenschaften, wie z. B. die Fähigkeit zu fluoreszieren oder die fehlende Fähigkeit. Auf diese Weise kann man z. B. die Art eines programmierten Bits feststellen, indem man es in Strahlungszustände bringt, die bei dem program mierten Bit Fluoreszenz-Reaktionen hervorrufen, dies jedoch bei dem nicht programmierten Bit nicht tun. Es ist zu bemerken, daß in diesem Fall keine Verlängerung des angeregten Zustands nötig ist, und daß nach dem Lesen das fluoreszierende Bit zu einem stabilen Grundzustand zurückkehrt, der sich von dem anderen stabilen Grundzustand des Moleküls vor dem Programmie ren unterscheidet.Following the procedure of Duguay and Rentzepis, a bigger one Volume of a material, such as B. Anthracene as a bipolar Spei chermatrix, where the two states are the ground state and are an excited state. After the reading process (in Absence of a special reprogramming by return coupling) the material is again a homogeneous volume of anthracene in the ground state. In the present invention is programmed in that the anthracene molecules between the two stable ground states of the monomers and the dimers using Class I or Class II systems switch, as described earlier (see the examples 18 to 24 and 26 to 28). Note that the same transitions are used other two-photon systems described here these materials have certain, of each other other different properties, such as B. the ability to fluoresce or lack of ability. In this way can you e.g. B. determine the type of a programmed bit, by bringing it into radiation states that are in the program mated bit cause fluorescence reactions, however do not with the non-programmed bit. It should be noted that in this case there is no prolongation of the excited state is necessary, and that after reading the fluorescent bit returns to a stable ground state that differs from that other stable ground state of the molecule before programming ren differentiates.
Es ist zu bemerken, daß diese neuen Systeme den Gebrauch einer ganzen Reihe neuer Speichermaterialien erlaubt, statt der speziel len kristallinen Materialien oder der kryogenen Methoden des Standes der Technik. Praktisch jede photochemische Umwand lung an ausgewählten, für Bit-Speicherung nötigen Stellen bringen Unterschiede im Absorptionsverhalten an diesen program mierten Stellen hervor, die durch die in den US-PS 37 15 734, 36 54 626 oder 39 40 748 beschriebenen Einrichtungen erfaßt werden können (siehe auch den Bericht von Geller und Taylor "Three-Dimensional Information Storage in Alkali Halides by Two-Photo-Absorption" vom 4. Jan. 1971, der unter der Nummer NELC/TR 1749 vom Naval Electronics Laboratory Center erhältlich ist). Ähnlich können Bit-Elemente, die durch angeregte Emission und durch Fluoreszenz unterschieden sind, vorteilhaft mit dem Erfassungssystem, wie es in der US-PS 35 08 208 beschrieben ist, oder ähnlich, gelesen werden. Anders als bei kristallinen Materialien können perfekte Speichermatrizen jeder beliebigen Größe mit amorphen Kunststoffmaterialien hergestellt werden, wobei sie hochqualifizierte optische Eigenschaften besitzen.It should be noted that these new systems use one a whole range of new storage materials are allowed instead of the special ones len crystalline materials or cryogenic methods the state of the art. Virtually any photochemical conversion at selected locations required for bit storage bring differences in absorption behavior to this program points highlighted by the in US Pat. No. 3,715,734, 36 54 626 or 39 40 748 described facilities are detected can (see also the report by Geller and Taylor "Three-Dimensional Information Storage in Alkali Halides by Two-Photo-Absorption "of Jan. 4, 1971, which is numbered NELC / TR 1749 available from the Naval Electronics Laboratory Center is). Similarly, bit elements created by excited emission and are distinguished by fluorescence, advantageously with the detection system as described in US-PS 35 08 208 is, or similar, read. Different from crystalline ones Materials can be any perfect storage matrices Size can be made with amorphous plastic materials, with highly qualified optical properties.
Wahrscheinlich der größte Vorteil der hier vorgestellten Speichersysteme liegt in der Möglichkeit, sehr schnelle elektronische Übergangsvorgänge, wie Absorption und interne Umwandlung (zwischen 10-9 und 10-15 sec) auszunutzen, statt der verhältnismäßig langsamen Mechanismen der Fluoreszenz- Emission oder ähnlichem (10-5 bis 10-9 sec). Auch viele photo chromische Vorgänge sind sehr schnell. Um sich über diese Vorgänge und ihre Anwendung zu informieren, sei auf den frühen, von der Sylvania Corporation erhältlichen Bericht von Lewis C. Clapp mit dem Titel "High Speed Optical Computers and Quantum Transition Memory Devices" verwiesen. Diese und ähnliche Schemata (US-PS 33 41 825) sind nach dem Verfahren dieser Erfindung von der zweidimensionalen Arbeitsweise zu einem dreidimensionalen Raumspeichersystem ausgeweitet. Das selbe kann man von anderen zweidimensionalen Speichersystemen sagen, die auf photochemischen Übergängen beruhen, wie z. B. die von S. Maslowski in Appl. Opt. Bd. 13, 1974, S. 857 be schriebenen, welche opake Flecken erzeugen, die durch das Verfahren nach US-PS 37 15 734, z. B. erfaßt werden können. Eben so wurde in einem früheren Abschnitt dieser Anmeldung ein Verfahren zur Erzeugung "an Ort und Stelle erzeugter Faser optik" gezeigt. Es gibt in der Literatur eine große Anzahl optischer Rechner-Schemata, welche von Hand durchzuführende faseroptische Verfahren benutzen. Es liegt auf der Hand, daß unter Benutzung von Kombinationen von Strahlungszuständen und Speichermatrixzusammenstellungen es möglich ist, solche integrierte Systeme nur durch optische Einrichtungen aufzu bauen und auf die Methoden der dreidimensionalen Volumen speicher hin auszudehnen. (Siehe dazu Burt et. al. in Apl. Opt. Bd. 12, 1973, S. 1213.)Probably the greatest advantage of the storage systems presented here lies in the possibility of using very fast electronic transition processes, such as absorption and internal conversion (between 10 -9 and 10 -15 sec), instead of the relatively slow mechanisms of fluorescence emission or the like (10 - 5 to 10 -9 sec). Many photo chromic processes are also very fast. To learn more about these processes and their application, see the early report by Lewis C. Clapp, available from Sylvania Corporation, entitled "High Speed Optical Computers and Quantum Transition Memory Devices". These and similar schemes (US Pat. No. 3,341,825) have been expanded from the two-dimensional mode of operation to a three-dimensional space storage system by the method of this invention. The same can be said of other two-dimensional storage systems that are based on photochemical transitions, such as. B. by Maslowski in Appl. Opt. Vol. 13, 1974, p. 857, which produce opaque stains which are produced by the process according to US Pat. No. 3,715,734, e.g. B. can be detected. Likewise, in a previous section of this application, a method for producing "fiber optics generated in place" was shown. There is a large number of optical computer schemes in the literature which use fiber optic methods to be carried out by hand. It is obvious that using combinations of radiation states and memory matrix combinations, it is possible to build such integrated systems only by means of optical devices and to expand them to the methods of three-dimensional volume storage. (See Burt et. Al. In Apl. Opt. Vol. 12, 1973, p. 1213.)
Obwohl vorzugsweise die Bits selbst gespeichert werden, be steht auch noch die Möglichkeit, die erfindungsgemäßen Grund lagen zur Erzeugung eines holographischen Volumenspeichers zu verwenden.Although the bits themselves are preferably stored, be there is also the possibility of the reason according to the invention were to generate a holographic volume memory to use.
Ein wichtiger Aspekt der Wirksamkeit einiger Ausführungen, bei denen Lichtemission stattfindet oder Lichtleitung erforderlich ist, um Strahlung im Speicher zu plazieren, sind verschiedene Einrichtungen zur Bestimmung und Steuerung von Vektoren. Zum Beispiel wird es durch optische Isolierung von Bereichen, in denen Fluoreszenz auftritt, möglich, diese Bereiche getrennt zu behandeln und parallele Operationen in verschiedenen Teilen des Speichers durchzuführen. Als allgemeiner Ausdruck für Einrichtungen zur optischen Isolierung von Abschnitten eines dreidimensionalen Volumens wird das Wort "Hodoskopie" benutzt; es gibt da viele verschiedene Typen, z. B. die Instrumente von Hinterberger und Winston in Rev. Sci. Inst. März 1968 S. 419 oder Gottschalk (Rev. Sci. Inst. Jan. 1969, S. 22) oder die Analogien des Szintographie-Verfahrens, wie es von Schmitz und Feuerhake (in Phys. Med. Biol. Bd. 15, 1970, S. 649 bis 656) beschrieben wurde, wobei auch nützliche mathematische Behandlungsverfahren angeführt werden.An important aspect of the effectiveness of some designs, at where light emission takes place or light guidance is required to place radiation in memory are different Devices for determining and controlling vectors. To the Example it is through optical isolation of areas in where fluorescence occurs, these areas can be separated to handle and parallel operations in different parts of the memory. As a general expression for Devices for the optical isolation of sections of a three-dimensional volume, the word "hodoscopy" is used; there are many different types, e.g. B. the instruments by Hinterberger and Winston in Rev. Sci. Inst. March 1968 P. 419 or Gottschalk (Rev. Sci. Inst. Jan. 1969, p. 22) or the analogies of the scintography method as it is by Schmitz and Feuerhake (in Phys. Med. Biol. Vol. 15, 1970, p. 649 to 656) has been described, including useful mathematical Treatment procedures are listed.
Erwähnt werden soll auch noch die Fähigkeit an Ort und Stelle erzeugter Fiber-Optik, ausgewählte Verteilung oder Unter teilung von Speichern durch die Richtung (wohin sie führen) und durch die Ausfilterung bestimmter Wellenlängen, (die sie weiterleiten können), zu gestatten. An die optische Isolie rung anpassungsfähige Einrichtungen werden von M. Oda in dem Buch "Small Rocket Instrumentation Technology", herausgegeben im North-Holland Verlag, Amsterdam im Jahr 1966, S. 176 ff. und vom selben Autor in Appl. Opt. Bd. 4, 1965, S. 143 be schrieben.Ability to be mentioned on the spot should also be mentioned generated fiber optics, selected distribution or sub Division of memory by direction (where it leads) and by filtering out certain wavelengths (which they can forward). The optical isolation Adaptable facilities are developed by M. Oda in the Book "Small Rocket Instrumentation Technology" published in North-Holland Verlag, Amsterdam in 1966, p. 176 ff. and by the same author in Appl. Opt. Vol. 4, 1965, p. 143 be wrote.
Ein anderes Verfahren, Speicher zu unterteilen, das allein oder im Zusammenhang mit dem oben Angeführten angewendet werden kann, ist die zeitliche statt der räumlichen Unterteilung. Moderne elektronische Verfahren erlauben, daß Millionen von Ereignissen pro Sekunde einzeln über die Zeit geprüft werden, und daß sie voneinander unterschieden werden. Zum Beispiel geben Keene und andere in Rev. Sci. Instr. Bd. 40, Nr. 9, 1969, S. 1199 Beispiele für ein solches Gerät. In einem anderen Aufsatz benutzen Yuan und Post schnelle elektronische Ver fahren, um ein Emissionsergebnis im Raum zu lokalisieren, wobei die Vorrichtung auf eine Ortsbestimmung nach den Koordinaten x, y und z angepaßt werden kann (siehe Rev. Sci. Instr. Bd. 23, Nr. 10, 1952, S. 553 und Jones, J. Scientific Instr. Bd. 37, 1960, S. 318 bis 323).Another method of dividing memory that can be used alone or in connection with the above is the temporal rather than the spatial division. Modern electronic methods allow millions of events per second to be checked individually over time and to be distinguished from one another. For example, Keene and others in Rev. Sci. Instr. Vol. 40, No. 9, 1969, p. 1199 examples of such a device. In another article, Yuan and Post use fast electronic methods to localize an emission result in space, whereby the device can be adapted to a location determination according to the coordinates x , y and z (see Rev. Sci. Instr. Vol. 23, No. 10, 1952, p. 553 and Jones, J. Scientific Instr. Vol. 37, 1960, pp. 318 to 323).
Oben wurde die Filterfähigkeit von an Ort und Stelle erzeugten Wellenleitern erwähnt, und eine Vielfalt anderer Eigenschaften integrierter optischer Systeme kann in vorteilhaften erfin dungsgemäßen Ausführungen enthalten sein. Grundlegende An sprüche an solche Kreise wurden von Marcatelli in Bell Syst. Techn. J. Bd. 48, S. 2071 ff. und von Goell, in Bell Syst. Techn. J. Bd. 48, S. 2133 beschrieben. Filter, Richtungskoppler und sogar Laser-Geräte (siehe das vorhergehende Beispiel mit Polymethol-Farben) können vorbereitet werden. Während die Benutzung einzeln gesteuerter (gerichteter oder umgewandelter, z. B.) Strahlungszustände eines Strahlenbündels im all gemeinen bevorzugte Mittel zur erfindungsgemäßen Herbeiführung von Wechsel im Energieniveau ist, sollen noch holographische Muster, z. B. Punktanordnungen in einer oder mehreren Ebenen, die von einer Hologramm-Linse projiziert werden, als Alternative erwähnt werden. Solche projizierte wirkliche holographische Bilder als Mittel, dreidimensionale Muster physio-chemischer Natur einzubringen, wurden zuerst von Swainson in seiner Däni schen Patentanmeldung vom 12. Juli 1967 beschrieben, und dieses Verfahren ist Teil der US-PA 1 65 042. Bei einigen Ausführungen, die einander schneidende Strahlen gebündelter Strahlung benutzen, können solche holographische Muster von besonderem Wert sein, z. B. dadurch, daß sie gleichzeitig Strahlen bereitstellen können, welche mehrfache Brennpunkte mit hoher Energie besitzen.Above, the filtering ability was generated on the spot Waveguides mentioned, and a variety of other properties Integrated optical systems can advantageously be invented Executions according to the invention may be included. Basic To Marcatelli in Bell Syst. Techn. J. Vol. 48, pp. 2071 ff. And von Goell, in Bell Syst. Techn. J. 48, p. 2133. Filters, directional couplers and even laser devices (see the previous example with Polymethol colors) can be prepared. While the Use individually controlled (directed or converted, e.g. B.) Radiation states of a beam in space common preferred means for bringing about the invention of changes in energy level are said to be still holographic Patterns, e.g. B. point arrangements in one or more levels, that are projected from a hologram lens as an alternative be mentioned. Such projected real holographic Images as means, three-dimensional patterns of physio-chemical Bringing nature in was first introduced by Swainson in his Dani described patent application of July 12, 1967, and this The process is part of US-PA 1 65 042. In some versions, who use intersecting beams of focused radiation, such holographic patterns can be of particular value e.g. B. in that they can simultaneously provide rays, which have multiple foci with high energy.
Wie in den anderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung, z. B. dreidimensionale Farbmusterbilder, lichtbeständiger Muster abbildung für Fabrikationszwecke, Strukturen mit veränderlichem Brechungsindex u. a., wird es oft möglich sein, von bekannten Ein-Photon-Absorptions-Daten auszugehen, wenn Speichersysteme entworfen werden. Eine nützliche Zusammenstellung von Daten, Ein-Photonen-Energie-Anforderungen einer großen Gruppe änder barer Materialien betreffend, wurde von Tufte und Chen in IEEE Spectrum, Bd. 10, 1973, S. 26 gegeben. Diese Literatur stelle und die darin zitierten ergeben für die Zwecke der Er findung nützliche Informationen sowohl über wandelbare Materi alien, als auch über Matrixmaterialien, innerhalb welcher die ersteren unter Erhalt ihrer Änderbarkeit erfindungsgemäß aufgenommen sein können.As in the other applications of the present invention, e.g. B. three-dimensional color sample images, lightfast pattern illustration for manufacturing purposes, structures with variable Refractive index u. a., it will often be possible from known One-photon absorption data go out when storage systems be designed. A useful collection of data, Change one-photon energy requirements of a large group materials, was developed by Tufte and Chen in IEEE Spectrum, Vol. 10, 1973, p. 26. This literature place and the cited therein result for the purposes of Er Find useful information about both changeable materials alien, as well as matrix materials, within which the former can be included according to the invention while maintaining their changeability can.
Wegen der Empfindlichkeit der Instrumentenausrüstung gegenüber Lichtemission benutzt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung Speicherstrukturen, die durch Vorgänge gelesen werden, die solche Lichtemission an programmierten Bit-Stellen hervor rufen, oder die veränderbare Eigenschaften einer solchen Lichtemission z. B. in der Wellenlänge, als Bit-Speicher benutzen. Die Beispiele 20, 22, 24 und 27 beschreiben für diesen Zweck bevorzugte Materialien. Die Eigenschaften pas sender Materialien sind gut beschrieben, z. B. die von Dimeren (siehe Tomlinson u. a. in Appl. Opt. Bd. 11, 1972, S. 533) und Birks und Christophorou in Nature, Bd. 197, 1963, S. 1064 und die Zitate im Nachtrag von "Scintillation Counting", Seite 631 und der Aufsatz von Salmon und Chandross in Anal. Chem. Bd. 45, 1973, S. 2446, welche wertvolle Information über die Matrix und Details der Absorptions- und Reaktivitätsstrukturen von n-Amyl-Anthroat geben. Die Lasereigenschaften wiederhergestellter Dimere werden von Fork, German und Chandross in Appl. Phys. Lett. Bd. 20, 1972, S. 139 diskutiert. Andere besonders bekannte und nützliche Materialien wurden in dem Beispiel 27 und in früheren Beispielen erwähnt, darunter insbesondere die Isomazole (S. Beispiel 25, sowie Ullman und Singh in J. Amer. Chem. Soc., Bd. 88, 1966, S. 1844, Singh u. a. in der gleichen Zeitschrift Bd. 94, 1972, S. 1199). Ähnliche Eigenschaften der Lichtemission und Stabilität in einer Kunststoffmatrix machen die in der US-PS 38 99 687 beschriebenen Materialien besonders interessant.Because of the sensitivity of the instrumentation to Light emission uses a preferred embodiment of the invention Memory structures that are read by processes that such light emission at programmed bit locations call, or the changeable properties of such Light emission z. B. in the wavelength, as a bit memory to use. Examples 20, 22, 24 and 27 describe for preferred materials for this purpose. The properties pas Transmitter materials are well described, e.g. B. that of dimers (see Tomlinson et al. in Appl. Opt. Vol. 11, 1972, p. 533) and Birks and Christophorou in Nature, vol. 197, 1963, p. 1064 and the quotes in the addendum to "Scintillation Counting", page 631 and the essay by Salmon and Chandross in Anal. Chem. Vol. 45, 1973, p. 2446, which contains valuable information about the matrix and Details of the absorption and reactivity structures of Give n-amyl anthroate. The laser properties restored Dimers are described by Fork, German and Chandross in Appl. Phys. Lett. Vol. 20, 1972, p. 139 discussed. Other particularly well-known and useful materials were found in Example 27 and mentioned in previous examples, including in particular the Isomazole (p. Example 25, and Ullman and Singh in J. Amer. Chem. Soc., Vol. 88, 1966, p. 1844, Singh et al. a. in the same Journal vol. 94, 1972, p. 1199). Similar properties light emission and stability in a plastic matrix make the materials described in US Pat. No. 3,899,687 especially interesting.
Eine letzte Gruppe bevorzugter Materialien sind die Indigo- Farb-Derivate, hier besonders das Thioindigo und die Diacetylindigo-Materialien, die von Blanc und Ross in J. of Phys. Chem., Bd. 72, 1968, S. 2817 und Rogers u. a. im J. of Amer. Chem. Soc. Bd. 79, 1957, S. 2464 beschrieben wurden. Diese Materialien wurden in den Beispielen 22 und 24 dieser Anmeldung beschrieben. Die Tafel 11 zeigt einige Beispiele von Bereichen der Ein-Photonen-Reaktivität einiger dieser Materialien, die beim Umwandeln von nicht fluoreszenten in fluoreszente Formen wirksam sind, sie zeigen die Ein-Photonen-Strahlung, die Fluoreszenz bewirkt, und den Emissionsbereich der Fluoreszenz. Die Materialien, die reversible cis-trans-isomerische Übergänge vollziehen können (siehe Tafel 11 und die Zitierung von Zweig in Beispiel 27) sind für wiederprogrammierbare, lichtemittierende Speicher besonders gut zu gebrauchen. Eine Anzahl nützlicher Mechanis men, um das Cis/Trans-Verhältnis wirksam zu ändern, werden von Kan (Organic Photochemistry, S. 20 bis 23) diskutiert, da runter sind das "optische Pumpen" und der Einsatz von Sensibi lisatoren, die selektiv das eine oder das andere Isomer dazu bringen, vorzuherrschen (siehe auch das obige Zitat von Kan, S. 22 bis 23).A final group of preferred materials are the indigo Color derivatives, especially the thioindigo and the Diacetylindigo materials described by Blanc and Ross in J. of Phys. Chem., Vol. 72, 1968, p. 2817 and Rogers et al. a. in J. of Amer. Chem. Soc. 79, 1957, p. 2464. These Materials were used in Examples 22 and 24 described in this application. Table 11 shows some examples of areas of one-photon reactivity some of these materials that are not involved in converting fluorescent are effective in fluorescent forms, they show the one-photon radiation which causes fluorescence, and the emission range of fluorescence. The materials that reversible cis-trans isomeric transitions (see Table 11 and the citation of Zweig in Example 27) are for re-programmable, light-emitting memories particularly good to use. A number of useful mechanisms to effectively change the cis / trans ratio von Kan (Organic Photochemistry, pp. 20 to 23) discussed there down are the "optical pumps" and the use of Sensibi lisators that selectively add one or the other isomer bring to prevail (see also the above quote from Kan, Pp. 22 to 23).
Während die bevorzugten Strukturierungsmechanismen der Er findung Lichtstrahlung benutzen, sind auch Kombinationen mit anderen Strahlenarten möglich. Eine große Gruppe anorga nischer Phosphat-Gläser, die unter Bestrahlung mit kurzwelligem UV oder mit Teilchenbestrahlung fluoreszent werden, wurden von J. H. Schulman in einer Übersicht "Survey of Luminescence Dosimetry" in dem von F. H. Attix, bei der US-Atomic Energy Commision, Division of Technical Information in Oak Ridge, Tenn. 1967 herausgegebenen Buch "luminescence Dosimetry" be schrieben. Es ist klar ersichtlich, daß ein großer Teil der Materialien, die mit besonderer Dosimetrierung bei der Her stellung von fluoreszenten Produkten benutzt wurden, auch auf die Energieäquivalente der Zwei-Photonen-Energie mit kurz welliger ultravioletter Strahlung reagieren, und für die Erfindung benutzt werden können. Ähnliche Dosimetrie-Materialien, welche Wechsel in der Färbung oder in der Lichtdurchlässigkeit hervorrufen, wurden von A. Charlesby in "Atomic Radiation and Polymers", Pergamon Press, N. Y., 1960, auf Seite 101 bis 107 beschrieben. While the preferred structuring mechanisms of the Er use light radiation are also combinations possible with other types of radiation. A large group of anorga African phosphate glasses that are exposed to shortwave radiation UV or with particle radiation become fluorescent by J. H. Schulman in an overview "Survey of Luminescence Dosimetry "in that of F.H. Attix, at US Atomic Energy Commission, Division of Technical Information at Oak Ridge, Tenn. 1967 published book "luminescence Dosimetry" be wrote. It is clearly evident that a large part of the Materials with special dosimetry from Her position of fluorescent products have been used, too to the energy equivalents of the two-photon energy with short respond to wavy ultraviolet radiation, and for that Invention can be used. Similar dosimetry materials, what changes in color or translucency were developed by A. Charlesby in "Atomic Radiation and Polymers ", Pergamon Press, N.Y., 1960, pages 101-107 described.
Während viele der in der Erfindung benutzten Materialien bipolar, mit einem Grundzustand oder einem angeregten Zustand, sind, ist es für sehr schnelle Speicheroperationen möglich, die Bipolarität der Anregungszustände der oberen Niveaus zu benutzen. Zum Beispiel arbeiten Schwingungs-Kaskaden-Mechanismen bei Zeiten in der Größenordnung von 10-9 bis 10-12 sec. und interne Übergangsmechanismen arbeiten mit Zeiten in der Größenordnung von 10-13 bis 10-14 sec., verglichen mit Fluoreszenz-Vorgängen, die Zeiten in der Größenordnung von 10-5 bis 10-9 sec. benötigen. Einzelheiten sind in dem Zitat von Lewis C. Clapp und in der US-PS 33 41 825 enthalten.While many of the materials used in the invention are bipolar, with a ground state or an excited state, for very fast storage operations it is possible to use the bipolarity of the upper level excitation states. For example, vibration cascade mechanisms operate at times on the order of 10 -9 to 10 -12 seconds and internal transition mechanisms work at times on the order of 10 -13 to 10 -14 seconds compared to fluorescence processes Need times in the order of 10 -5 to 10 -9 sec. Details are contained in the quote by Lewis C. Clapp and in US Pat. No. 3,341,825.
Wie es bei den anderen erfindungsgemäßen Erzeugnissen mit strukturierter Inhomogenität der Fall ist, können auch Speicher mit verschiedenen der Viel-Photonen-Systemen betrieben werden. Die Beispiele sollen die Systeme erklären, und die Benutzung eines bestimmten Materials ist nicht notwendigerweise auf die besondere Klasse oder Gruppe eines Beispiels beschränkt.As with the other products of the invention structured inhomogeneity, memory can also can be operated with various of the many-photon systems. The examples are intended to explain the systems and the use a certain material is not necessarily up limits the particular class or group of an example.
Die Benutzung der gleichen Strahlen sowohl beim Lesen als auch beim Schreiben ist bei Speichersystemen von besonderem Wert wegen der erhöhten Genauigkeit, mit der ein Bit lokali siert und wieder angebracht werden kann, da die Wirkung der kleinen optischen Unvollkommenheiten sich ausgleicht, wenn für verschiedene Vorgänge die gleiche Optik benutzt wird. Wenn verschiedene Strahlen oder Kombinationen von verschiedenen Systemgruppen benutzt werden, kann auf Vergleich-Bits mit bekannter Anordnung zurückgegriffen werden.Using the same rays when reading as well Storage systems are also special when it comes to writing Value due to the increased accuracy with which a bit local siert and reattached because the effect of small optical imperfections compensate for themselves when the same optics are used for different processes. If different rays or combinations of different System groups can be used on comparison bits with known arrangement can be used.
Fig. 23 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Matrix ein nicht-kristallines, homogenes Material ist, das durch Viel-Photonen-Mechanismen der Klasse I oder II programmiert, und auch gelesen und wieder programmiert werden kann. In diesem Fall wird die Bit-Information in Form eines bistabilen Materials gespeichert, das zwischen fluores zenten und nicht-fluoreszenten Zuständen durch einen Viel- Photonen-Absorptionsmechanismus hin- und hergesteuert werden kann. Verschiedene Kombinationen von Lasern, die Auswahl zwischen den verschiedenen Systemen der Klasse I, Gruppe 3 und der Klasse II, Gruppen 1, 2 und 3, die Auswahl zwischen Speichereigenschaften, wie z. B. Farbe, Polarisation, Durchlässigkeit für besondere Wellenlängen, Fluoreszenz und angeregte Emission, der Bereich von reversiblen und nicht-rever siblen Speichermaterialien - all dies ergibt buchstäblich Tausende von Kombinationen, die hiermit zum erstenmal in der grundlegenden Anwendung beschrieben werden, wie sie in dem einzigartigen Zugang zu und gesteuerten Aufbau eines dreidimen sionalen Speichers unter Benutzung von Viel-Photonen-Absorptions mechanismen und gesteuerten und gebündelten Strahlungen be schrieben werden. Fig. 23 shows a preferred embodiment of the invention in which the matrix is a non-crystalline, homogeneous material which can be programmed, read and re-programmed by class I or II multi-photon mechanisms. In this case, the bit information is stored in the form of a bistable material that can be switched back and forth between fluorescent and non-fluorescent states by a multi-photon absorption mechanism. Different combinations of lasers, the choice between the different systems of class I, group 3 and class II, groups 1, 2 and 3, the choice between memory properties, such as. B. color, polarization, transmission for special wavelengths, fluorescence and excited emission, the range of reversible and non-reversible storage materials - all of this literally results in thousands of combinations, which are hereby described for the first time in the basic application as described in the unique access to and controlled construction of a three-dimensional memory using multi-photon absorption mechanisms and controlled and focused radiation be described.
In der Ausführung nach Fig. 23 ist eine Quelle hochintensiver Strahlung bei 27 zu sehen und eine abstimmbare Laser-Lichtquelle bei 25. Der Speicher wird durch einen der Mechanismen der Klasse I, Gruppe 3 oder der Klasse II gespeichert, indem einander schneidende Strah len 32 und 34 an der Schnittstelle 23 die Bildung eines bei spielsweise fluoreszenzfähigen Isomers verursachen. Der Speicher wird gelesen, indem der hochintensive Strahl mit einem neu abgestimmten Strahl von hoher Energie geschnitten wird, die so angepaßt sind, daß sie dem Zwei-Photonen- Absorptions-Band zur Erzielung einer Fluoreszenz-Emission entsprechen. In diesem einfachen Fall dient der Photodetektor 31 dazu, je nach dem Zustand der Anordnung des Bits eine Strahlungsemission zu erfassen oder nicht zu erfassen. Es wird bei gegebener Zwei-Photonen-Struktur mit einem Rubin-Laser-gearbeitet, der mit einem Abstimmbereich von 400 nm bis 600 nm in 25-nm-Intervallen versehen ist und Zwei-Photonen-Absorptions-Energiewerte schafft, um der Akti vierungsstruktur des Materials entsprechen. Bei Benutzung eines Nd-YAG-Lasers und beim Abstimmen zwischen 550 nm und 900 nm erhält man 15 andere Frequenzen (Fig. 21), nämlich (Rubin) 506 nm, 525 nm, 544 nm, 562 nm, 580 nm, 595 nm, 611 nm, 626 nm, 642 nm und (Nd-YAG) 724 nm, 744 nm, 764 nm, 784 nm, 804 nm, 822 nm, 841 nm, 860 nm, 878 nm, 894 nm, 910 nm, 926 nm, 942 nm, 958 nm und 972 nm. Eine kontinuierliche Farb abstimmung des Lasers mit Benutzung von Beugungsgittern, Dis persionsprismen, abstimmbaren Etalons, doppeltbrechenden Filtern und ähnlichem erlaubt eine selektive Konzentration in Bändern, die nur 1 nm schmal sind, und gestaffelte Abstimm elemente ergeben Bänder von 0,01 oder weniger nm. Dadurch können Systeme entworfen werden, die, obwohl nur zwei Strahlen verwendet werden, hochselektiv sind, und vielfache Operationen, wie z. B. die Erzeugung von faseroptischen Kreiskomponenten, das Programmieren und Auslesen von Speichern und die anderen oben beschriebenen Operationen in einer einzigen Matrix ge statten. Der Gebrauch von Sensibilisatoren, wenn ein bestimmtes Material keine passende Zwei-Photonen-Absorption besitzt, vergrößert, wie vorher beschrieben, die Möglichkeiten, Systeme zu entwerfen sehr und auch der Gebrauch gebündelter Strahlungs zustände ergibt weitere Möglichkeiten.In the embodiment according to FIG. 23, a source of high-intensity radiation can be seen at 27 and a tunable laser light source at 25 . The memory is stored by one of the mechanisms of class I, group 3 or class II, by intersecting beams 32 and 34 at the interface 23 causing the formation of an isomer which is fluorescent, for example. The memory is read by cutting the high intensity beam with a re-tuned high energy beam that is adapted to match the two-photon absorption band for fluorescence emission. In this simple case, the photodetector 31 serves, depending on the state of the arrangement of the bit, to detect or not to detect radiation emission. For a given two-photon structure, a ruby laser is used, which is provided with a tuning range from 400 nm to 600 nm in 25 nm intervals and creates two-photon absorption energy values in order to determine the activation structure of the Material. Using an Nd-YAG laser and tuning between 550 nm and 900 nm, 15 other frequencies are obtained ( FIG. 21), namely (ruby) 506 nm, 525 nm, 544 nm, 562 nm, 580 nm, 595 nm, 611 nm, 626 nm, 642 nm and (Nd-YAG) 724 nm, 744 nm, 764 nm, 784 nm, 804 nm, 822 nm, 841 nm, 860 nm, 878 nm, 894 nm, 910 nm, 926 nm, 942 nm, 958 nm and 972 nm. Continuous color matching of the laser using diffraction gratings, dispersion prisms, tunable etalons, birefringent filters and the like allows selective concentration in bands that are only 1 nm narrow, and staggered tuning elements result in bands of 0.01 or less nm. This enables systems to be designed which, although only two beams are used, are highly selective and can perform multiple operations such as e.g. B. the generation of fiber optic circular components, the programming and reading of memories and the other operations described above ge in a single matrix. The use of sensitizers, if a certain material does not have a suitable two-photon absorption, increases, as previously described, the possibilities for designing systems very much and also the use of bundled radiation states gives further possibilities.
Es ist offensichtlich, daß der Photodetektor 31 in Fig. 23 durch eine Vielzahl richtungsempfindlicher Detektoren ersetzt werden kann, wie sie vorher beschrieben worden sind, um zu erreichen, daß getrennte Bereiche des Speichers unab hängig voneinander betrieben werden können, und dadurch die Kapazität erhöht wird. Es wurde auch der Zeitteilungsvorgang unter Benutzung schneller Elektronik beschrieben, der es er laubt, Ereignisse der Zeit nach in direkter Analogie zu der ähnlichen Technik in anderen Gebieten zu trennen. Es wurde ebenso erwähnt, daß Vektorsteuerung der emittierten Strahlung durch den Vektor der anregenden Strahlung bei stimulierten Emissionsvorgängen bestimmt werden kann, und es wurden Poly methin-Farben beschrieben, welche erfindungsgemäß in internen Laserelementen verwendet werden können. Es wurde auf die US-PS 38 29 838 Bezug genommen, welche eine Fülle von Information über Energie-Quellen, Strahlsteuerungen und Mechanismen für die genau bestimmte Anbringung enthält, die zusammen mit den anderen Zitaten zeigt, daß der Stand der Technik auf diesen Gebieten ihre Beschreibung in dieser Anmeldung unnötig macht. It will be appreciated that the photodetector 31 in Fig. 23 can be replaced with a variety of direction sensitive detectors as previously described to achieve that separate areas of the memory can operate independently and thereby increase capacitance . The time sharing process using fast electronics has also been described which allows it to separate events in time in direct analogy to the similar technique in other areas. It has also been mentioned that vector control of the emitted radiation can be determined by the vector of the exciting radiation during stimulated emission processes, and poly methine colors have been described which can be used in internal laser elements according to the invention. Reference has been made to US Pat. No. 3,829,838 which contains a wealth of information about energy sources, beam controls and mechanisms for specific mounting which, together with the other citations, shows that the prior art is theirs in these fields Makes the description in this application unnecessary.
Brechkraft gegen AperturRefractive power against aperture
P = Brechkraft [Dioptrien] = 1/f = -2N₁d P = refractive power [diopter] = 1 / f = -2 N ₁ d
[N₁]= m-2 [d]= m[ N ₁] = m -2 [ d ] = m
Beispiel:Example:
d= 5 mm = 5 × 10-3 mP= -2N₁(5 × 10-3) = 1 m-1 N₁= -10² [m-2] N₁= [mm-2] = -10-4 [mm-2] Δη= N₁r² = -10-4 [mm-2] r² d = 5 mm = 5 × 10 -3 m P = -2 N ₁ (5 × 10 -3 ) = 1 m -1 N ₁ = -10² [m -2 ] N ₁ = [mm -2 ] = -10 -4 [mm -2] Δη = N ₁ r ² = -10 -4 [mm -2] r ²
Apertur r (in mm)Index-Änderung
Δη Aperture r (in mm) Index change
Δη
1-10-4 10-0.01 25-0.06 100-1.01-10 -4 10-0.01 25-0.06 100-1.0
In der vorstehenden Tabelle ist für eine Brechkraftänderung von einer Dioptrie nötige Brechungsindex-Änderung bei verschiedenen Aperturwerten verzeichnet. The table above is for a change in refractive power refractive index change required by one diopter at different Aperture values recorded.
Verschiedene Kombinationen von Brennweiten f, Brechungsindex-Koeffizienten N₁ und Stärken t bei einem Grund-Brechungsindex N₀=1,500.Different combinations of focal lengths f , refractive index coefficients N ₁ and strengths t with a basic refractive index N ₀ = 1.500.
- A) Ebene Index-Verteilung N₀ = 1,650 N₁ = 0,065522A) Level index distribution N ₀ = 1.650 N ₁ = 0.065522
- B) Radien r₁ = 5,928 r₂ = 419,71B) radii r ₁ = 5,928 r ₂ = 419.71
- C) Dicke t = 0,923C) Thickness t = 0.923
- D) Eigenschaften der Linse EF= 10,00BF= 9,40EP= -0,09β= 17°D) Properties of the lens EF = 10.00 BF = 9.40 EP = -0.09 β = 17 °
- A) Zylindrische Index-Verteilung N₀ = 1,522 N₁ = 0,003932 N₂ = 0,000052A) Cylindrical index distribution N ₀ = 1.522 N ₁ = 0.003932 N ₂ = 0.000052
- B) Radien r₁ = 16,667 r₂ = -9,484B) Radii r ₁ = 16.667 r ₂ = -9.484
- C) Dicke t = 8,75C) Thickness t = 8.75
- D) Eigenschaften der Linse EF= 50BF= 50,6EP= -9,95β= 17°D) Properties of the lens EF = 50 BF = 50.6 EP = -9.95 β = 17 °
- A) Zylindrische Index-Verteilung, 1. Bereich N₀ = 1,6200 N₁ = 0,032309 N₂ = 0,003826A) Cylindrical index distribution, 1st range N ₀ = 1.6200 N ₁ = 0.032309 N ₂ = 0.003826
- B) Zylindrische Index-Verteilung, 2. Bereich N₀ = 1,620 N₁ = 0,032309 N₂ = -0,004008B) Cylindrical index distribution, 2nd range N ₀ = 1.620 N ₁ = 0.032309 N ₂ = -0.004008
- C) Radien der Grenzflächen r₁ = ∞ r₂ = ∞ r₃ = ∞C) Radii of the interfaces r ₁ = ∞ r ₂ = ∞ r ₃ = ∞
- D) Dicke zwischen den Grenzflächen t₁ = 0,787 t₂ = 0,787D) Thickness between the interfaces t ₁ = 0.787 t ₂ = 0.787
- E) Eigenschaften der Linse EF= 10,00BF= 9,51EP= 0,00β= 17°E) Properties of the lens EF = 10.00 BF = 9.51 EP = 0.00 β = 17 °
- A) Zylindrische Index-Verteilung N₀ = 1,5215 N₁ = 0,0036 N₂ = 0,0A) Cylindrical index distribution N ₀ = 1.5215 N ₁ = 0.0036 N ₂ = 0.0
- B) Radien r₁ = 2,778 r₂ = 5,416B) radii r ₁ = 2.778 r ₂ = 5,416
- C) Dicke t = 0,45C) Thickness t = 0.45
- D) Eigenschaften der Linse EF= 10BF= 9,44EP= -3,70β= 26° Öffnung: f/6,3D) Properties of the lens EF = 10 BF = 9.44 EP = -3.70 β = 26 ° aperture: f / 6.3
- A) Zylindrische Index-Verteilung N₀ = 1,5215 N₁ = 0,0044 N₂ = -0,0004A) Cylindrical index distribution N ₀ = 1.5215 N ₁ = 0.0044 N ₂ = -0.0004
- B) Radien r₁ = 2,222 r₂ = 3,615B) Radii r ₁ = 2.222 r ₂ = 3.615
- C) Dicke t = 0,31C) Thickness t = 0.31
- D) Eigenschaften der Linse EF= 10,00BF= 9,45EP= -3,40β= 26° Öffnung: f/11D) Properties of the lens EF = 10.00 BF = 9.45 EP = -3.40 β = 26 ° aperture: f / 11
Aufstellung verschiedener Kombinationen von Brennweite (f), Brechungsindex-Koeffizient N₁ und Dicke (t) bei einem Grund index N₀=1,450.List of different combinations of focal length (f) , refractive index coefficient N ₁ and thickness (t) with a basic index N ₀ = 1.450.
Δ N ist die gesamte Index-Änderung, bezogen auf Werte des Linsenradius R. Δ N is the total index change, based on values of the lens radius R.
Tabelle des Energiebedarfs und der Wellenlänge des 2. Lasers, wenn der erste Laser ein Rubin-Laser (694 nm) ist.Table of energy requirements and wavelength of the 2nd laser, if the first laser is a ruby laser (694 nm).
Claims (17)
- a) der erste Strahl eine solche Frequenz aufweist, daß gleichzeitige Absorption zweier Photonen aus diesem Strahl energiemäßig ausreichen würde, um Elektronen von dem unteren zu dem höheren Zustand anzuregen, jedoch eine Intensität aufweist, die nicht genügt, um die erwünschte Eigenschaftsänderung zu bewirken, und daß
- b) der zweite Strahl eine solche Frequenz aufweist, daß die gleichzeitige Absorption zweier Photonen aus dem zweiten Strahl nicht genügt, um Elektronen von dem niederen zu dem höheren Energiezustand anzuregen, und eine genügend große Frequenz und Intensität aufweist, um die erwünschten Eigenschaftsänderungen durch den Mechanismus der simultanen Zwei-Photonen-Absorption aus den beiden Strahlen in jenem Abschnitt des Mediums zu erzeugen, in dem der erste und der zweite Strahl einander simultan überlappen.
- a) the first beam has a frequency such that simultaneous absorption of two photons from this beam would be sufficient in energy to excite electrons from the lower to the higher state, but has an intensity which is insufficient to bring about the desired change in properties, and that
- b) the second beam has a frequency such that the simultaneous absorption of two photons from the second beam is not sufficient to excite electrons from the lower to the higher energy state and has a sufficiently high frequency and intensity to effect the desired property changes by the mechanism to generate the simultaneous two-photon absorption from the two beams in that section of the medium in which the first and second beams overlap each other simultaneously.
- a) der erste Strahl eine solche Frequenz aufweist, daß die gleichzeitige Absorption zweier Photonen aus diesem Strahl energiemäßig ausreichen würde, um Elektronen von dem niederen in den höheren Zustand anzuregen, jedoch eine Intensität aufweist, die nicht genügt, um die erwünschten Eigenschaftsänderungen zu bewirken, daß
- b) der zweite Strahl eine solche Frequenz aufweist, daß gleichzeitige Absorption von zwei Photonen aus dem zweiten Signal durch das Material genügt, um Elektronen aus dem niederen in den höheren Zustand zu erregen, jedoch eine Intensität aufweist, die nicht genügt, um die erwünschten Eigenschaftsänderungen zu bewirken, und daß
- c) die ersten und zweiten Strahlen zusammenwirken, um an ausgewählten Stellen des Mediums ein kooperatives Signal zu schaffen, dessen Intensität genügt, um die Übergänge zur Erzeugung der erwünschten Eigenschaftsänderungen eintreten zu lassen.
- a) the first beam has a frequency such that the simultaneous absorption of two photons from this beam would be sufficient in energy to excite electrons from the lower to the higher state, but has an intensity which is not sufficient to bring about the desired property changes, that
- b) the second beam has a frequency such that simultaneous absorption of two photons from the second signal by the material is sufficient to excite electrons from the lower to the higher state, but has an intensity which is not sufficient to effect the desired property changes to effect and that
- c) the first and second beams work together to create a cooperative signal at selected locations on the medium, the intensity of which is sufficient to allow the transitions to occur to produce the desired property changes.
- a) ein Volumen des Speichermediums vorgesehen ist,
- b) Leiteinrichtungen vorhanden sind, um die Strahlen an bestimmte Speicherplätze bildende Punkte des Mediums von unterschiedlichen Richtungen zu richten, so daß sich die Strahlen in den jeweils ausgewählten Punkten überschneiden, um dort eine erwünschte Eigenschaftsänderung zu bewirken,
- c) Rechnereinrichtungen vorgesehen sind, welche Eingangsdaten aufnehmen, die die Lage der Punkte bezeichnen und daraus Steuersignale für die Leiteinrichtungen berechnen, und
- d) Erfassungseinrichtungen, welche die geänderten Eigenschaften an den jeweiligen Punkten feststellen, um den dort herrschenden Zustand auszulesen.
- a) a volume of the storage medium is provided,
- b) guide devices are provided to direct the rays to points of the medium forming certain storage locations from different directions, so that the rays overlap in the respectively selected points in order to bring about a desired change in properties there,
- c) computer devices are provided which record input data, denote the position of the points and use them to calculate control signals for the control devices, and
- d) Detection devices which determine the changed properties at the respective points in order to read out the state prevailing there.
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