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Die
Erfindung betrifft nichtlineare optische Gegenstände und Vorrichtungen und insbesondere photorefraktive
Vorrichtungen und Verfahren, die sich auf photorefraktive Materialien
beziehen.
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Unter
photorefraktiven Materialien versteht man Materialien, deren Brechungsindex
sich mit dem Gradienten der Lichtintensitätsänderung im Material verändert. Solche
Materialien sind üblicherweise Kristalle,
es kann sich aber auch um Polymere oder Flüssigkristalle handeln.
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Nichtlineare
Optiken sind von Lasersystemen bis zur Datenspeicherung für viele
Anwendungen äußerst wichtig.
Viele dieser Anwendungen beruhen auf den nichtlinearen optischen
Eigenschaften einkristalliner Materialien. Viele dieser Materialien können leider
nur sehr schwer erfolgreich in für
die angestrebten Anwendungen ausreichend großen Abmessungen gezogen werden.
Hierdurch wird die Brauchbarkeit einer großen Anzahl nichtlinearer optischer
Kristalle stark beschränkt.
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In
der Druckschrift
US 4986635 wird
ein optischer Filter beschrieben, in dem eine Vielzahl von Mikrosphären zur
Ausbildung einer kristallinen Anordnung in einem sie einbettenden
transparenten optischen Medium angeordnet sind. Ein Bestrahlen mit einer
kohärenten
Strahlung führt
zu einer Fehlanpassung der Brechungsindices zwischen den Mikrosphären und
dem optischen Medium, die zu einer Bragg-Beugung der eingestrahlten
kohärenten Strahlung
an den Ebenen der kristallinen Anordnung führt. In
US 5173811 wird eine op tische Abschirmung aus
in einem organischen Bindemittel dispergierten, kolloidalen Kieselsäurepartikeln
mit einer Größe unterhalb
von 500 nm beschrieben, die ein Substrat ausbildet, das kohärentes (z.B.
Laser-) Licht streut. Die zweiteilige Form der unabhängigen Ansprüche basiert
auf dem vorangehenden Dokument.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dem oben angegebene
Problem abzuhelfen.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt umfasst die Erfindung einen für sichtbares
Licht verwendbaren optischen Gegenstand, der bei Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren
Bereich nichtlineare optische Eigenschaften aufweist und der mit
einem Kopplungsmaterial optisch gekoppelte Regionen oder Partikel
eines ersten Materials umfasst, wobei das erste Material ein nichtlineares
optisches Material einschließt,
das Kopplungsmaterial bei Lichtwellenlängen im sichtbaren Bereich
im Wesentlichen transparent ist und die Regionen oder Partikel des ersten
Materials eine Ausdehnung im Bereich von 1 μm bis 5 μm besitzen und groß genug
sind, um, wenn kohärentes
Licht mit einer Wellenlänge
im sichtbaren Bereich innerhalb der Partikel interferiert, innerhalb eines
jeden Partikels ein Beugungsmuster aus Regionen mit unterschiedlichen
Brechungsindices zu begründen,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Regionen oder Partikel
des ersten Materials in dem optischen Gegenstand im Wesentlichen
statistisch verteilt sind.
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Hierdurch
ergibt sich kein großer
Einkristall, sondern stattdessen ein Gegenstand mit kleineren gekoppelten
nichtlinearen optischen Regi onen (oder Kristallen). Das Kopplungsmaterial
besteht vorzugsweise aus einem optisch linearen Material.
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Der
Brechungsindex des ersten Materials ist vorzugsweise, am besten
auf mindestens 1, 2, 3, 4 oder mehr Dezimalstellen genau, an den
des Kopplungsmaterials angepasst. Die Brechungsindices können über einen
optischen Wellenlängenbereich angepasst
sein. Sie können über einen
Bereich von 400 bis 750 nm angepasst sein.
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Das
erste Material umfasst ein photorefraktives Material.
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Das
erste Material kann vorzugsweise dotiertes, insbesondere Eisendotiertes
Lithiumniobat (LiNbO3,) vorzugsweise dotiertes
Lithiumtantalat, Kaliumlithiumniobat (dotiert oder undotiert), vorzugsweise
dotiertes Kaliumniobat, Eisenmagnesiumniobat (dotiert oder undotiert),
Bariumtitanat, Strontiumbariumtitanat, Strontiumbariumniobat, Kaliumnatriumbariumniobat
oder dergleichen umfassen. Das erste Material umfasst vorzugsweise
ein photorefraktives Material, das eine beachtliche Spannung über einem Partikel
des Materials erzeugen kann. Bei dem ersten Material kann es sich
um ein photovoltaisches, piezoelektrisches (Spannungserzeugung mittels
Verformung) oder ein pyroelektrisches (wärmeinduzierte Spannungserzeugung)
Material handeln.
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Vorzugsweise
liegt das erste Material in Form fester Partikel vor, aber nicht
feste, z. B. flüssige
Regionen, können
eine Alternative darstellen. Der Gegenstand ist vorzugsweise selbsttragend
und vorzugsweise fest, am besten starr ausgebildet.
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Die
Partikel oder Regionen des ersten Materials umfassen jeweils vorzugsweise
einen Einkristall, vorzugsweise mit einer Einkristalldomäne. Die Partikel
können
mehr als eine Domäne
aufweisen, wobei in diesem Fall Partikel mit einer kleinen Anzahl von
Domänen,
insbesondere einer ungeraden Anzahl, bevorzugt werden. Die Partikel
oder Regionen sind vorzugsweise uniaxial, können aber auch aus biaxialem
kristallinem Material bestehen.
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Das
Kopplungsmaterial umfasst vorzugsweise ein Glas oder Polymer, das
bei der Wellenlänge, für die der
Gegenstand verwendet wird, transparent ist.
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In
dem Gegenstand befinden sich vorzugsweise mehrere Zehn, Hunderte,
Tausende oder Zehntausende, Hunderte von Tausenden oder mehr der
Regionen oder Partikel aus dem ersten Material. In dem Gegenstand
sind die Regionen oder Partikel in etwa statistisch verteilt. Die
Regionen oder Partikel sind vorzugsweise in etwa in eine gemeinsame
Richtung ausgerichtet, oder zumindest ist eine wesentliche Anzahl
benachbarter Partikel oder Regionen in etwa in eine gemeinsame Richtung
ausgerichtet (sie können
aber auch statistisch verteilt ausgerichtet sein).
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Die
Regionen oder Partikel können
länglich ausgebildet
sein. Der Gegenstand kann länglich
ausgebildet sein. Die Partikel oder Bereiche können entlang der Längsrichtung
des Gegenstands orientiert sein, sie können aber auch in eine Richtung
mit einem Winkel schräg
zur Längsrichtung
des Gegenstands (z. B. möglicherweise
ungefähr
45° oder
in etwa senkrecht dazu) ausgerichtet sein. Der Gegenstand kann eine
Faser oder ein Filament umfassen. Alternativ hierzu kann der Gegenstand
eine dreidimensionale Form, wie zum Beispiel eine geometrische Form,
oder eine Schicht oder Beschichtung umfassen. Das Längen- zu
Breitenverhältnis
der Partikel kann in etwa 1:1, 4:3, 3:2, 2:1, 4:1, 8:1, 16:1, 32:1, 100:1,
200:1 oder mehr betragen, oder irgendeinen Bereich, der innerhalb
der zuvor genannten Grenzen festgelegt ist.
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Die
Länge der
Partikel oder Bereiche ist ausreichend, um innerhalb eines jeden
Partikels ein Beugungsmuster aus Regionen unterschiedlicher Brechungsindices
zu schaffen.
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Die
Partikel eignen sich insbesondere, um auf sie ein Drehmoment auszuüben. Das
Drehmoment kann dadurch ereicht werden, dass die Partikel einen
elektromagnetischen Dipol besitzen oder zu besitzen geeignet sind.
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Die
Partikel oder Regionen können
zigarrenförmig
(elliptisch), zylinderförmig,
kugelförmig,
rhomboid, rechteckförmig
oder allgemein würfelförmig ausgebildet
sein. Die Partikel sind vorzugsweise als Festkörper und insbesondere kristallin
ausgebildet, aber auch einige Polymerpartikel, wie beispielsweise Flüssigkristall-"Partikel" oder -Regionen können geeignete
Eigenschaften aufweisen.
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Die
Partikel oder Regionen können
eine maximale Abmessung in der Größenordnung eines Mikrometers
aufweisen und sind 1 – 5 μm lang. Die
Partikel können
1 – 3 μm lang sein.
Die Größe eines
Partikels kann durch seine größte Abmessung
gegeben sein.
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Falls
erforderlich, kann die Anzahl der Domänen in einem Partikel reduziert
werden, indem er bei angelegtem elektrischem Feld auf oberhalb der
Curie-Temperatur des Materials erhitzt wird und dann wieder abkühlen gelassen
wird. Die Partikel werden vorzugsweise jedoch ausreichend klein
gehalten, um die Ausbildung eines Unidomänen-Partikels energetisch zu
begünstigten.
Es wird angenommen, dass es einen Überschneidungsbereich bezüglich dem
Erfordernis nach Partikeln gibt, die groß genug sind, um (bei der verwendeten
Wellenlänge,
typischerweise einer optischen Wellenlänge) für das Auftreten nichtlinearer
optischer Effekte geeignete Streifenübergänge zu erhalten, aber auch
klein genug sind, um Unidomänen-Kristalle
zu begünstigen.
Es wird angenommen, dass, wenn die Partikel in der Größenordung
von zum Beispiel 1 – 3μm liegen,
die Streifenübergänge λ/2n betragen,
wobei n typischerweise in etwa 2 beträgt; bei einer optischen Wellenlänge von zum
Beispiel 400 nm erhält
man hier einen Streifenabstand von etwa 100 nm, sodass in einen
Partikel ungefähr
zehn Streifenübergänge passen.
Es wird angenommen, dass Partikel in der Größenordnung von 1 – 3 oder
1 – 5μm eher Unidomänen-Kristalle ausbilden.
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Der
Gegenstand kann eine oder mehrere erste, ausgerichtete Zonen aufweisen,
in denen die Partikel oder Regionen im Wesentlichen kollektiv miteinander
ausgerichtet sind und eine oder mehr zweite Zonen, wobei die Partikel
in den zweiten Zonen nicht kollektiv mit den Partikeln der ersten
Zone(n) ausgerichtet sind. Der Gegenstand weist vorzugsweise eine
Vielzahl erster Zonen auf, wobei die Partikel in jeder ersten Zone
kollektiv in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind, und vorzugsweise eine
Vielzahl zwischen den ersten Zonen angeordneten zweiten Zonen, wobei
die Partikel in den zweiten Zonen nicht kollektiv in Ausrichtung
der ersten Zone orientiert sind. Die ersten Zonen können in
regelmäßigen Abständen angeordnet
sein. Die zweiten Zonen können
Partikel ohne besondere Ausrichtung aufweisen, die Partikel der
zweiten Zonen können aber
auch im Wesentlichen in einer für
eine spezielle zweite Zone gemeinsame Richtung ausgerichtet sein.
Die Partikel einer jeden zweiten Zone können in einer gemeinsamen Richtung
ausgerichtet sein. Der Gegenstand kann periodisch angeordnete erste
Zonen, in denen die Partikel in eine gemeinsame erste Richtung orientiert
sind, und periodisch angeordnete zweite Zonen, in denen die Partikel
in eine gemeinsame zweite Richtung orientiert sind, aufweisen, wobei sich
in dem Gegenstand die ersten mit den zweiten Zonen abwechseln.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt umfasst die Erfindung ein Verfahren, um einen
Gegenstand anzugeben oder herzustellen, der bei Verwendung von kohärentem Licht
im sichtbaren Wellenlängenbereich
nichtlineare optische Eigenschaften aufweist, wobei das Verfahren
umfasst, eine Vielzahl von Partikeln oder Regionen aus optisch nichtlinearem
Material bereitzustellen und die Partikel mit einem optischen Kopplungsmaterial
zu koppeln, das bei Licht im sichtbaren Lichtwellenlängenbereich
im Wesentlichen transparent ist, wobei die Regionen oder Partikel
eine Abmessung im Bereich von 1 bis 5 μm aufweisen, um, wenn das kohärente Licht
im sichtbaren Bereich innerhalb des Partikels interferiert, ein
Beugungsmuster von Regionen mit unterschiedlichen Brechungsindices
innerhalb des Partikels auszubilden, wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass die Regionen oder Partikel (44)
im Wesentlichen statistisch in dem Gegenstand verteilt sind.
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Das
Verfahren umfasst somit ein Verfahren zum Erstellen eines photorefraktiven
Gegenstands.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise das Ausrichten der Partikel oder
Regionen in dem Gegenstand, sodass sie auf Licht, das zumindest
aus einer Richtung einfällt,
in der üblichen
Weise einwirken.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise, von eine kristallographische Achse
aufweisenden kristallinen Partikel oder Regionen auszugehen und
zumindest eine Achse der kristallinen Partikel in dem Gegenstand
auszurichten.
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Das
Ausrichten der Partikel kann mit mechanischen Mitteln, wie zum Beispiel
durch die Wirkung eines fließenden
Fluids, erreicht werden. Beispielsweise kann das Fluid die Partikel
durch eine Durchführung
hindurch befördern.
Die Partikel können
eine Länge
aufweisen, die ein Eindringen in die Durchführung in einer einzigen Orientierung
oder in einem beschränkten
Bereich von Orientierungen erzwingt.
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Die
Ausrichtung kann auf elektrostatische Weise erzielt werden. Das
Verfahren kann das Erzeugen eines Dipolmoments, vorzugsweise eines elektrischen
Dipols, auf den Partikeln umfassen. Das Verfahren kann auch die
Anwendung eines elektromagnetischen Feldes (z. B. eines elektrischen
Feldes) zur Ausrichtung der Partikeldipole und damit der Ausrichtung
der Partikel umfassen. Der Dipol kann durch Beleuchten eines photovoltaischen
Partikels oder einer photovoltaischen Region erzeugt werden; er
kann auch durch Hervorrufen einer Spannung in einem piezoelektrischen
Partikel oder einer piezoelektrischen Region (z. B. unter Anwendung
von Ultraschall) oder durch Erhitzen eines pyroelektrischen Partikels
erzeugt werden. Der Dipol wird bevorzugt erzeugt, solange sich die
Partikel noch relativ zu dem Kopplungsmedium/-material bewegen können. Während die
Partikel geladen werden und sich in einem relativ zum Kopplungsmaterial
beweglichen Zustand befinden, wird vorzugsweise ein die Ausrichtung
induzierendes Feld angelegt. Vorzugsweise besitzt eine wesentliche
Anzahl der Partikel oder Regionen und besonders bevorzugt besitzen
im Wesentlichen alle Partikel oder Regionen während dem Ausrichten und vorzugsweise
auch nach dem Ausrichten nur eine Domäne. Vorzugsweise ist eine wesentliche Zahl
benachbarter Partikel in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet.
Besonders bevorzugt werden im Wesentlichen alle Partikel, die während dem
Ausrichten bewegt werden, in Richtung der gemeinsamen Orientierungsrichtung
bewegt.
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Das
Kopplungsmedium ist während
des Ausrichtens vorzugsweise flüssig
und insbesondere nach dem Ausrichten ist das Kopplungsmedium bevorzugt
verfestigt. Dies kann mittels Kühlen
des Kopplungsmediums oder mittels einer chemischen Reaktion, wie
zum Beispiel einer Polymerisation, erreicht werden.
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Optische
Gegenstände
mit nichtlinearen optischen Eigenschaften weisen ein weites Anwendungsspektrum
auf, das optische Begrenzer und optische Isolatoren (zum Begrenzen
der Intensität
des durch sie hindurch tretenden Lichts), optische Speichervorrichtungen
zum Speichern von Daten, optische Strahlkoppler und photonische
Kristalle sowie auf einer photonischen Bandlücke basierende Vorrichtungen
umfasst (aber nicht darauf beschränkt ist). Die Vorrichtung kann
einen Anzeigebildschirm oder eine Komponente für die Telekommu nikation umfassen.
Auch die oben angegebenen Vorrichtungen sollen geschützt werden.
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Ein
dritter Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
mit einem optischen Gegenstand gemäß dem ersten Gesichtspunkt
der Erfindung (oder gemäß dem zweiten
Gesichtspunkt hergestellt), wobei die Vorrichtung vorzugsweise entweder
einen optischen Begrenzer oder Isolator, einen optischen Speicher,
einen optischen Strahlkoppler, eine Vorrichtung mit einem photonischem
Kristall oder eine auf einer photonischen Bandlücke basierende Vorrichtung
umfasst.
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Andere
Anwendungsgebiete können
ein "Glas", das nur in einer
Richtung transparent ist, beinhalten. Ein derartiges "Glas" und ein Objekt mit
einem solchen Glas soll ebenfalls geschützt werden. Selbstverständlich kann "Glas" auch Polymerisationsprodukte
umfassen.
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Gemäß einem
vierten Gesichtspunkt umfasst eine Vorrichtung einen optischen Gegenstand nach
dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung und ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung ferner eine Laserdiode umfasst, wobei der optische
Gegenstand von der Laserdiode kohärente elektromagnetische Strahlung
empfängt.
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Weiterhin
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mit nichtlinearen
optischen Eigenschaften beschrieben, das die Kopplung von Partikel
mit nichtlinearen optischen Eigenschaften mit einem Kopplungsmaterial
zur Ausformung einer Partikel-Kopplungsmatrix beinhaltet.
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Die
Verwendung einer Vielzahl von Partikeln mit nichtlinearen optischen
Eigenschaften, die mit einem Kopplungsmaterial optisch und physisch
gekoppelt sind, um einen Gegenstand mit nichtlinearen optischen
Eigenschaften zu bilden, wird beschrieben.
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Außerdem wird
die Verwendung von Partikeln mit nichtlinearen optischen Eigenschaften
für die Herstellung
einer gegenständlichen
Kopplungs-Partikelmatrix zur Verwendung in einer nichtlinearen optischen
Vorrichtung erörtert.
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Einige
früher
veröffentlichte
Dokumente sind uns bekannt. In
US
5 963 360 ist ein Dünnschichtmaterial
auf der Grundlage eines Polymers offenbart, worin Partikel als chi(3)
nichtlineares und nicht photorefraktives Medium verwendet werden.
Es enthält Körner aus
Halbleitern oder Metall. In
US
5 508 829 werden Partikel aus einem Metall der Gruppe V
in einem optischen Speichermedium offenbart. In
US 5 432 635 wird eine nichtlineare
chi(3) Vorrichtung offenbart, die sowohl Metall- als auch Halbleiterpartikel in
einer Glasmatrix aufweist. In
US
5 253 103 werden Halbleiterpartikel in einer Glasmatrix
mit einer Größe unterhalb
der Wellenlänge
offenbart. Die Druckschrift
US
5 726 796 offenbart die Verwendung einer induzierten Änderung
des Gesamtbrechungsindexes zum Erzielen einer optischen Begrenzung
mit thermisch oder optisch induzierten Änderungen des Brechungsindexes
in Partikeln.
US 5 452 123 offenbart die
Verwendung kolloidaler Siliciumdioxid-Sphären in einem dotierten Lithiumniobatkristall
für das
Erstellen eines optischen Schaltelements.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, von denen
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1 und 2 die
Prinzipien eines photorefraktiven Kristalls illustrieren, der, wenn
er von zwei sich überkreuzenden
Strahlen beleuchtet wird, in seinem Inneren ein Interferenzmuster
erzeugt,
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3 und 4 illustrieren,
wie das Prinzip aus den 1 und 2 zur Kopplung
von Strahlen verwendet werden kann,
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5 eine
180°-Kopplung
zweier Strahlen mit einem photorefraktiven Kristall zeigt,
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6A, 6B und 6C einen
herkömmlichen
optischen Isolator und einen erfindungsgemäßen optischen Isolator zeigen,
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7 und 8 die
Anwendung des Gedankens von 5 auf einen
optischen Begrenzer zeigen,
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9 bis 16 Fasern
einer Glaspartikel-Kopplungsmatrix-(GPM) mit nichtlinearen optischen
Eigenschaften in einer schematischen Darstellung zeigen,
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17A bis 17E in
einer schematischen Darstellung verschieden ausgeformte Partikel zeigen,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können,
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18 in
schematischer Weise die Herstellung einer GPM-Faser zeigt,
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18A einen Partikel mit einer Dipolladung zeigt,
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19 schematisch
die Herstellung eines Gegenstands aus einem GPM-Material zeigt,
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20 schematisch
die Herstellung einer GPM-Beschichtung auf einem Substrat zeigt,
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21 und 22 zwei
unterschiedliche Anzeigebildschirme in einer schematischen Darstellung
zeigen,
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23 schematisch
eine Integration von Laserdiode und Faser zeigt,
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24A und 24B zwei
schematisch dargestellte optische Speichervorrichtungen zeigen,
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25A und 25B alternative
Fasern zeigen, deren photorefraktive Partikel in unterschiedliche
Richtungen orientiert sind, und
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26 einen
alternativen photorefraktiven Gegenstand und einen Weg zu seiner
Herstellung zeigt.
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Die 1 und 2 dienen
einer übersichtlichen
Darstellung der Hauptprinzipien der photorefraktiven nichtlinearen
Optik. Treffen ein erster Strahl 10 und ein zum ersten
Strahl geneigter zweiter Strahl 12 in einem Kristall 14 aus
photorefraktivem Material 15 aufeinander, so bilden sie
ein Interferenzmuster 16, das aus dunklen Linien 18 und
hellen Linien 20 besteht. Die Veränderung des Brechungsindexes des
photorefraktiven Materials 15 folgt den hellen Linien mit
einer Phasenverschiebung von 90°,
wodurch in den Kristall 14 ein Hologramm aus Streifen von
Bereichen unterschiedlicher Brechungsindices geschrieben wird.
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Das
durch das Beugungsmuster 16 ausgebildete Beugungshologramm
kann, wie in den 3 und 4 schematisch
dargestellt, so zum Koppeln zweier Strahlen verwendet werden, dass
in eine der Ausgangsrichtungen (Richtungsbezugszeichen 22) eine
konstruktive Interferenz auftritt. Wie insbesondere in 4 gezeigt
ist, kann ein einfallender Strahl 24 mit einem Strahlteiler 26 aufgeteilt
und der Teilstrahl 27 auf einen zum Erzeugen eines Signalstrahls 30 gesteuerten
Spiegel 28 gerichtet werden. In dem photorefraktiven Kristall 14 führt die
Wechselwirkung zwischen den kohärenten
Strahlen 24 und 30 zu einer Interferenzmusteranordnung,
die eine konstruktive Beugung in Richtung des Ausgangs, Richtung 22, ergibt.
Der "andere" Strahl mit der Referenznummer 32 in
der 3 ist nicht wirklich vorhanden (oder ist sehr
schwach), da er eine destruktive Interferenzrichtung darstellt.
Der Strahl 22 stellt einen verstärkten Signalstrahl und der
Strahl 32 stellt einen gedämpften Eingangsstrahl dar.
Die Leistung des Ausgangssignals kann so eingestellt werden, dass
sie in etwa der Summe der Eingangssignale abzüglich der Absorption entspricht.
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5 zeigt
eine alternative, frontale Art der kohärenten Kopplung zweier Strahlen,
bei der die C-Achse des photorefraktiven Kristalls parallel zur Richtung
des einfallenden Strahls 24 ausgerichtet ist und der Signalstrahl 30 unter
einem Winkel von 180° zum
einfallenden Strahl eintritt. Das Beugungsmuster kann so eingerichtet
werden, dass sich der Hauptteil der Leistung des kombinierten/gebeugten
Strahls im Ausgangssignalstrahl 34 befindet, mit geringer oder
praktisch keiner Leistung im "durchgehenden Eingangsstrahl" 36. Aus
der 5 lässt
sich erkennen, dass die Interferenzbänder bei der 180°-Kopplung
näher beieinander
stehen und schärfer
ausgebildet sind als jene von 3.
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7 zeigt,
dass ein mit dem Bezugszeichen 35 versehener Kristall aus
refraktivem Material einen optischen Begrenzer bilden kann, indem
eine Reflektion 36 an einer Oberfläche des Kristalls den Signalstrahl
ausmacht. Dadurch lässt
der Kristall 35 nur sehr wenig Licht in Richtung der C-Achse
passieren (lässt
das Licht aber in der entgegen gesetzten Richtung passieren).
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8 zeigt
eine für
einen Eisen-dotierten Lithiumniobat (FeLiNbO3)-Kristall
typische Reaktionszeit, die aufzeigt, dass nach etwa 15 ms praktisch kein
Licht mehr hindurch tritt und der Abfall der Intensität auf 1/e
der ursprünglichen
Intensität
innerhalb von etwa 2 ms erfolgt.
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Photorefraktive
Bauelemente mit großen (z.B.
1 cm, 2 cm oder längeren)
Kristallen funktionieren gut, doch ist die Herstellung großer Einkristalle teuer
und schwierig.
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Selbstverständlich besteht
keine Notwendigkeit für
einen großen
einkristallinen photorefraktiven Kristall. Durch Einbetten von Partikeln aus
photorefraktivem Material in ein Glas, Polymer oder ein anderes
(üblicherweise
teilendes) Kopplungsmedium ist es möglich, dasselbe Ergebnis und
in gewisser Weise noch bessere Ergebnisse zu erzielen.
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Das
Einbetten von Partikeln aus kristallinen Materialien in ein Trägermedium
aus amorphem Glas oder Kunststoff, das denselben (oder sehr ähnlichen) Brechungsindex
wie das nichtlineare Kristallmaterial aufweist, ermöglicht es,
große
Volumina der Glaspartikelmatrix (GPM) zu "gießen", ohne Einkristalle
von der erforderlichen Größe herstellen
zu müssen.
Die nichtlinearen optischen Eigenschaften der GPM beruhen darauf,
dass die einzelnen Partikel selbst Einkristalle sind, und in manchen
Anwendungen auf der makroskopischen Ausrichtung der Partikel zueinander.
Mit anderen Worten müssen
bei einigen Anwendungen alle Einkristallpartikel so ausgerichtet
werden, dass ihre kristallinen Achsen in dieselbe Richtung zeigen.
Mittels einer ausreichend klein gehaltenen Größe können die Partikel automatisch
als Einkristalle ausgebildet werden. In diesem Fall nimmt der relative
Beitrag der Grenzenergie der Domäne
im Verhältnis
zur Gesamtenergie des Partikels bis zu dem Punkt zu, ab dem die
Ausformung von Domänen energetisch
nicht mehr begünstigt
ist, so dass im Ergebnis ein Einkristallpartikel entsteht.
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Es
gibt Anwendungen, wie zum Beispiel einen optischen Begrenzer, bei
dem das Ausrichten der Partikel nicht notwendig sein mag. Auch eine
optische Speichervorrichtung erfordert nicht unbedingt ein Ausrichten
der Partikel.
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9 zeigt
eine optische Glasfaser 40 mit einem Kern 41,
der von einer Ummantelung 42 umgeben ist. Der Brechungsindex
der Um mantelung ist kleiner als der des Kerns (zum Beispiel um 0,1
oder mehr). Die Länge
der Faser beträgt
wenige Zentimeter, sie ist zum Beispiel 2 bis 5 cm lang. Der in
der 10 gezeigte Kern umfasst eine Glaskopplungsmatrix 43,
in die eine große
Anzahl von Kristallpartikeln 44 eingebettet ist. Die Partikel 44 bestehen
aus nichtlinearen uniaxialen ferroelektrischen Partikeln. Jeder
Partikel umfasst eine einzelne Domäne. Die Partikel sind statistisch über den
ganzen Kern verteilt. Die Partikel in dem Beispiel der 9 und 10 sind
alle in derselben Richtung orientiert (ihre C-Achsen erstrecken
sich in dieselbe Richtung). Die C-Achsen können im Wesentlichen parallel
zur Longitudinalachse der Faser ausgerichtet sein, sie können aber
auch in eine andere Richtung ausgerichtet sein, beispielsweise um
einige Grade geneigt, im Wesentlichen senkrecht zur Faserachse oder
in etwa 45° zur
Faserachse.
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In
einer anderen Ausführungsform
können die
C-Achsen der Partikel willkürlich
zueinander ausgerichtet sein (oder zumindest müssen sie sich nicht alle in
dieselbe Richtung erstrecken).
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Der
Brechungsindex der Glasmatrix 43 ist vorzugsweise auf mindestens
eine Dezimalstelle und in besonders bevorzugter Weise auf zumindest
zwei Dezimalstellen an den Brechungsindex der gleich ausgerichteten
Kristalle 44 angepasst. Ein Anpassen der Brechungsindices
auf drei, vier, fünf
oder mehr Dezimalstellen kann erreicht werden und mag wünschenswert
sein. Ein für
das Glas und die Kristallpartikel typischer Brechungsindex dürfte ungefähr 2 betragen.
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Eine
bessere Anpassung der Brechungsindices kann durch Steuern der Temperatur
des Faser/Kopplungsmatrix-Gegenstands erreicht werden (n ist von
der Temperatur abhängig
und die Temperaturabhängigkeit
von Δn ist
bei den meisten Materialpaarungen unterschiedlich).
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Die
Partikel aus dem Beispiel der 9 und 10 sind
nur von einer Art/Zusammensetzung. Kopplungsmedium-Partikel-Gegenstände mit
einer aus einem ersten Material hergestellten ersten Art von Partikeln/Kristallen
und einer aus einem zweiten verschiedenen Material hergestellten
zweiten Art von Partikeln mögen
wünschenswert
sein. Es können mehr
als zwei Arten von Partikel-Kristallzusammensetzungen vorhanden
sein. In einer Partikel/Kopplungsmediumsmatrix können Partikel (ob aus demselben
Material oder nicht) von mehr als einer Größe und/oder Form vorhanden
sein.
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11 zeigt
eine weitere optische Faser 46, die eine Glas/Kristallpartikelmatrix
aufweist, wobei das Glas mit der Referenznummer 47 versehen
ist und die Partikel mit der Referenznummer 48. Die Partikel 48 sind
als längliche
Ellipsoide oder zigarrenförmig
ausgebildet.
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Längliche
Partikel können
länger
als der Durchmesser des Kerns einer ummantelten Faser oder länger als
der Durchmesser einer Faser/eines Gegenstands ausgebildet sein.
Die Partikel können länger als
die Wellenlänge
des verwendeten Lichts oder in etwa von der Größe der Wellenlänge sein.
Die Partikel können
1mm, mehrere Millimeter oder sogar größer/länger sein.
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Wie
aus der 11 ersichtlich ist, sind die Längsachsen
der Partikel 48 im Wesentlichen/in etwa mit der Hauptlängsachse
der Faser 46 (oder des Gegenstands) ausgerichtet. Von Partikel
zu Partikel gibt es gibt jedoch einige Abweichungen in der Ausrichtung,
sodass die Partikel 0, 5, 10, 15, 20 oder mehr Grad (oder innerhalb
eines Bereichs, der durch diese Angaben definiert ist) aus der Achslage
orientiert sein können.
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Die 12 zeigt
eine der 11 ähnliche Anordnung, mit der
Ausnahme, dass die mit dem Bezugszeichen 50 versehenen
Partikel in höherem
Umfang ausgerichtet sind, wobei in etwa alle Partikel im Wesentlichen
parallel (und in diesem Beispiel parallel zur Achse der Faser/des
Gegenstands) zueinander orientiert sind. Darüber hinaus sind die Partikel
der 12 eckiger und besitzen im Wesentlichen ebene Oberflächen, wie
z.B. ebene Seitenflächen 51.
Sie können
auch ebene Stirnflächen 52 aufweisen,
die üblicherweise
orthogonal (oder in einem schiefen Winkel) zu den Seitenflächen angeordnet
sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
die Partikel 50 eine zylindrische Form mit oder ohne, unter
90° zu den
gekrümmten
Seitenoberflächen
angeordneten Stirnflächen
aufweisen.
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Die 13 zeigt
eine Faser mit ausgerichteten zylindrischen Partikeln im Querschnitt.
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Die 14A und 14B zeigen
einen Kern 60 einer ummantelten Faser (die Ummantelung ist
nicht dargestellt), worin Partikel 62 in einem Glasmaterial
gekoppelt sind und worin die Partikel einen im Vergleich mit der
Faser beträchtlichen
Durchmesser aufweisen. In dem Beispiel der 14A und 14B besitzen die Partikel einen Durchmesser von
mehr als der Hälfte
des Durchmessers der Faser/des Gegenstands. An den meisten Positionen entlang
der Länge der
Faser befindet sich in einem senkrechten Querschnitt nur ein Partikel.
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Die
Partikel 62 der 14A sind
zigarrenförmig.
Die mit dem Bezugszeichen 64 versehenen Partikel der 14B sind im Wesentlichen von der Form eines Parallelepipeds
mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt und ebenen
Stirnflächen. Sie
könnten
auch einen anderen Querschnitt mit zum Beispiel 3, 4, 5, 6, 7, 8
oder mehr Seiten aufweisen. Die Anzahl der seitlichen Oberflächen des
Kristalls kann von der natürlichen
Form der Kristalle abhängig sein.
In der 14B stehen sich die mit dem
Bezugszeichen 65 versehenen Stirnflächen benachbarter Kristalle
generell einander gegenüber.
Die Lücke
zwischen den Kristallen kann kürzer
als die Länge
der Kristalle sein.
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Natürlich können die 9 bis 14 sowohl die Kerne ummantelter als auch
nicht ummantelter Fasern darstellen.
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15 zeigt
einen Querschnitt durch den Faserkern 60 der 14A.
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16 zeigt
schematisch ein als optische Faser ausgebildetes längliches
optisches Element 66 mit einem Kern 67 und einer
Ummantelung 68. Der Kern 67 weist viele ausgerichtete
photorefraktive Kristalle 69 auf.
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Die 17A bis 17E zeigen
als Einzeldomänen
ausgebildete ferroelektrische photorefraktive Kristalle unterschiedlicher
Form, einschließlich
ellipsoider, zylindrischer, sphärischer,
ziegelförmiger, pa rellelepipedartiger
und kubischer Formen. Natürlich
sind auch andere Formen möglich.
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Auch
wenn zumindest die Mehrheit der Partikel im Allgemeinen dieselbe
Form und im Wesentlichen dieselbe Größe aufweist, gibt es eine gewisse Variation
in der Länge
und Größe.
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Die
Partikel können
hergestellt werden, indem ein größerer kristalliner
Gegenstand, zum Beispiel durch Mahlen/Abspalten oder durch chemisches
Aufbrechen zerkleinert wird, oder indem sie von Anfang an als kleine
Partikel ausgebildet werden. Die Partikel können vor ihrem Einbinden in
das Kopplungsmedium oder in situ mit dem Kopplungsmedium hergestellt
werden. Sie können
zum Beispiel aus einer Lösung
auskristallisiert werden. Um die Ausbildung von Kristallen in einem
Kopplungsmedium zu ermöglichen,
könnte
das flüssige
Kopplungsmedium geeignete chemische Stoffe enthalten oder zugesetzt haben – gegebenenfalls
unter Beschichten des flüssigen
Gemisches Kopplungsmedium/Substanz. Die Mikrokristallisation von
photorefraktiven Unidomän-Einkristallen
in Glas oder Kunststoffpolymer ist reizvoll.
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Es
könnte
in Betracht gezogen werden, dass die Kristallpartikel oder der Ausgangskristall
zur Herstellung der Mikropartikel aus einer kongruenten Schmelze
gebildet werden, jedoch können
unter gewissen Umständen
stöchiometrische
oder subkongruente oder suprakongruente Schmelzen verwendet werden.
Eine Veränderung
des Oxidationszustands des photorefraktiven Materials kann dessen Photorefraktivität, optische
Verstärkung
und dessen Strahlkopplungseigenschaften verändern.
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Die
in den Figuren gezeigten Partikel sind in den bevorzugten Ausführungsformen
photorefraktiv und können
einen Drehmoment induzierenden Dipol (aus Gründen, die später beschrieben
werden) aufweisen. Geeignete optisch nichtlineare Gegenstände können möglicherweise
auch mit Partikeln hergestellt werden, an denen kein Drehmoment
induziert werden kann, sodass eine derartige Anforderung an das Material
nicht unbedingt erforderlich sein muss. Auch wenn Eindomänen-Partikel
bevorzugt werden, können
Partikel mit einer Vielzahl von Domänen verwendet werden. Jedoch
müsste
auch an einem Multidomänen-Partikel
ein Drehmoment hervorgerufen werden können.
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Das
Ausrichten der Partikel, falls sie denn ausgerichtet werden müssen, sollte überlegt
werden. Die 18 zeigt in durchgezogenen Linien
ein erstes Verfahren zum Ausrichten. Eine Vorratsmenge 70 eines
beweglichen (z. B. geschmolzenen) Kopplungsmediums 71 mit
Kristallpartikeln 72 wird durch eine, zum Beispiel in einer
Form 76 ausgebildete, Ausrichtöffnung 74 geleitet.
In diesem Beispiel besitzt die Form eine enge Durchführung 78,
die sich über
eine Länge
von mehreren Kristallen erstreckt. Die Kristalle besitzen eine längliche
Form. Beim Durchfluss der aus Kopplungsmedium und Kristallen bestehenden fluiden
Masse durch die Form tendieren die Schubkräfte/viskosen Kräfte der
Oberflächenspannung
des fluiden Kopplungsmediums dazu, die länglichen Partikel in eine im
Allgemeinen gerade Linie zu ziehen. Außerdem würden quer stehende Partikel
in dem Beispiel der 18 nicht in die Durchführung 78 passen.
Die Form könnte
als eine mit einem Loch versehene Platte ausgebildet sein oder eine
ausgeprägte Länge in Richtung
der Extrusion aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Durchführung
breit genug für
ein Eintreten quer liegender länglicher
Partikel ausgeführt
sein, wobei sie bei in Längsrichtung
beabstandeten Regionen einen im Allgemeinen einheitlichen Querschnitt
aufweist oder bei einer Verjüngung
an unterschiedlichen Positionen in Längsrichtung zunehmend kleinere
Querschnitte. Die Durchführung
kann sich auf die Wirkung eines fluiden Flusses zum "begradigen" der Partikel stützen. Alternativ
hierzu kann die Durchführung selbst
so ausgebildet/geformt werden, dass sie das Ausrichten der Partikel
bewirkt. Der oben erörterte Ausrichtprozess
erfordert keinerlei Dipole an den Partikeln.
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Anstelle
der oder zusätzlich
zu den mechanischen/fluiden Einwirkungen kann eine makroskopische
Ausrichtung auch unter Einsatz elektromagnetischer Effekte erzielt
werden. Eine Eigenschaft vieler nichtzentrosymmetrischer Kristalle
(z. B. dotiertes Lithiumniobat) ist, dass diese ein großes photovoltaisches
Feld aufbauen können.
Dies wurde zuerst von Glass et al (Applied Physics Letters, Band
25, Seite 233) erkannt, der beobachtete, dass ein (optisches) Beleuchten
eines Lithiumniobat-Kristalls einen elektrischen Strom hervorruft,
wenn zwei einander gegenüberliegende
Seiten des Kristalls miteinander elektrisch verbunden sind. Der
photovoltaische Effekt tritt auf, da sich die elektrischen Ladungsträger in diesen
Materialien in asymmetrischen Potenzialmulden befinden. Photoangeregte
Ladungsträger
bewegen sich daher bevorzugt in eine Richtung. Bei Beleuchten eines
elektrisch isolierten eisendotierten Lithiumniobat(Fe:LiNbO3)-Kristalls kann ein elektrisches Hochspannungsfeld
von mehr als 100 kV/cm erzeugt werden. Erfolgt dies innerhalb mikroskopischer
einkristalliner Fe:LiNbO3-Partikel, so wird
jeder dieser Partikel elektrisch polarisiert. Dies ist der Schlüssel zu
einer Art des makroskopischen Ausrichtens aller oder im Wesentlichen
aller Partikel in einer Kopplungsmedium/Partikel-Matrix.
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Ein
einfaches Verfahren zum Ausrichten der Partikel besteht daher darin,
die Kopplungsmedium/Partikel-Matrix (z. B. Glas/Partikel) soweit
zu erhitzen, dass der "Glas"-Träger geschmolzen
ist und sich die kristallinen Partikel frei bewegen können. Das
Beleuchten der geschmolzenen Matrix mit einer starken Lichtquelle
mag dann bereits zum Auszurichten der Partikel zueinander ausreichen.
In der geschmolzenen Glasphase fungieren die suspendierten kristallinen
Partikel als kleine Dipole, die Eisenspänen in einem magnetischen Feld ähnlich dazu tendieren,
sich plus an minus aneinanderzureihen. Bei Kopplungsmedium/Partikel-Matrizen
auf der Grundlage von Kunststoffen (im Gegensatz zu Glaskopplungsmedien)
wäre es
auch möglich,
die Partikel vor der Polymerisation auszurichten, so dass ein Erhitzen
nicht notwendig erforderlich wäre
(trotzdem kann Wärme
angewandt oder auch nicht angewandt werden). Sobald die Partikel
ausgerichtet sind, werden die Partikel unter Beibehalten der Beleuchtung
in dem ausgerichteten Zustand durch Abkühlen des Glases oder Polymerisation
des Kunststoffs "fixiert". Das Dipolmoment
eines jeden Partikels hängt
von der Stärke
des, wiederum von der Beleuchtungsintensität abhängigen, photovoltaischen Feldes
ab sowie von der Packungsdichte der kristallinen Partikel. Vorausgesetzt,
dass die Dipolmomente ausreichend groß zum Überwinden der viskosen Kräfte und
der Brownschen Bewegungseffekte in dem flüssigen Träger sind, können die Partikel in der angegebenen Weise
ausgerichtet werden. Die Ausrichtung wird durch dieses Verfahren
nicht sichergestellt, da sie in der Wirkung einem Phasenübergang
in dem Partikel-Kopplungsmedium-Matrixmaterial
entspricht und eine Neuorientierung der Partikel in den energetisch günstigsten
Zustand erfolgen wird. Dieser Zustand kann aus einer Reihe lokaler "Taschen" oder "Zellen" bestehen, in denen
alle Partikel korrekt ausgerichtet sind, wobei aber benachbarte
Zellen eine hierzu unterschiedliche makroskopische Ausrichtung aufweisen
können.
Jedoch legen auf Symmetrie begründete
Argumente nahe, dass die vollständige
Ausrichtung den energetisch günstigsten
Zustand darstellt, vor allem, wenn das Gesamtvolumen des Partikel-Matrixmaterials
nicht zu groß ist.
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Die
Ausrichtwahrscheinlichkeit kann durch Anlegen eines externen elektrischen
Feldes zusätzlich
zum Erzeugen kleiner Dipole mittels Beleuchten des Matrixmaterials
erhöht
werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass nicht nur eine sicherere Ausrichtung
erreicht wird, sondern dass diese statt in beliebiger Richtung entlang
einer vorgegebenen Richtung erfolgt. Dies ist für das Gießen asymmetrischer Gegenstände wie
flache Platten oder Stäbe
von Vorteil.
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Eine
lokale Anwendung der Techniken während
dem Extrudieren oder Ziehen der Partikel-Kopplungsmedium-Matrix
in eine optische Faser ist möglich.
So können
optische Fasersysteme mit ausgeprägten nichtlinearen optischen
Reaktionen vorteilhaft maßgeschneidert
werden. Interessant ist auch die Möglichkeit des Umformens photorefraktiven
Materials in optische Fasern, insbesondere in kohärente Bündel optischer
Fasern zur Herstellung von optischen Begrenzern und Speicherbauelementen.
Die Partikel könnten
in dem Ausgangsmaterial des fluiden Partikel/Kopplungsmatrix-Materials
ausgerichtet werden, bevor es gegossen, gestreckt oder aufgeschleudert
wird, aber auch (oder vielleicht stattdessen) während der Ausbildung der Faser
oder des Gegenstands und/oder während
des Härtens
des fluiden Matrixmaterials.
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Die
der 18 hinzugefügten,
gestrichelten Linien zeigen einen Weg zum Ausrichten der Partikel unter
Verwendung eines photorefraktiven Effekts und eines angelegten elektrischen
Felds. Eine Lichtquelle 80 beleuchtet die Kristallpartikel 72,
solange sie in dem Kopplungsmedium (z. B. Glas) 71 beweglich sind.
Ein Paar elektrisch vorgespannter Platten 82 gewährleistet
das Erzeugen eines starken elektrischen Feldes 84. Da die
Partikel an den entgegengesetzten Enden entgegengesetzt geladene
Pole aufweisen (in 18A dargestellt), führt das
elektrische Feld zu einem Ausrichten der Partikel entlang der Feldrichtung.
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19 zeigt
einen von einer Lichtquelle 81 beleuchteten Gegenstand 80 einer
geschmolzenen Glas-Partikel-Matrix in einer (nicht dargestellten)
Aufnahme, woran ein starkes elektrisches Feld 82 angelegt
ist. Eine temperaturgesteuerte Umgebung (z. B. eine Kammer) ist
von der gestrichelten Linie 82 angedeutet. Die Partikel
sind innerhalb des geschmolzenen Glases beweglich und richten sich
selbständig
in Richtung des elektrischen Feldes aus. Anschließend wird
das Glas unter Aufrechterhalten des elektrischen Feldes abgekühlt, bis
die Partikel immobilisiert sind.
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Während der
Kristallformierung kann ein Drehmomentfeld (z. B. ein elektrische
Feld) angelegt werden; beispielsweise während einem Mikroauskristallisieren
(z. B. in situ in der Partikel-Kopplungsmatrix) oder des Ziehens
aus der Schmelze.
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20 zeigt
eine auf einen Gegenstand 92 aufgebrachte Beschichtung
oder Schicht 90 aus photorefraktivem Partikel/Kopplungsmatrix-Material. Beim
Aufbringen befinden sich die Partikel in einem mobilen Zustand,
und es wird ein elektrisches Feld angelegt während gleichzeitig in den Partikeln
ein Dipol zum Ausrichten der Partikel erzeugt wird. Das elektrische
Feld kann unter einem von der Normalen zur Beschichtung abweichenden
Winkel, zum Beispiel parallel zur Beschichtung ausgerichtet sein.
Der Gegenstand muss nicht flach und die beschichtete Oberfläche muss
nicht eben sein.
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21 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Fenster oder einen Bildschirm 100 mit
einem photorefraktiven Partikel/Glasmatrixkörper 102 und einer
polarisierten Beschichtung 104. Die Partikel der Matrix
bestehen aus uniaxialen oder biaxialen Kristallen, deren C-Achsen
sich durchgängig
parallel zur Oberfläche
des Fensters/des Bildschirms erstrecken. Die Polarisationsrichtung
der linear polarisierten Beschichtung 104 kann von einer
ersten, im Wesentlichen zur Richtung der Hauptachse des Brechungsindexes
der Partikel (Achse mit dem Bezugszeichen 106) parallelen
Richtung 105 in eine zweite, im Wesentlichen dazu senkrechten
Richtung 107 überführt werden.
Ist die Hauptachse des Brechungsindexes 106 der Partikel
parallel zur Polarisationsebene 105, so ist das Fenster/der
Bildschirm lichtdurchlässig.
Ist die Polarisationsrichtung 107 senkrecht zur Hauptrichtung
der Brechungsindexachse 106 der Kristalle, so ist das Fenster/der
Bildschirm opak. Die Änderung der
Polarisationsrichtung der Schicht 104 kann auf elektrischem
Wege erreicht werden. Dies kann zum Beispiel benutzt werden, um
einen Bildschirm/ein Fenster funktionslos/undurchlässig zu
machen, zum Beispiel einen VDU-Anzeigebildschirm.
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22 zeigt
ein anderes Fenster bzw. anderen Bildschirm 110, worin
die Kristalle 112 entsprechend dem Brechungsindex n1 mit
der C-Achse der Kristalle
senkrecht zur Oberfläche 103 des
Schirms ausgerichtet sind und ein zweiter dazu verschiedener Brechungsindex
n2 in einem Winkel von 90° zu
n1 ausgerichtet ist. Die Glas- oder Polymermatrix (Bezugszeichen 114)
des Bildschirms/Fensters besitzt einen Brechungsindex von in etwa
n1. Bei Verwendung unter einem Winkel von 90° zur Oberfläche 103 kann Licht
hindurch treten. Bei einem, wie bei 116 dargestellten deutlich
abweichenden Betrachtungswinkel bedingt der Unterschied zwischen
den Brechungsindices n2 (Kristall) und n1 (Kopplungsmedium) eine
Streuung, wodurch das Fenster/der Bildschirm opak wird. Dies kann
bei einem Sichtgerät oder
einem anderen Anzeigegerät
zum Schutz der Privatsphäre
eingesetzt werden.
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Selbstverständlich müssen die
Kristalle für die
Anordnung in den 21 und 22 nicht
notwendigerweise photorefraktiv ausgebildet sein – es ist
ihre Doppelbrechungseigenschaft, die den erwünschten Effekt bewirkt. Es
soll eine selektiv durchlässige
Vorrichtung unter Verwendung dieses Doppelbrechungseffektes geschützt werden.
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Eine
weiterführende
Abwandlung der oben angegebenen Ausführungsformen von 9 besteht darin,
dass zum Erstellen einer in tegralen Einheit eine Diode, beispielsweise
eine Laserdiode in den länglichen
Gegenstand aufgenommen werden kann. 23 zeigt
eine mit einer optischen Faser 120 kombinierte Laserdiode,
die eine ummantelte, photorefraktive Partikel enthaltende Glasfaser 122 von
wenigen Zentimetern Länge
(z. B. 2 bis 4 cm) und eine, an einem Ende daran angebrachte Laserdiode 124 umfasst.
Eine elektrische Stromversorgung ist mit dem Bezugszeichen 126 versehen.
Das freie Ende 128 der Einheit 120 kann an eine
Faseroptik 129 (z. B. aus normalem Glas) angekoppelt/angebracht
werden. Zwischen Diode 124 und Faser 122 könnte eine Linse
gesetzt werden. Diese wäre
integral mit der Diode und der Faser möglich. Alternativ könnte die
Diode getrennt von der Faser 122 vorgesehen sein und die
Linse könnte
entweder als separates Element oder als Bestandteil der Faser oder
Diode (oder beide könnten
Linsen aufweisen) ausgeführt
sein.
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Es
wird angenommen, dass eine erfindungsgemäße optische Faser in der Telekommunikationsindustrie
eingesetzt werden kann.
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Ein
anderes Gebiet der vorliegenden Erfindung sind optische Begrenzer
oder optische Isolatoren. Diese werden in der Telekommunikationsindustrie
für faseroptische
Telekommunikationsleitungen verwendet. Ein herkömmlicher optischer Isolator 130 ist
in den 6A und 6B gezeigt;
er umfasst einen von einem Elektromagneten 132 umgebenen Faraday-Rotator-Signalkristall 131,
einen ersten linearen Polarisator 133 auf einer Seite des
Faraday-Rotators und einen zweiten linearen Polarisator 134 mit einer
um 90° zum
ersten Polarisator gedrehten Polarisationsrichtung auf der anderen
Seite des Faraday-Rotators.
Eine optische Faser 135 verbindet die Polarisatoren und
den Rotator.
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Der
Isolator lässt
Licht nur in einer Richtung passieren, beispielsweise von links
nach rechts, nicht jedoch in die andere Richtung.
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Manchmal
ist es erwünscht,
Signale im Multiplexverfahren in eine optische Leitung einzuspeisen,
indem zum Beispiel Signale unterschiedlicher Wellenlänge eingeleitet
werden. Zum Multiplexen der Faraday-Rotatoranordnung der 6A und 6B ist
es erforderlich, den Isolator in Echtzeit so schnell abzugleichen,
dass er an die unterschiedlichen Multiplex-Wellenlängen angepasst
wird. Das System ist auf eine spezielle Wellenlänge abgeglichen und empfindlich
gegenüber Änderungen
in der Wellenlänge; eine Änderung
der Wellenlänge
erfordert eine Änderung
des auf den Rotator 131 einwirkenden magnetischen Feldes
(oder der Polarisation eines oder beider Polarisatoren 133/134 bzw.
die Länge
der Faser muss geändert
werden). Bei einem großen
optischen Faserbündel
(z. B. für
ein transatlantisches Kabel) kann darüber hinaus die bloße Anzahl
von mehreren Zehn oder Hunderten von Isolatoren 130 ein
Problem darstellen. Auch der Ausfall eines Magneten oder ein Fehler
in seiner Stromversorgung kann die zugehörige faseroptische Leitung
unbrauchbar machen. Es sind zwar Breitbandisolatoren verfügbar, aber
sie sind weniger leistungsfähig
als die für
eine einzelne Wellenlänge
ausgelegten Varianten.
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Bei
einem in der 6C dargestellten alternativen
Isolator wird ein faseroptischer Einsatz 140, der eine
photorefraktive Partikel-Glasmatrix
umfasst, in eine herkömmliche
optische Faser 141 eingesetzt. Die C-Achsen der uniaxialen
Partikel sind 180° zur zulässigen Vorwärtsrichtung
des Signals entlang der optischen Faser 141 ausge richtet.
Jedes in die zulässige
Richtung fortschreitende Licht passiert den Fasereinsatz 140 praktisch
ungehindert, Licht aus der entgegengesetzten Richtung wird dagegen
von der Oberfläche 142 des
Einsatzes 140 (oder von der Grenzfläche zwischen dem Einsatz und
der normalen optischen Faser) reflektiert, wobei diese Reflektion
mit dem Vorwärtsstrahl
interferiert und dabei in Echtzeit ein photorefraktives Hologramm
schreibt, das eine destruktive Interferenz für Licht in rückwärtiger Richtung
und eine konstruktive Interferenz für Licht in Vorwärtsrichtung
bewirkt, so dass nach "rückwärts" gerichtetes Licht
in den Vorwärtsstrahl
zurückgekoppelt
wird. Dieser Effekt kann Reflektionen von der Grenzfläche 143 entgegenwirken.
Da jedes Signal sein eigenes Interferenzhologramm erzeugt, zeigt der
Isolator von 6C selbstverständlich eine
wesentlich geringere Wellenlängenabhängigkeit
als der von 6A und 6B (so
lange, die Brechungsindices der photorefraktiven Partikel bei den
Betriebsmultiplexfrequenzen bis zu einem Grad aneinander angepasst
sind, dass die Streuung von den Partikeln noch tragbar ist). Die
Kohärenzlänge des
Lichts sollte vergleichbar oder länger als die Länge der
Partikel sein, damit die Streifen im gesamten Volumen vorkommen.
Die Kohärenzlänge sollte
zumindest der Partikellänge
entsprechen. Für
einen bestmöglichen Wirkungsgrad
sollte sie vorzugsweise so lange wie die Faser sein. Sie gleicht
sich automatisch an die unterschiedlichen Wellenlängen an
und benötigt
keine Energieversorgung. Der neue Isolator mag darüber hinaus
eine Verbesserung gegenüber
den herkömmlichen, äußerst verlustbehafteten
optischen Isolatoren sein.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch für optische Speicher/Datenspeicher
verwendet werden. Mittels einer Wechselwirkung zwischen einem Pumplaserstrahl
und einem Schreib-/Signallaserstrahl kann in einen Gegenstand aus
photorefraktivem Material ein Hologramm geschrieben werden. Eine
Ausbildung des Gegenstands für
den Hologrammspeicher/das Hologrammmedium als Partikelkopplungsmatrix
ist in Betracht zu ziehen.
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Im
Hinblick auf eine rationelle Nutzung des Speichervolumens wird das
Multiplexen von Hologrammen in denselben, für das Speichermedium genutzten
Raum angestrebt, wobei zwischen den verschiedenen Hologrammen, die
sich denselben Raum teilen, der Betrachtungs-/Schreibwinkel oder
die Wellenlänge
oder die Polarisation geändert
wird. Um in einem bestimmten gegenständlichen Speichermedium mehrere
separate Hologrammparzellen anlegen zu können, ist die Verwendung schmaler
Laserstrahlen beabsichtigt. Es kann jedoch zu einem Übersprechen
zwischen den Speicherpositionen kommen, wodurch sich die Qualität der Bilder/Daten
reduziert. Zur Reduktion des Übersprechens
ist die Unterteilung eines Speichermediumvolumens in einzelne separate Volumina,
beispielsweise in eine Anordnung von kleineren Gegenständen mit
im Wesentlichen parallelen Seiten und Grenzflächen zwischen benachbarten Seitenflächen, günstig. Eine
Kollektion kleinerer Gegenstände
kann einen größeren optischen
Speichergegenstand umfassen.
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24A zeigt ein optisches Speicherbauelement 150 in
Form eines Vollkörpers
aus einer photorefraktiven Glas-Partikelmatrix (oder aus Kunststoff-Partikel-(photorefraktive
Region)Material) mit verschiedenen, im Volumen verteilten Hologrammspeicherregionen 151.
Bei zu nahe beieinander liegenden Regionen 151 können sich
die Speicherung oder der Abruf von Bildern/Daten verschlechtern.
Die Vor richtung 150 ist leichter und billiger herzustellen als
ein Festkörpereinkristall.
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24B zeigt eine alternative Speichereinrichtung 152,
die diskrete Gegenstände 153 aus
photorefraktivem Material (oder aus einer Kopplungsmedium-/photorefraktivem
Materialmatrix) mit Grenzflächen 154 zwischen
benachbarten Gegenständen 153 umfasst.
Die Gegenstände 153 besitzen
ebene Seiten, die an den Grenzflächen 154 miteinander
in direktem Kontakt stehen. Die Grenzflächen unterstützen eine
Reduktion des Übersprechens
zwischen den in unterschiedlichen Gegenständen 153 gespeicherten
Hologrammen. Die Gegenstände 153 können miteinander
verbunden sein. Zwischen benachbarten Gegenständen (möglicherweise mit einem unterschiedlichen
Brechungsindex) kann sich ein geeignetes Kopplungsmedium befinden.
Die Gegenstände
können,
wie gezeigt, länglich
ausgeführt
sein oder im Wesentlichen kubisch, sie können sogar gekrümmte Oberflächen aufweisen.
Die Gegenstände können Fäden oder
Fasern umfassen.
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Selbstverständlich müssen zur
Anwendung in einem optischen Speicher die photorefraktiven Partikel
in der Partikel/Kopplungsmedium-Matrix nicht
notwendigerweise ausgerichtet sein.
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Die
Reflektion von den Partikeln stellt den angestrebten Haupteffekt
in der optischen Begrenzung dar. Ein Begrenzer mit einer Matrix
statistisch verteilt ausgerichteter photorefraktiver Partikel wird einige
zur Reflektion geeignet orientierte Partikel aufweisen, wodurch
Licht schließlich
auf einen für
die Rückreflektion
ausgerichteten Partikel treffen und sich der erwünschte Effekt einstellen wird.
Partikel, die in eine "Durchlass-" Orientierung ausgerichtet sind,
zerstören
die reflek tiven Beiträge
von jenen Partikeln, die eine für
den Einsatz der optischen Begrenzung geeignete Ausrichtung aufweisen
nicht. Daher ist eine photorefraktive Partikel- oder Regionskopplungsmatrix
mit statistisch verteilt ausgerichteten (oder nicht ausgerichteten)
Partikeln/Regionen immer noch zweckdienlich.
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Selbstverständlich können Auffächerungs-/Divergenzeffekte
der Partikel in der Matrix mittels der Wandungen/Grenzflächen der
Faser/Matrixgegenstände
gemindert werden.
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Als
anschauliches Beispiel ist eine in etwa 2.000 Partikel aus photorefraktivem
Material mit 5μm Länge und
einem Durchmesser von 1μm
enthaltende 1 cm Faser auf 98% Lichtdurchlässigkeit ausgelegt, wenn der
Brechungsindex der Partikel bis auf 0,01 an den Brechungsindex des
Kopplungsmediums angepasst ist. Bei einem Δn von 0,001 steigt die Durchlässigkeit
auf 99,98%. Für
ein Δn von
0,1 fällt
die Durchlässigkeit
bei 2000 Partikeln dagegen auf 13,87%.
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Auch
wenn auf Begriffe wie "optisch" und "Licht" Bezug genommen wurde
und weiterhin das sichtbare Spektrum als der zumeist bevorzugte
Wellenlängenbereich
von Bedeutung ist, kann die Erfindung im Prinzip für alle elektromagnetischen
Wellen, wobei der infrarote, ultraviolette, Mikrowellen- und Röntgenstrahlbereich
eingeschlossen ist, verwendet werden, sodass solchen Begriffen wie "optisch" und "Licht" eine entsprechend
breite Bedeutung zugemessen ist.
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Die 26 zeigt
einen aus einem Kopplungsmaterial 161 und photorefraktiven
Partikeln 162 bestehenden Gegenstand 160. Der
Gegenstand kann von einer Faser oder einem anderen Gegenstand, bei spielsweise
einem Vollkörper,
gebildet sein und kann, muss aber nicht länglich sein. Die Partikel sind
sehr klein («λ des verwendeten
Lichtes). Beispielsweise können
die Partikel bei Licht von λ = 500nm
50nm lang oder kleiner sein. Die Partikel sind klein genug, damit
eine umfangreiche Streuung vermieden wird. Die Partikel 162 sind
periodisch in dem Gegenstand ausgerichtet, wobei die mit dem Bezugszeichen 162' versehenen
Partikel in den Regionen 164 aneinander ausgerichtet sind.
Die Regionen 164 sind entlang der Längsrichtung des Gegenstands
gleichmäßig beabstandet
angeordnet (in diesem Beispiel – in
einem anderen Beispiel mag es möglich/wünschenswert
sein, dass die Regionen 164 ungleichmäßig beabstandet sind). Die
periodische Ausrichtung führt
zu einer periodischen Änderung des
Brechungsindexes im Gegenstand. Zwischen den ausgerichteten Regionen 164 befinden
sich Regionen 166. Die Partikel 162 können in
den Regionen 166 im Wesentlichen statistisch verteilt angeordnet sein
oder eine zur Ausrichtung der Regionen 164 unterschiedlich
orientierte Ausrichtung aufweisen.
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Die 25A und 25B zeigen
Gegenstände,
im vorliegenden Fall Fasern, deren photorefraktive Partikel in von
der Längsrichtung
der Gegenstände
abweichende Richtungen ausgerichtet sind. In 25A sind
die Partikel in etwa 45° zur
Längsrichtung
ausgerichtet (aber 30°,
60° oder
andere Winkel sind ebenfalls vorstellbar), während die Partikel in 25B in etwa 90° zur
Längsrichtung
ausgerichtet sind. Entsprechende Anordnungen können in Speichervorrichtungen
Verwendung finden.
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Die
Konzentration der Partikel 162 in dem Kopplungsmedium 161 kann
entlang des Gegenstands im Wesentlichen gleichförmig sein (entlang der Regionen 164 und 166),
aber die Regionen 164 können
auch eine zu den Regionen 166 unterschiedliche (höhere oder
niedrigere) Partikeldichte aufweisen. Hierdurch kann auch der Brechungsindex
des Gegenstands verändert
werden. In der Tat kann ein weiterer Weg zum Erzielen eines sich
periodisch ändernden
Brechungsindexes darin bestehen, dass für periodisch angeordnete Regionen
unterschiedlicher Dichte der Partikel pro Volumeneinheit des Gegenstands
gesorgt ist, ohne dass notwendigerweise die Ausrichtung der Partikel
geändert
werden müsste (aber
der bevorzugte Weg besteht in einer im Wesentlichen gleichförmigen Partikeldichte
mit periodisch ausgerichteten Regionen). Der Gegenstand 160 kann
in Bragg-Reflektoren,
beispielsweise für Faseranwendungen,
oder in neuartigen Filtern (vorzugsweise als Vollkörper) verwendet
werden.
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26 zeigt
auch, wie der Gegenstand 160 hergestellt werden kann. Es
wird eine Anordnung elektrischer Feldgeneratoren 168, die
im vorliegenden Fall aus positiv und negativ geladenen Platten 169, 170 besteht
und eine geeignete Periodizität
aufweist, verwendet. Der Gegenstand wird aus einer flüssigen Kopplungsmediums-Partikel-Matrix (andernfalls
einer Matrix mit beweglichen Partikeln) gebildet, wobei das elektrische
Feld (Partikelausrichtungsmittel) angelegt wird, so lange die Partikel
noch mobil sind. Die Partikel können
sich selbst ausrichten und die Kopplungsmediums-Partikel-Matrix
wird gehärtet/verfestigt,
um die Ausrichtung der Partikel zu fixieren. Der Gegenstand 160 kann
dann aus der Herstellungszone herausgenommen werden.
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Ein
chi(2) Partikelmaterial, das ein nicht-zentrosymmetrisches Medium
ist, kann selbstverständlich
photorefraktiv sein. Die Vorrichtun gen können sich nicht nur für die Speicherung
von Daten, sondern für
eine breite Palette von Anwendungen eignen und erfordern für ihre Funktionsfähigkeit
nicht notwendigerweise das Anlegen eines elektrischen Feldes. Die
Vorrichtung erfordert für
ihre Funktionsfähigkeit
nicht notwendigerweise den Einsatz zweier Strahlen, sondern kann
auch mit nur einem Strahl betrieben werden. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beruht auf der Bildung optischer Streifen und erfordert kohärentes Licht
zum ordnungsgemäßen Betrieb.
Die Erfindung ermöglicht
die gleichzeitige optische Transmission durch in Betrieb befindliche optische
Vorrichtungen (anders als die Pumpwellenlängen – eine "Durchsicht"-Eignung) bei allen Wellenlängen. Für eine optimale
Funktionsfähigkeit
der Vorrichtung sollten die Partikel zumindest größer als
ein Streifenabstand sein.