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Diese Erfindung bezieht sich auf
Gitter und ihre Anwendung als Wellenlängenfilter, selektive Polarisatoren
und Absorber. Sie besitzt eine spezielle, aber nicht ausschließlich Anwendung
auf Mikrowellen.
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Während
der letzten wenigen Jahrzehnte ist das Interesse an einer verbesserten Übertragung von
elektromagnetischen Wellen durch periodische Muster aus Metall,
wie z. B. Lochanordnungen und tiefe Anordnungen aus Metall, gewachsen.
Kürzlich ist
dies den Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs)
innerhalb der Hohlräume
derartiger Muster beigemessen worden, die die Übertragung von Strahlung durch
das Muster mit Hohlraumbreiten verursachen, die viel kleiner als
die Wellenlänge
der Strahlung sind.
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Die Untersuchung der Anregung von
SPPs in Metallgittern ist über
ein Jahrhundert ausgeführt
worden. Fast alle derartigen Untersuchungen sind mit relativ flachen
Gittern ausgeführt
worden, die reale Beugungsordnungen erzeugen.
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Die Erfinder haben jedoch festgestellt,
dass dann, wenn die Schrittweite eines Gitters kürzer als die Hälfte der
einfallenden Wellenlänge
und das Gitter sehr tief gemacht wird, die Seiten der Furchen so eng
einander angenähert
werden, dass es möglich ist,
dass die abklingenden Felder der angeregten SPPs auf jeder Seite über den
schmalen Hohlraum in Wechselwirkung treten. Für bestimmte Tiefen bauen die
SPPs stehende Wellen innerhalb des Hohlraums auf, die eine große Feldverstärkung innerhalb
der Furchen verursachen. Das tiefe Gitter nullter Ordnung schafft
eine große
Anzahl derartiger Furchen in der Form einer Stabstruktur, die dann
eine starke Übertragung
der Strahlung mit langer Wellenlänge verursachen,
vorausgesetzt, sie fällt
mit einer zu den Furchenoberflächen
senkrecht polarisierten Komponente des elektrischen Feldes ein.
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Demzufolge umfasst die Erfindung
ein Gitter, das mehrere im Wesentlichen parallele Elemente umfasst,
die eine leitende Oberfläche
mit Tiefe L besitzen, durch einen Spalt mit einer dielektrischen Lage
getrennt sind und eine Schrittweite λg besitzen, wobei
L > 16λg.
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Vorzugsweise sind die Elemente Metallstäbe.
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Die Stäbe können alternativ mit Folie beschichteten
Kunststoff umfassen. Die Spalte können vollständig oder teilweise mit dielektrischem
Material gefüllt
sein.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
sind die Spalte vollständig
oder teilweise mit Flüssigkristall
gefüllt,
dessen Brechungsindex durch geeignetes Anlegen einer Spannung über dem Spalt
gesteuert werden kann. Dies erlaubt ein variables Filter/einen variablen
Polarisator, d. h. ein Filter/einen Polarisator mit selektiver Wellenlänge.
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Vorzugsweise ist der Spalt kleiner
als 1 mm.
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Die Erfinder haben außerdem eine
Anzahl interessanter Effekte und Anwendungen dieses Phänomens festgestellt,
die aus der Beschreibung deutlich werden.
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Der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die folgenden Figuren beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Ansicht eines Gitters gemäß einer Ausfüh rungsform
der Erfindung zeigt.
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2 zeigt
die Durchlässigkeit
von Strahlung durch ein spezielles Gitter gemäß der Erfindung gegen ihre
Wellenlänge.
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3a zeigt
die Durchlässigkeit
der Strahlung durch ein spezielles Gitter gemäß der Erfindung gegen 1/λ.
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3b zeigt
den Wert von 1/λ gegen
die Resonanzzahl für 3a.
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4a und b zeigen die Reflexionsvermögen eines
Gitters, das Aluminiumstäbe
mit einer Dicke von 3 mm, einem Luftspalt von 1 mm und einer Gittertiefe
von 65 mm umfasst.
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5 zeigt
die Durchlässigkeit
eines Gitters, das Aluminiumstäbe
umfasst, wobei die Spalte zwischen den Stäben mit Flüssigkristall gefüllt worden sind.
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1 zeigt
eine Ansicht einer Vorrichtung, die mehrere Aluminiumstäbe mit den
Abmessungen 3 mm Dicke d mal 64,7 mm mal 600 mm Tiefe L umfasst.
Diese wurden vertikal mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Holzrahmens
mit Abständen
oder Spalten zwischen den Stäben
mit einer Dicke g = 0,5 mm gestapelt. Ein kollimierter Strahl aus
Strahlung mit variabler Frequenz fiel auf das Muster in einer Richtung senkrecht
zu den Oberseiten der Aluminiumstäbe ein. Der durchgelassene
Strahl wird durch einen sphärischen
Aluminiumspiegel aufgefangen und auf einen Detektor fokussiert.
In den Experimenten wurde nur TM-polarisierte Strahlung verwendet,
d. h. Strahlung, deren elektrischer Vektor längs der Furchen liegt.
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2 zeigt
die wellenlängenabhängige Durchlässigkeit
für das
Muster mit Luftspalten von 500 Mikrometern. Die Fabry-Perot-Natur
der starken resonanten Durchlässigkeit
ist offensichtlich und selbstverständlich viel höher, als
normalerweise für ein
Muster mit Hohlraumabmessungen erwartet würde, die so viel kleiner als
die Wellenlänge
sind.
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3a zeigt
die Durchlässigkeit
des Musters mit einem Luftspalt von 250 Mikrometern als eine Funktion
von 1/λ. 3b veranschaulicht ihre
Regelmäßigkeit
in diesem Maßstab.
Dies sind die gleichen Resonanzen wie diejenigen, die im 500-Mikrometer-Muster
angeregt wurden, wobei sich ihre Positionen in der Wellenlänge sehr
wenig geändert
haben. Zurückzuführen auf
den kleineren Luftspalt ist jedoch der Koeffizient des Reflexionsvermögens auf
der oberen Oberfläche
vergrößert, dies
verringert die Kopplungsstärke
der Resonanz in den Hohlräumen. Weil
die Positionen der Resonanzen hauptsächlich von der Länge L der
Hohlräume
abhängen
und die Kopplungsstärke
vom Luftspalt abhängt,
ist es folglich möglich,
sowohl die durchgelassenen Wellenlängen als auch die Kopplungsstärke unabhängig zu spezifizieren
und zu optimieren. Die in diesem Muster angeregten Resonanzen sind
von relativ hoher Ordnung, sie besitzen 17 Knoten (Bereiche mit
elektrischem Feld null) innerhalb der Hohlräume bei den oberen Wellenlängen und
12 Knoten bei den unteren. Dies ist außerdem durch das Ändern der
Hohlraumtiefen abstimmbar; es ist in diesem Frequenzbereich in der
Tat möglich,
für eine
Mustertiefe zwischen 3,75 und 5,65 mm die Resonanz erster Ordnung
allein anzuregen.
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4a und b zeigen die Reflexionsvermögen eines
Gitters, das Aluminiumstäbe
mit einer Dicke von 3 mm, einem Luftspalt von 1 mm und einer Gittertiefe
von 65 mm umfasst. Die Reflexionsvermögen sind mit R bezeichnet,
wobei die Anfangs- und Endtiefstellungen die einfallenden bzw. abgelenkten Polarisationen
der Strahlung bezeichnen. P-polarisiert ist TM-polarisiert, d. h.,
Strahlung, deren elektrischer Vektor eine Komponente senkrecht zu
den Gitterfurchen in der Einfallsebene besitzt, während der elektrischer
Vektor der s-polarisierten Strahlung (TE) längs der Gitterfurchen verläuft. ϕ ist
der Azimutalwinkel zwischen dem Vektor der einfallenden Welle und
der Normalen auf den Gitterfurchen in der Ebene des Vektors. θ ist der
Polwinkel, d. h. der Winkel zwischen dem Vektor der einfallenden
Welle und der Normalen der Durchschnittsebene des Gitters in der Einfallsebene.
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Im Allgemeinen sind die Gitter Sender
für Wellenlängen λ mit λ = 2nL/N,
wobei N in eine ganze Zahl ist, n ist der Brechungsindex des Materials
zwischen den Stäben
und L ist die Tiefe der Platten.
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Um Filter mit variablen Wellenlängen zu
erlauben, kann der Raum zwischen den Stäben mit einem Material gefüllt sein,
dessen Brechungsindex geändert
werden kann. Die praktischste Art, dies zu tun, ist die Verwendung
eines Flüssigkristallmaterials.
Dies ist insofern besonders neuartig, als dies niemals für Mikrowellenvorrichtungen
für möglich gehalten
worden ist, da die Abmessungen in der Größenordnung von einigen Millimetern
liegen würden,
wobei bei den gegebenen Kosten dieser LCs dies unerschwinglich teurer
gewesen sein würde.
Vorzugsweise sind die Flüssigkristalle
polymerdispergierte Flüssigkristalle,
die relativ billig und robust sind und in Plattenform erhältlich sind.
Außerdem
kann die leitende Oberfläche
der Stäbe
verwendet werden, um den Brechungsindex des Flüssigkristalls zu steuern, indem
einer Spannung an sie angelegt wird, wobei sie als geladene Platten
wirken, um ein elektrisches Feld über dem Spalt zu erzeugen.
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5 zeigt
die Durchlässigkeit
eines Gitters, das Aluminiumstäbe
umfasst, wobei die Spalte zwischen den Stäben mit einem Flüssigkristall
gefüllt worden
sind, als eine Funktion der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung.
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Es wird ein sehr tiefes Metallgitter
nullter Ordnung gebaut, indem 55 Aluminiumstreifen mit Mylar-Abstandhaltern
an jedem Ende gestapelt werden. Die Abmessungen der Stäbe sind
eine Länge
L = 60,0 mm, eine Breite W = 30,0 mm und eine Dicke DA1 =
1.0 mm. Die Dicke der mylar-beabstandeten Spalte beträgt DLC = 75,0 μm.
Das Tiefe-Schrittweiten-Verhältnis
der Gitter beträgt
etwa 30 : 1, sie sind nullter Ordnung für Wellenlängen über etwa 2 mm. Um die Ausrichtung
des Flüssigkristalls
zu unterstützen,
sind die Aluminiumstäbe
einzeln mit einem Polyimid-Film (AL 1254) auf beiden Seiten beschichtet. Sie
werden dann gebrannt und längs
der kurzen Achsenrichtung der Stäbe
in einer Richtung geschliffen, um eine homogene Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle zu schaffen.
Die Polyimid-Lagen wirken außerdem
als Ionenbarrieren, die verhindern, dass Ionen in die dünnen Flüssigkristallagen
eintreten, wenn ein Feld angelegt ist. Diese behandelten Aluminiumstäbe werden
dann wie in der obigen Anordnung gestapelt und mit einem nematischen
Flüssigkristall (Merck-E7)
kapillar gefüllt.
Abwechselnde Stäbe
werden mit einer Wechselspannungsquelle (1 kHz) verbunden, wobei
dadurch das Anlegen der gleichen Spannung über jedem Spalt ermöglicht wird. 5 zeigt die Durchlässigkeit
dieses Gitters als eine Funktion der Frequenz. Wenn die über den
Spalten angelegte Spannung vergrößert wird,
vergrößert sich
die Durchlässigkeit
durch das Gitter bei bestimmten Frequenzen. Dies zeigt, dass die
spannungsgesteuerte Wellenlängenauswahl
bei Mikrowellenfrequenzen durch die Verwendung von Gittern aus Metallstäben, wobei
die dünnen
Furchen zwischen den Metallstäben
mit einem Flüssigkristall
gefüllt
sind, möglich
ist.
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Die Schrittweite λg, wie
sie in 1 bezeichnet
ist, muss kleiner als die halbe Wellenlänge der interessierenden Strahlung
sein, falls zusätzliche
Beugungsordnungen zu vermeiden sind (diese verringern den Gesamtwirkungsgrad
der Durchlässigkeit), während die
Spalte zwischen den Metalloberflächen kleiner
als ein Viertel der Wellenlänge
sein sollten.
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Vorzugsweise sind die Hohlraumspalte
viel kleiner als die Wellenlänge,
wobei sie so klein wie 1% der Wellenlänge oder weniger sein können.
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Es sollte angemerkt werden, dass
die Wirkung dieses Gitters in einem weiten Spektrum der elektromagnetischen
Strahlung liegt, das in der Wellenlänge von etwa einem Mikrometer
bis zu einigen Metern (bis zu 100 m) variiert. Sie ist außerdem auf längere Wellenlängen anwendbar,
obwohl die Gitterabmessungen untragbar groß werden würden.
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In dem bisher beschriebenen Beispiel
umfasst das Gitter parallele Stäbe,
d. h. kleine dünne
flache Platten. Diese können
auch in Bezug auf die obere Oberfläche, die sie in einer Parallelogrammkonfiguration
bilden, schräg
ausgerichtet sein oder parallele gekrümmte Platten bilden.
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Die Stäbe sind die effizienteste Konfiguration der
Gitterelemente. In bestimmten Anwendungen können jedoch andere Konfigurationen
Vorteile besitzen. Die Elemente können eine 2-dimensionale Matrix
bilden, die z. B. eine Matrix aus quadratischen Stangenelementen
umfasst. Dies würde
Vorteile besitzen, wenn die gewünschten
Wirkungen an einfallender Strahlung erforderlich sind, die eine
gemischte oder unbekannte Polarisationsrichtung besitzen kann.
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Außerdem können die Stäbe und Stangen an einem elektrisch
leitenden Substrat (z. B. einer Metallplatte) angebracht sein, wobei
dies ähnliche
Wirkungen in der Reflexion erzeugt.
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Falls das Material der Abstandhalter
ein wenig verlustbehaftet gemacht wird, ist es möglich, die Mikrowellen in die
Struktur zu koppeln und sie zu absorbieren. Das Gitter kann deshalb
als ein Mikrowellenabsorber verwendet werden, wobei es wellenlängenspezifisch
gemacht werden kann. Wenn derartige Gitter außerdem auf einem Gegenstand
angeordnet und mit Mikrowellen bestrahlt werden, wird sich der Gegenstand
erwärmen.
Das Gitter kann deshalb als ein Erwärmungsmittel verwendet werden.
Außerdem können geeignet
konstruierte Gitter verwendet werden, um andere Wellenlängen zu
absorbieren, wobei sie folglich als Radarabsorber verwendet werden können.