DE3135591A1 - Spannungsabhaengiges optisches bauelement, insbesondere mit der funktion eines spannungsmemory und zur verbindung bzw. kopplung von elektrischen und/oder elektronischen teilen von anlagen miteinander - Google Patents

Spannungsabhaengiges optisches bauelement, insbesondere mit der funktion eines spannungsmemory und zur verbindung bzw. kopplung von elektrischen und/oder elektronischen teilen von anlagen miteinander

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Description

3.9.1981 W/He :..: ','.'" --5: -.".: ' '.S ^- B/p 10.638
Spannungsabhängiges optisches Bauelement/ insbesondere mit der Funktion eines Spannungsmemory und zur Verbindung bzw. Kopplung von elektrischen und/oder elektronischen und optischen Teilen von Anlagen miteinander
Die Erfindung bezieht sich auf spannungsabhängige, optische Bauelemente insbesondere mit Spannungsmemory und zur Verbindung von elektrischen und/oder elektronischen und optischen· Teilen von Anlagen miteinander, mit einem Festkörper, an dem unter gleichzeitiger Einstrahlung von Licht elektrische Spannung über Elektroden angelegt wird, sowie auf ein Verfahren zum Verbinden von elektrischen und/oder elektronischen und optischen Teilen von Anlagen miteinander mit Hilfe eines spannungsabhängigen optischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei gleichzeitig optisches Licht in das Bauelement eingestrahlt wird und eine elektrische Spannung an das Bauelement angelegt wird. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt insbesondere in der integrierten Optik, der optischen Nachrichten- und Informationsübertragung (Nachrichtentechnik) , der optischen Speicherung von Daten und Bildern (optische Datenspeicherung in der Computertechnik; holographische Speicherung), in der Rechneroptik (optische Logik) , in der Optoelektronik und auf ähnlichen Gebieten, in denen spannungsabhängige optische Bauelemente insbesondere mit Spannungsmemory vorteilhaft einsetzbar sind.
In diesen Anwendungsgebieten sind verschiedenartige Bauelemente bekannt, die eine Verbindung von elektrischen und/oder elektronischen und optischen Teilen der Anlagen ermöglichen. Diese Bauteile sind aus kristallinen Festkörpern hergestellt, und die Veränderung der optischen Eigenschaften durch elektrische Spannungen erfolgt mit hohen elektrischen Spannungen (über 15V) z. B. beim linearen elektrooptischen Effekt (Pockelseffekt), bei dem ferner polarisiertes Licht erforderlich ist, oder z. B. mit Hilfe von piezoelektrisch erzeugten Schallwellen, wobei die Anstiegszeit durch Einschwingvor-
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gänge begrenzt ist. Keines der bisher bekannten spannungsabhängigen optischen Bauelemente hat zugleich die Funktion eines Spannungsmemory [siehe z. B. A. B. Sharraa, S. H. Halme, MM Butusov (Herausgeber), "Optical Fiber Systems and their Components", Seite 126, Springer-Verlag Berlin (1981) ].
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst schnelle und einfache Weise eine Veränderung der optischen Eigenschaften eines Bauelementes mit Hilfe einer möglichst geringen elektrischen Spannung herbeizuführen, um eine Verbindung bzw. Kopplung von elektrischen und/oder elektronischen Teilen einer Anlage mit optischen Teilen zu erreichen. Das Bauelement soll dabei möglichst viele Funktionen erfüllen, insbesondere eine Gedächtnisfunktion bzw. Speicherfunktion haben bzw. ein Gedächtnis für elektrische Spannungen darstellen und die Möglichkeit bieten, durch Wahl verschiedener Spannungen die verschiedenen Funktionen auszuführen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als eingestrahltes Licht schmalbandiges Licht, insbesondere monochromatisches Laserlicht verwendet wird (das Prinzip dieser Verringerung ist in Literaturstelle [1] beschrieben;, eine Anwendung für die frequenzselektive optische Datenspeicherung ist im U.S.-Patent Nr. 4, 101,976 angegeben), daß die an die Elektroden angelegte elektrische Spannung so gewählt wird, daß die Anzahl der vom schmalbandigen Licht anregbaren optischen Zentren erhöht wird, daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung die Lichtemission der optischen Zentren und die Absorption für das anregende Licht vergrößert wird, während die Transmission des anregenden Lichtes durch das Bauelement verringert wird, und daß in das Bauelement eine Gedächtnisfunktion für elektrische Spannungen in der Weise eingeführt wird, daß sich anschließend an die bei anlie- · gender Spannung durchgeführte Verringerung der Anzahl der vom Licht anregbaren optischen Zentren ein für diese Spannung charakteristischer Verlauf der Spannungsabhängigkeit der optischen Eigenschaften (Emission, Absorption und Transmission) ergibt.
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Bei einem spannungsabhängigen optischen Bauelement der gattunyacjcmfißon Art ißt wosenl 1 ich, daß
a) der Festkörper im Inneren oder an seiner Oberfläche optische Zentren aufweist,
b) das eingestrahlte Licht so schmalbandig ist, daß die Anzahl der durch dieses Licht anregbaren optischen Zentren verringerbar ist# wobei die Einstrahlung selektiv, d.h. in bestimmten Niveaus erfolgt.
Außerdem ist es zweckmäßig, daß
a) die Änderung der Spannung und/oder des elektrischen Feldes so gewählt ist', daß die Anzahl der vom schma!bändigen Licht anregbaren optischen Zentren wieder stark zunimmt,
b) das Bauelement auf einer niedrigen Temperatur·gehalten ist, bei der ein zur Verringerung der optischen Zentren rückläufiger Prozeß nicht oder erst nach sehr langer Zeit eintritt
c) zur Erzielung einer Gedächtnisfunktion (Memory) für elektrische Spannungen bei angelegter Spannung mit intensivem Licht in das Element eingestrahlt wirdf wodurch die Anzahl der anregbaren optischen Zentren mit der Dauer der Lichteinstrahlung stark reduziert wird, und zu einem späteren Zeitpunkt die optischen Zentren mit Licht schwacher Intensität bei gleichzeitigem Anlegen der Spannung angeregt werden, wobei sich die Anzahl der anregbaren Zentren ■ nicht merklich verändert.
Bei derartigen optischen Bauelementen wird eine Veränderung der optischen Eigenschaften durch niedrige elektrische Spannungen und ein Gedächtnis für elektrische Spannungen und eine besonders zweckmäßige Verbindung bzw. Kopplung von elektrischen und/oder elektronischen Teilen mit den optischen Teilen der Anlage erreicht. Die Funktion des Bauelementes bei Verwendung von niedrigen Spannungen im Bereich von 1 bis 15V ist für die gesamte Elektronik und insbesondere die Impuls- und Digitalelektronik von besonderer Bedeutung, weil
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die auf diesen Gebieten verwendeten Halbleiterbauelemente vorwiegend mit niedrigen Spannungen arbeiten.
Durch die Lichtanregung wird mit der Dauer der Einstrahlung die Anzahl der mit dem Licht in Resonanz befindlichen optischen Zentren reduziert; die Temperatur muß dabei so gewählt werden, daß der zur Reduktion rückläufige Prozeß nicht von sich aus (d.h. spontan) stattfinden kann. Durch Anlegen von elektrischer Spannung wird die Emission (Fluoreszenz) und die Absorption der mit Licht, insbesondere Laserlicht, angeregten optischen Zentren wieder erhöht (insbesondere linear zur angelegten·Spannung, wenn der Arbeitspunkt, d.h. die Spannung bzw. der Spannungsverlauf geeignet gewählt wird) und in gleicher Weise wird die Lichttrasmission dieses optischen Bauelementes beeinflußt. Besondere Bedeutung wird dem optischen Bauelement nach der Erfindung in seiner Funktion als löschbares Gedächtnis für elektrische Spannungen beigemessen; in dieser Funktion wird das erfindungsgemäße Bauelement als "Spannungsmemory" bezeichnet. Als optische Zentren können sowohl Störstellen (z. B. Verunreinigungen) im Inneren des Festkörpers als auch auf der Oberfläche von Festkörpern (z. B. organische Farbstoffmoleküle, die auf der Oberfläche von Festkörpern adsorbiert sind) verwendet werden, wobei in diesen optischen Zentren optische Übergänge, insbesondere durch Absorption bzw. Emission eines Lichtquants, möglich sind.
Die Funktion des Spannungsmemory beruht darauf, daß bei ange- · legter Spannung, die optischen Eigenschaften verändert, z. B. die Fluoreszenzemission und die Absorption der optischen Zentren durch schmalbandige Lichteinstrahlung reduziert und anschließend die optischen Eigenschaften, z. B. die Fluoreszenzemission und die Absorption in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung festgestellt werden. Dabei wird ein für die vorher angelegte- elektrische Spannung charakteristischer Verlauf von den optischen Eigenschaften erhalten. Wurde z. B. eine Gleichspannung I) angelegt, wird beim Ablast en genau
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beim Wert U„ ein Minimum der Fluoreszenzintensität I_ fest-
G r
gestellt (hierbei sind Größe und Vorzeichen von U_. bestimmende Größen) . Wurde eine Wechselspannung (U = U sinoit) angelegt, erhält man ein breites, von +U bis -U reichendes Minimum. Das Spannungsmemory ermöglicht auch eine Aussage über die Dauer, während der die Spannung angelegt war. Wie im Fall ohne angelegte Spannung nimmt auch bei angelegter Spannung die Fluoreszenzintensität mit der Dauer des eingestrahlten Lichtes ab, so daß umgekehrt z. B. aus der Fluoreszenzintensität auch eine Aussage erhalten wird über die Dauer, in der die Spannung angelegt war oder über die zeitliche Überlappung (Koinzidenz) von Lichteinstrahlung und Spannung. Des weiteren kann mit dem Spannungsmemory bei einer bestimmten Spannung, (z.B. bei der Spannung OVoIt) festgestellt werden, ob die Fluoreszenz auch bei einer anderen Spannung reduziert wurde. Die Fluoreszenzintensität, die bei der zuletzt angelegten Spannung erreicht wird, ist nämlich dann am geringsten (unter sonst gleichen Bedingungen), wenn bei keiner weiteren Spannung die Fluoreszenzintensität reduziert wurde.
Wenn mehrere'Spannungen, insbesondere mehrere Gleichspannungen hintereinander mit gleicher Dauer an der Probe angelegt waren, liefert die Funktion des Spannungsmemory auch eine Aussage über die zeitliche Reihenfolge, in der diese Spannungen angelegt waren. Je später in dieser Reihenfolge die Spannung angelegt war, desto geringer ist die Fluoreszenz, die beim "Auslesen" des Gedächtnisinhaltes (des Spannungsmemory) erhalten wird.
■ Das erfindungsgemäße Bauelement wirkt insbesondere auch als schneller, mit niedriger elektrischer Spannung zu betätigender Schalter für Licht sowie als Verbindungs- bzw. Kopplungselement zwischen elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen einer Anlage mit den optischen Elementen der Anlage, und ist somit insbesondere in Verbindung mit digitalen und analogen elektronischen Techniken einsetzbar.
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Β/ο 10.6 38
Durch Anlegen einer Spannung wird monochromatisches Licht (insbesondere Laserlicht) in ein im Vergleich zum anregenden Licht stark (mehr als 300 Wellenzahlen) verschobenes, ebenfalls zum überwiegenden Teil schmalbandiges Licht (Fluoreszenzlicht) emittiert/ so daß die Lichtstreuung vom anregenden Licht (insbesondere Laserlicht) mit einfachen Mitteln (insbesondere mit Interferenzfiltern) abgetrennt werden kann. Dies bedeutet z. B., daß bei der Wiedergabe oder Übertragung von Bildern oder Daten das Streulicht des anregenden Lichtes (insbesondere des Laserlichtes) ohne großen Aufwand eliminiert werden kann. Dies ermöglicht auch, schmalbandiges Licht, insbesondere Laserlicht, in schmalbandiges Licht (Nullphononlinien in der Fiuoreszenzemission) anderer Frequenz umzuwandeln, z. B. auch in andere Richtungen und in andere Bauelemente einzukoppeln, was insbesondere für die integrierte Optik von Interesse ist.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind insbesondere folgende:
1. Das Bauelement hat. eine Gedächtnisfunktion, die vielseitig einsetzbar ist; es kann z. B. die Information sowohl über Spannungen (Spannungsmemory) als auch über Lichtsignale (bzw. deren Koinzidenz mit Spannungspulsen) gespeichert
werden.
2. Durch Anlegen einer Spannung kann Licht in das Bauelement ein- bzw. ausgekoppelt werden oder das Bauelement kann für Lichtdurchgang gesperrt werden; diese Funktionen sind insbesondere in der·integrierten Optik von praktischer Bedeutung.
3. Ein und dasselbe optische Bauelement kann für mehrere verschiedenartige Funktionen (siehe Ansprüche 1 bis 19) verwendet werden.
4. Bei geeignter Wahl des Arbeitspunktes wird mit der Spannung linear zunehmende Emission und Absorption bzw. linear abnehmende Transmission des Bauelementes festgestellt.
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Dies ermöglicht lineare "Kennlinien", ζ. B. für die Modulation von optischen Signalen, insbesondere für die Nachrichtenübertragung .
5. Die Anstiegszeit ist geringer als 50 ns; die theoretische Grenze der Anstiegszeit ist durch die Verschiebung der Ladungen im Festkörper gegeben; sie liegt daher im Subnanosekundenbereich.
6. Es kann mit niedrigen Spannungen (unter 15 Volt) gearbeitet werden.
1. Für die Herstellung des Bauelementes können auch nichtkristalline Materialien, insbesondere amorphe organische Polymere, verwendet werden.
8. Durch die Realisierbarkeit des Bauelementes in Form von beliebig dünnen Filmen [die kleinste bisher erprobte Schichtdicke beträgt 110 Ä und besteht aus 4 monomolekularen farbstoffdotierten organischen Schichten (sogenannten
• Langmuirfilmen); die dickste bisher erprobte Polymerschicht war 50 μπι dick] ist es leicht miniaturisierbar und es können hohe Packungsdichten erzielt werden. ·
9. Durch die schrittweise Änderung der anliegenden elektrischen Spannung kann jeweils eine zusätzliche Funktion (insbesondere auch die gleiche Funktion nochmals, z. B. die Speicherfunktion) eingestellt werden, dadurch kann z. B. die Anzahl der Speicherplätze (bit-Dichte) erheblich gesteigert werden.
Zusätzliche Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von verschiedenen Unteransprüchen.
Nachstehend werden in Verbindung mit Fig. 1 bis Fig. 5 (die Bildunterschriften befinden sich am Schluß des Textes) Aufbau und Wirkungsweise des spannungsabhängigen optischen Bau-
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elementes nach der Erfindung erläutert. Bei der Schnittdarstellüng des Elementes nach den Figuren 1 und 2 ist der Festkörper mit den optischen Zentren mit FZ bezeichnet, und in Figur 2 als mit Farbstoffmolekulen dotierte organische Polymerschicht dargestellt. Auf dem Festkörper FZ befinden sich die Elektroden E1 und E_, die insbesondere lichtdurchlässig hergestellt sein können. Das einfallende schmalbandige Licht L, insbesondere monochromatische Laserlicht, wird entweder seitlich oder durch eine durchsichtige Elektrodenfläche, z. B. E. hindurch eingestrahlt. Die Fluoreszenz Fl wird entweder seitlich oder durch eine transparente Elektrode E„ hindurch abgestrahlt. ·
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht die Elektrode E1 aus einer auf ein Substrat S (z. B. in Form einer Quarzglasoder Saphirscheibe) aufgedampften .leitenden Schicht, insbesondere einem Metallfilm (z. B. aus Aluminium, Indium oder Gold). Ist die Elektrode E1 als durchsichtige bzw. lichtdurchlässige Elektrode ausgebildet, wird entweder ein sehr dünner Metallfilm, insbesondere aus Aluminium oder Gold, mit einer Dicke Kleiner als 200 Ä aufgedampft oder es wird aus einem anderen Material eine den elektrischen Strom leitende und lichtdurchlässige Schicht hergestellt, z. B. in einer Sputteranlage, das durch Dotierung mit Zinn auch bei tiefen Temperaturen leitende Indiumoxyd.
Der mit Farbstoff dotierte Polymerfilm wird zum Beispiel aus dem amorphen., lichtbeständigen Polymer Polyvinylbutyral (PVB) hergestellt. Als fluoreszierender Farbstoff wird z. B. der aromatische, lichtbeständige Kohlenwasserstoff Perylen in
— 4
geringer Konzentration (kleiner 10 mol) eingebaut. Zu diesem Zweck wird Perylen zusammen mit dem als Pulver im Handel befindlichen Kunststoff in Äthylalkohol gelöst; durch Verdunsten des Alkohols entsteht auf der Elektrode E1 die Schicht FZ mit einer typischen Schichtdicke von 1 - 5 μτη. Ultradünne Schichten können in Form von sog. Langmuirfilmen hergestellt werden (vgl. Literaturstelle [1])· Mit Langmuir-
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filmen aus Cadmiumarachidat lassen sich mit Perylen dotierte
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Schichten von 28 A Dicke (bzw. η χ 28 A, wobei η = 1 bis ca. 200) herstellen. Bei diesen ultradünnen Schichten kann die Roabsorption des Perylens vernachlässigt werden, so daß hö-
_2
here Konzentrationen (bis 10 mol) des Perylens verwendet · werden können. Auf der Oberfläche der Schicht FZ wird die Elektrode E- in gleicher Weise wie die Elektrode E1 hergestellt. Die Probe wird in einen Kryostaten eingebaut und auf tiefe Temperaturen gebracht. Im Fall von Perylen in Polyvinylbutyral muß bis auf Heliumtemperaturen oder wenigstens bis auf Temperaturen kleiner als 30 K abgekühlt werden. Mit einer intensiven, schmalbandigen Lichtquelle, z. B. dem kontinuierlich arbeitenden Helium-Cadmium-Laser (Emissionswellenlänge: 4415,6 K.) oder einem kontinuierlichen, mit einem Argon-Jonen-Laser gepumpten Farbstofflaser, oder mit einem gepulsten, mit Blitzlampen oder mit einem Stickstofflaser gepumpten Farbstofflaser werden die Farbstoffmoleküle zur Fluoreszenz angeregt. Die Anregung erfolgt selektiv im rein elektronischen Niveau 0' oder ζ. B. im ersten Molekülschwingungsniveau 1' (1. vibronischer übergang) des ersten angeregten Singulettzustandes S. (siehe Fig. 3). Mit der Einstrahlungsdauer der auf die Probe fokussierten intensiven Laserstrahlung nimmt die Intensität der Fluoreszenz ab, insbesondere die Emission in den sog. vibronischen Nullphononlinien. Bei diesen Nullphononlinien handelt es sich um optische übergänge aus dem Zustand O1 des ersten angeregten Singulettzustandes S1 in die Molekülschwingungsniveaus 1,2 usw. des Singulettgrundzustandes S (Fig. 3). Bei einer Leistungsdichte von 10 W/mm2 des auf die Probe fokussierten Heliüm-Cadmium-Lasers nimmt bei 1,3 K die Intensität der bei der Wellenlänge 4486 Ä emittierten ersten vibronischen Nullphononlinie in einer Minute auf weniger als ein Zehntel des ursprünglichen Wertes ab. Die Anzahl der vom Laser anregbaren Farbstoffmoleküle wird reduziert. Nach Beendigung der intensiven Lasereinstrahlung ist in der Kurve (Fig. 3), die die Besetzungsdichte (Bevölkerung) N der optischen Zentren in Abhängigkeit von der Energie E angibt, ein scharfes Minimum (Loch) bei der Energie
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E festzustellen. Es ist insbesondere die Anzahl der Farbstoff moleküle erheblich reduziert, die vom Laser im rein elektronischen Niveau angeregt werden; das Niveau E wurde also bevorzugt entvölkert (auf die Tatsache, daß auch die. Fluoreszenz von Farbstoffmolekülen in tieferliegenden Niveaus, die durch Absorption ihrer Phononseitenbänder in S angeregt werden, ebenfalls reduziert werden kann, soll hier nicht näher eingegangen werden, da dies für das Verständnis und die Funktion der Spannungsabhängigkeit des Bauelementes nicht unbedingt erforderlich ist). Die zum ersten virbronischen übergang (O1 -»-1) gehörende Nullphononlinie ist bei 4486 Ä um ca. 70 Ä gegen den anregenden Laser (4415,6 Ä) verschoben, und alle anderen vibronischen Nullphononlinien sind langwelliger, so daß durch Filter, z. B. Interferenzfilter, eine Trennung von Laserstreulicht und Fluoreszenzlicht, z. B. in einem Detektorsystern, erfolgen kann.
Wird anschließend eine elektrische Spannung an die Elektroden gelegt, dann wird eine im Vergleich zum spannungslosen Zustand erhöhte Fluoreszenzintensität festgestellt. Die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität der ersten vibronischen Nullphononlinie von der Spannung ist in Fig. 4 dargestellt. Um eine Erhöhung der Fluoreszenz (gegenüber der Fluoreszenz vor dem Anlegen der Spannung) um mehr als 100 % zu erhalten, genügt bei einer Schichtdicke von weniger als 2 μΐη bereits eine Spannung von weniger als 5 V..
Wird die Laserleistungsdichte kleiner als 10 W/mm2 gewählt, ist die Reduktion der durch das Anlegen der Spannung erhöhten Fluoreszenz mit der Dauer der Lasereinstrahlung vernachlässigbar klein. Wird jedoch auch bei angelegter elektrischer Spannung U^ (z.B. U. = 10 V in Fig. 6) wieder mit.der hohen Laserleistungsdichte angeregt, dann wird auch diese erhöhte Fluoreszenz mit der Dauer der Laserelnstrahlung reduziert. Wird anschließend (insbesondere mit geringer Leistungsdichte) angeregt und die Spannung durchgefahren, ergibt sich genau bei der Spannung U ein scharfes Minimum der Fluoreszenzintensität
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(vql. Minimum bei U in Fiq. S), d. h., daß ein Gedächtnis für elektrische Spannungen (Spannungsmemory) vorhanden ist.
Die minimale Fluoreszenzidentität I . ,die man durch inten-
min
sive Lasereinstrahlung erhalten kann, ist um so niedriger, je tiefer die Temperatur ist. Durch Temperaturerhöhung oder nach Einstrahlung von Phononen z. B. mit einem Heizerpuls (vgl. Literaturstelle 1 ) erhält man einen höheren Wert für I . ,
mm
d.h. die Reduzierung der Anzahl der optischen Zentren, die vom schmalbandigen Licht angeregt werden, wird (teilweise) wieder rückgängig gemacht (das Spannungsmemory kann also gelöscht werden).
Bei einer bestimmten Temperatur ist der erreichbare Wert von I . dann am niedrigsten, wenn nur bei einer einzigen Spannung schmalbandiges Licht eingestrahlt wurde. Wenn auch bei (mindestens) einer anderen Spannung schmalbandiges Licht eingestrahlt wurde, dann erhält man anschließend für alle Spannungswerte einen erhöhten Wert für I . , sowohl bei der zu-
min
erst angelegten Spannung als auch bei der später angelegten Spannung, woSei unter sonst gleichen Bedingungen I . für denjenigen Spannungswert den niedrigsten Wert hat, bei welchem die Lichteinstrahlung zuletzt erfolgte.
Mehrfach verwendete Literaturstelle:
[1] U. Bogner, "Selectively Laser-excited Perylene,- Matrix·^ isolated in "Langmuir films, Providing a Phonon-Memory", Physical Review Letters, Vol. 37, Seite 909 (1976).
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Bildunterschriften für Fig.. 1 bis Fig. 5
Fig. 1;
Prinzipdarstellung
(Schematischer Querschnitt) des spannungsabhängigen optischen Bauelementes.
FZ = Festkörper mit optischen Zentren (insbesondere mit Farb-
stoffmolekülen dotierte organische Polymerschicht) E. = 1 «- Elektrode
E2 = 2. Elektrode
L = Einfallendes schmalbandiges Licht Fl = Fluoreszenzemission der optischen Zentren
ft+P
|*Tüchnitt) des spannungsabhängigen optischen Bauelementes.
S = Substrat (z. B. Quarzglas- oder Saphirplatte) E1 = 1. Elektrode 1 z. B. aufgedampfter Metallfilm oder lei E2 = 2. Elektrode J tendes Indiumoxyd (mit Zinndotierung) FZ = Festkörper mit optischen Zentren (insbesondere Perylen
in Polyvinylbutyral)
L = einfallendes monochromatisches Licht (z. B. Helium-Cad-
mium Laser)
Fl = Fluoreszenz der Farbstoffmoleküle
Fig. 3: .
a) Energieniveauschema (insbesondere für Farbstoffmoleküle als optische Zentren in Polymeren z. B. Perylen in Polyvinylbutyral).
S = Singulett - Grundzustand der optischen Zentren (insbesondere Singulett-Grundzustand des Farbstoffmoleküls Perylen) .
Rechts oben in der Abbildung ist die Besetzungsdichte N in Abhängigkeit von der Energie E nach der Lasereinstrahlung zu sehen.
3.9.1001 VVlk· · : ": "~:Λ* Γ" " \.: ... P/» 10.638 "
Fig. 4:
Kurvendarstellung der Fluoreszenzintensität I der ersten vibronisehen Nullphononlinie (44 86 A ) von Perylen in Polyvinylbutyral in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung U (I ist in willkürlichen Einheiten angegeben).
Fig. 5;
Kurvendarstellung zur Demonstration der Verwendung als Spannungsmemory
(Fluoreszenzintensität I der ersten vibronischen Nullphononlinie (4486 A°) von Perylen in Polyvinylbutyral in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung U nach vorangegangener intensiver Laseranregung bei angelegter Spannung IL,) .
Leerseite

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    IjJSpannungsabhängiges optisches Bauelement, insbes. mit der Funktion eines Spannungsmemory (d.h. Hemory bzw. Speicherfunktion für elektrische Spannungen oder elektrische Felder), und ,JL zur.Verbindung bzw. Kopplung von elektrischen und/oder elektronischenyTeilen von Anlagen miteinander, bestehend aus einem Festkörper mit optischen Zentren,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    a) sich die optischen Zentren im Inneren oder an der Oberfläche des Festkörpers in einem veränderlichen elektrischen Feld befinden, wobei dieses elektrische Feld insbes. dadurch erzeugt wird, daß an elektrischen Leitern (Elektroden), welche an den Festkörper angrenzen, eine elektrische Spannung gelegt wird,
    b) durch selektive Anregung (d.h. Anregung in bestimmten Niveaus) mit schmalbandigem Licht - insbes. mit Laserlicht - die Anzahl der von diesem Licht anregbaren optischen Zentren reduziert wird,
    c) der Festkörper -auf einer Temperatur gehalten wird, bei welcher der zu dieser Reduktion umgekehrte Prozeß ohne Einwirkung von außen nicht stattfindet,
    d) bei Änderung der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Feldes die Anzahl der von dem schmalbandigen Licht anregbaren optischen Zentren wieder erhöht wird, wodurch sich bei der Einstrahlung des schmalbandigen Lichtes im Bauelement eine erhöhte Emission und Absorption der optischen Zentren und eine verminderte Lichttransmission ergibt,
    e) das Bauelement als Spannungsmemory wirkt in der Weise, daß sich anschließend an die bei anliegender Spannung und/oder anliegendem elektrischem Feld durchgeführte Reduktion der Anzahl der vom Licht anregbaren optischen Zentren ein insbes. für Vorzeichen, Größe und zeitlichen Verlauf dieser Spannung und/oder dieses elektrischen Feldes charaktefiBcher Kurvenverlauf der Spannungsabhängigkeit (oder Feldabhängigkeit) der optischen Eigenschaften (Emission, Absorption und Transmission) ergibt.
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    2. Bauelement nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Zentren isolierte organische Parbstoffmoleküle im Inneren eines Pestkörpers (insbes. eines Polymers oder eines Langmuirfilms) oder isolierte organische Farbstoffmoleküle adsorbiert auf der Oberfläche eines Pestkörpers (insbes. auf den Elektroden. )sind.
    3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Spannungsmemory angelegte Spannung eine Gleichspannung Ug ist und daß der charakteristische Kurvenverlauf der Spannungsabhängigkeit der optischen Eigenschaften jeweils genau bei der nach Größe und Vorzeichen gleichen Spannung U„ einen Extremwert hat, z.B. ein Minimum in der Emission und Absorption der Zentren und ein Mq-H πιητη in der Transmission des schmalbandigen Lichtes durch das Bauelement.
    4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekenn- · zeichnet, daß die beim Spannungsmemory angelegte Spannung eine Wechselspannung U=U sin w t ist und daß der charakteristische Kurvenverlauf der Spannungsabhängigkeit der optischen Eigenschaften jewei
    wert hat.
    ten jeweils einen breiten, von +UQ bis zu -U reichenden Extrem-
    5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der optischen Eigenschaften (bei sonst gleichen Bedingungen) umso größer sind, je länger gleichzeitig Licht eingestrahlt wurde und die Spannung angelegt war, so daß damit die Dauer der angelegten Spannung oder die Dauer der Lichteinstrahlung oder die Gleichzeitigkeit·(Koinzidenz) eines Lichtpulses und eines Spannungspulses (auch nachträglich noch) festgestellt werden kann.
    "*···".!:. X *:: 3Ί35591
    3.9.1981 W/He " " - j* -** B/p 10,638
    6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Spannungsmemory festgestellt wird, in welcher zeitlichen Reihenfolge mehrere Spannungen (und/oder elektrische Felder), insbes. mehrere Gleichspannungen, nacheinander an das Bauelement gelegt wurden, wobei die Veränderungen der optischen Eigenschaften des Bauelementes (in bezug auf die Eigenschaften vor Beginn der Reduktion) umso stärker sind, je später in der Reihenfolge die Spannung angelegt war.
    7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß festgestellt wird, ob die optischen Eigenschaften schon bei einer anderen Spannung verändert wurden, bzw. daß beim Spannungsmemory bestimmte Spannungen für die Kontrolle reserviert werden, wobei bei der zuletzt angelegten Spannung die .änderungen der optischen Eigenschaften dann am stärksten sind, wenn die optischen Eigenschaften bei keiner anderen Spannung geändert wurden.
    8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß nach Reduktion der optischen Zentren bei einer bestimmten Spannung und/oder einem bestimmten elektrischen Feld die optischen Eigenschaften des Bauelementes, insbes. die Transmission und die Absorption durch den Übergang zu einer anderen Spannung bzw. einem anderen elektrischen Feld so geändert werden, daß das Bauelement bei angelegter Spannung als Sperre für Licht wirkt.
    9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeümet, daß die optischen Eigenschaften (Etaission, Absorption, Transmission) bei geeigneter Wahl des Arbeitspunktes linear mit der angelegten elektrischen Spannung verändert werden.
    10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung der Spannung und/oder des elektrischen Feldes Licht aus dem Bauelement ausgekoppelt oder in das Bauelement eingekoppelt wird, indem das anregende schmalbandige Licht ia die Lichtemission (insbes. in das Fluoreszenzlicht) der optischen Zentren umgewandelt wird (welches insbes * in alle Sichtungen emittiert wird).
    $.9.1981 W/He *·*" " ** **- 4- "- B/p 10.J68
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte elektrische Spannung mehrmals geänderi insbes. schrittweise geändert wird, und daß bei den verschiedenen Spannungen verschiedene funktionen und/oder Verfahren oder die gleiche Funktion und/oder das gleiche Verfahren mehrmals eingesetzt wird, wodurch z.B. für die Speicherfunktion die (d.h. das Spannungsmemory) Anzahl der Speicherplätze (bit - Dichte) erhöht wird.
    12. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement bei geringer Dicke des Festkörpers insbesondere durch Verwendung dünner, mit Farbstoff (dotierte organische Filme bzw. monomolekulare Schichtsysteme (Langmui-rfilme) miniaturisiert wird und daß dabei aus nahezu
    punktförmigen Lichtquellen ein Bild zusammengesetzt wird oder ein integriertes Bauelement hoher Packungsdichte geschaffen wird.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß neben schmalbandigem Licht auch breitbandiges Licht eingestrahlt wird, insbesondere nach erfolgter Reduktion der Anzahl der vom schmalbandigen Licht anregbaren
    j optischen Zentren.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Bauelement verschiedene optische Zentren sind und/oder Licht verschiedener Wellenlänge eingestrahlt wird.
    ; 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
    gekennzeichnet, daß Licht mit verschiedenen räumlichen Richtungen und/oder mit verschiedenen Polarisationsrichtungen und/oder mit verschiedenen Polarisationsarten eingestrahlt wird..
    3.9.1981 .w/He · :..: ".: · IJ5 Z: ' "'..· V.. B/t) 10.638
    16. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement zugleich als Photoelement ausgebildet ist, d.h., daß durch Lichteinstrahlung eine elektrische Spannung erzeugt wird.
    17. Verfahren zum Verbinden (Koppeln) von elektrischen und/ oder elektronischen und optischen Teilen von Anlagen miteinander, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kopplung mit Hilfe eines Bauelementes oder mehrerer Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 16 erfolgt.
    18. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß alle Eigenschaften (die durch Reduktion der Anzahl der von schmalbandigem Licht anregbaren optischen Zentren entstanden sind), nach und während der Einstrahlung von Phononen (z. B. durch Erhöhung der Temperatur) und nach Einstrahlung von Photonen (insbesondere von breitbandigem Licht oder schmalbandigem Licht anderer Wellenlänge oder Ferninfrarotstrahlung) verändert werden insbesondere ganz oder teilweise in den Zustand gebracht werden, der vor der Einstrahlung von schmalbandigem Licht vorhanden war; .d.h. zum Beispiel, daß der Gedächtnisinhalt des Spannungsmemory durch Einstrahlung von Phononen und/oder von Photonen wieder gelöscht wird.
    19. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Eigenschaften und/oder der Verlauf ihrer Abhängigkeiten von der elektrischen Spannung und/oder von dem elektrischen Feld kontinuierlich verändert und auf bestimmte Werte und/oder einen bestimmten Verlauf eingestellt werden können, zum Beispiel durch die Dauer der schmalbandigen Lichteinstrahlung und/oder die Dauer und den zeitlichen Verlauf des elektrischen Feldes und/oder der angelegten elektrischen Spannung, und/oder zum Beispiel durch die Einstrahlung von Photonen oder Phononen (vgl. Anspruch 18).
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