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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung und Verwendung
von optischen Vorrichtungen zur Erzeugung von nicht saumbildender
destruktiver Lichtinterferenz.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Licht
bewegt sich durch den Raum als eine elektromagnetische Welle. Die
Welle kann als eine Reihe von Höhen
und Tiefen angesehen werden, die sich beständig bei einer gegebenen Frequenz
einen gegebenen Weg entlang bewegen. Interferenz tritt auf, wenn
zwei Wellen zur gleichen Zeit den gleichen Abschnitt des Raums durchlaufen.
Interferenz zwischen Wellen kann sowohl konstruktiv als auch destruktiv
sein. Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn sich die Höhen (und
Tiefen) zweier Wellen zur gleichen Zeit treffen und sich überlagern.
Man spricht davon, dass diese Wellen phasengleich sind, und wenn dies
geschieht, verstärkt
sich die Amplitude der Wellen am Überlagerungspunkt.
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Destruktive
Interferenz tritt auf, wenn die Höhen einer Lichtwelle mit den
Tiefen einer zweiten Lichtwelle zusammentreffen und sich diese überlagern.
Wenn die Höhen
mit den Tiefen zusammentreffen, löschen sie sich aus, und man
spricht von einer Welle, bei der sich die Phasen gegenseitig auslöschen. Eine
Welle, bei der sich die Phasen vollkommen gegenseitig auslöschen, weist
keine elektromagnetische Energie auf.
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Sowohl
konstruktive als auch destruktive Lichtinterferenz kann durch einen
Doppelspaltversuch demonstriert werden, wobei Licht von einer einzelnen
Quelle auf einen Schirm fällt,
der zwei eng zusammenliegende Spalte aufweist. Wird ein Beobachtungsschirm
hinter dem ersten Schirm platziert, wird eine Reihe von hellen und
dunklen Linien auf dem Beobachtungsschirm sichtbar. Diese Reihe
von Linien wird als ein Interferenzmuster bezeichnet.
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Die
hellen Linien eines Interferenzmusters sind Bereiche konstruktiver
Interferenz, und die dunklen Linien sind Bereiche destruktiver Interferenz. Das
Muster wird dadurch erzeugt, dass Wellen einer bestimmten Wellenlänge in die
zwei Spalte eintreten. Die Wellen breiten sich in alle Richtungen
aus, nachdem sie durch die Spalte gelaufen sind, um miteinander
zu interferieren. Falls eine Welle von jedem Spalt das Zentrum des
Beobachtungsschirms erreicht, und diese Weilen diesselbe Entfernung
zurücklegen,
bevor sie auf den Schirm auftreffen, so werden sie phasengleich
sein, und es wird ein heller Punkt im Zentrum des Beobachtungsschirms
auftreten, der konstruktive Interferenz anzeigt. Es wird auch destruktive
Interferenz geben an jedem Punkt, an der sich die Wege zweier Lichtstrahlen
um eine Wellenlänge
oder Vielzahlen einer Wellenlänge
unterscheiden. Falls jedoch ein Strahl eine zusätzliche Entfernung von einer halben
Wellenlänge
oder irgendeiner Vielzahl einer halben Wellenlänge zurücklegt, werden die zwei Wellen
genau in entgegengesetzter Phase sein, wenn sie den Schirm erreichen,
und so wird ein dunkler Streifen in dem Interferenzmuster erscheinen,
der destruktive Interferenz anzeigt. Daher erhält man eine Reihe von hellen
und dunklen Linien im Interferenzmuster, die „Säume" genannt werden.
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Der
Doppelspaltversuch ist ein Verfahren zur Herstellung destruktiver
Interferenz. Es wird jedoch nur ein kleiner Teil des Ausgangslichts
ausgelöscht. Ein
anderes Verfahren zur Herstellung destruktiver Interferenz von Licht
wurde durch die Verwendung eines Strahlenteilers, von Spiegeln und
einem Laser erreicht. Diese Art von Vorrichtung wird oft als Interferometer
bezeichnet.
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Ein
Interferometer funktioniert nach folgendem Prinzip. Ein Laser wird
in Verbindung mit einem Strahlenteiler verwendet, um zu bewirken,
dass der Laserstrahl in zwei geteilt wird, wobei ein gewisser Prozentsatz
an Licht einen Weg einschlägt
und ein gewisser Prozentsatz an Licht einen anderen Weg einschlägt. Der
Weg eines der geteilten Strahlen kann durch die Verwendung eines
bewegbaren Spiegels verzögert
werden, so dass der Strahl parallel zum nicht reflektierten Strahl
um variable Weglängen,
die sich um Bruchteile einer Wellenlänge unterscheiden können, zurückreflektiert
werden kann. Der Grad an Auslöschung
hängt von
der „Kohärenzlänge" des Lasers und der
Enge der chromatischen Linie ab. Aus diesen Gründen ist ein Laser von außerordentlich
hoher Qualität
erforderlich, um einen bedeutenden Grad an Auslöschung herzustellen. Kein Laser
stellt jedoch rein monochromatisches Licht her und ein Saum wird
unabhängig
vom Grad der Auslöschung
hergestellt. Um einen vollkommen phasenausgelöschten nicht saumbildenden
kollinearen Strahl zu erzeugen, muß destruktive Interferenz über alle
einfallenden Wellenlängen
und Phasen der gesamten Bandbreite der einfallenden Lichtquelle
auftreten, alle von der Quelle ausgestrahlten Lichtstrahlen müssen parallel
sein, jedes Photon in dem Strahl muß mit einem anderen Photon
von genau derselben Wellenlänge
gepaart sein, und die Weglänge
der Hälfte
der Photonen muss um ein Vielfaches von genau einer halben Wellenlänge hinsichtlich
der Weglänge
ihrer gepaarten Photonenpartner verzögert sein.
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Keine
herkömmliche
Einrichtung kann dieses Ergebnis erzielen. Obwohl ein Paar von halbdurchlässigen Spiegeln
so platziert werden könnte, dass
eine spezifische Wellenlänge
zum Interferieren gebracht werden könnte, kann es nicht für alle Wellenlängen korrekt
sein. Ein strahlenbrechendes Element könnte verwendet werden, um die
Verzögerung einzustellen.
Da dies jedoch lediglich für
einfallende Winkel, die nicht gleich Null sind, funktioniert, würde sich
daraus ergeben, dass jede Wellenlänge entlang nicht parallelen
Wegen verlaufen würde,
deren Winkel nur durch die Spiegel vergrößert werden könnte, so
dass der Strahl niemals einen kollinearen Strahl bilden könnte und
sich individuelle Photonen somit niemals paaren könnten.
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Dementsprechend
ist es ein Ziel der Erfindung, eine hoch effiziente optische Vorrichtung
bereitzustellen, die einen nicht saumbildenden, kollinearen und
phasenausgelöschten
Ausgabestrahl herstellen wird, so dass: (a) destruktive Interferenz
für alle
einfallenden Wellenlängen
und Phasen über
eine Bandbreite von mindestens 1% plus oder minus der Mittelwellenlänge einer
koheränten
Lichtquelle, wie zum Beispiel einem Laser, auftritt; (b) alle Lichtstrahlen
des Ausgabestrahls parallel sind; (c) jedes Photon in dem Ausgabestrahl
mit einem anderen Photon von genau derselben Wellenlänge gepaart
ist; und (d) die Weglängen
der Hälfte
der Photonen um ein Vielfaches von genau einer halben Wellenlänge hinsichtlich
der Weglängen
ihrer gepaarten Photonenpartner verzögert werden. US5071210A bezieht
sich im Allgemeinen auf holographische optische Elemente und insbesondere
auf ein neues Verfahren und Gerät,
bei dem ein transmissions-holographisches optisches Element aus
zwei reflektions-holographischen optischen Elementen, die mit einem
Gelatinekleber dicht beieinander zusammengesetzt sind, konstruiert
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung erzielt das oben beschriebene Ziel und andere Ziele durch
ein in Anspruch 1 definiertes Verfahren.
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Eine
optische Vorrichtung ist bereitgestellt, die aus einem holographischen
Element ("Hologramm") und einem strahlenbrechenden optischen Material
mit einem spezifisch ausgewählten
Brechungsindex besteht. Das Hologramm ist mit einem Beugungsgitter
konstruiert, das einen wellenlängenabhängigen Beugungswinkel
für einen
einfallenden optischen Strahl eines gegebenen Eintrittswinkels induziert.
Der Aufbau des Hologramms und des stahlenbrechenden optischen Materials
ist derart, dass die vom strahlenbrechenden Material induzierte
wellenlängenabhängige Variation
des Brechungswinkels gleich und entgegengesetzt zu der vom Hologramm induzierten
wellenlängenabhängigen Variation
des Beugungswinkels ist, so dass sich die Winkel gegenseitig für jede Wellenlänge des
einfallenden optischen Stahls auslöschen.
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Die
vorher beschriebene optische Vorrichtung ist mit einem zweiten Hologramm
kombiniert, so dass die optische Vorrichtung aus zwei Hologrammen
und einem dazwischenliegenden (strahlenbrechenden) optischen Material
besteht. Beide Hologramme sind mit ähnlichen Beugungsgittern konstruiert,
die denselben wellenlängenabhängigen Beugungswinkel
für einen
einfaltenden optischen Strahl mit einem gegebenen Eintrittswinkel
induzieren, und beide Hologramme sind mit demselben durchschnittlichen
Brechungsindex konstruiert. Jedes Hologramm weist jedoch eine vorherbestimmte
Effizienz auf, die sich von der Effizienz des anderen Hologramms
unterscheidet. Das erste Hologramm ist vorzugsweise etwa 50% effizient
oder halb so effizient wie das zweite Hologramm, und das zweite
Hologramm ist vorzugsweise nahe an 100% effizient.
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Das
erste Hologramm ist durch ein dazwischenliegendes optisches Material
parallel zum und räumlich
getrennt vom zweiten Hologramm positioniert. Das dazwischenliegende
optische Material wird im Wesentlichen von den beiden Hologrammen
eingeschlossen. Das dazwischenliegende optische Material weist einen
spezifisch ausgewählten
Brechungsindex auf, der sich von den durchschnittlichen Brechungsindexen
der Hologramme unterscheidet. Der Brechungswinkel, der vom dazwischenliegenden optischen
Material induziert wird, ist auch wellenlängenabhängig.
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Durch
Festlegen eines bestimmten Brechungsindex für das dazwischenliegende optische Material
kann eine vom dazwischenliegenden optischen Material induzierte
wellenlängenabhängige Variation
des Brechungswinkels gleich und entgegengesetzt zu der vom ersten
Hologramm induzierten wellenlängenabhängigen Variation
des Beugungswinkels gemacht werden, so dass sich die Winkel für jede Wellenlänge eines
einfallenden optischen Strahls mit einem gegebenen Eintrittswinkel
für das erste
Hologramm der optischen Vorrichtung gegenseitig auslöschen.
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Da
das erste Hologramm nahe an 50% effizient ist, werden ungefähr 50% des
einfallenden optischen Strahls ungebeugt durch das Hologramm verlaufen,
und ungefähr
50% des Strahls wird gebeugt werden, so dass zwei Strahlen von dem
ersten Hologramm erzeugt werden. Beide Strahlen werden das dazwischenliegende
optische Material durchlaufen und auf das zweite Hologramm in unterschiedlichen Winkeln
auftreffen. Auf den gebeugten Strahl wird beim Durchlaufen des zweiten
Hologramms lediglich die Änderung
des Brechungsindex einwirken, während
der nicht gebeugte Strahl mit dem Beugungsgitter des zweiten Hologramms
interagieren wird und in einem solchen Winkel gebeugt werden wird,
dass beide Strahlen aus dem zweiten Hologramm parallel zueinander
austreten werden.
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Durch
kleine Einstellungen des zweiten Hologramms, kann verursacht werden,
dass sich die zwei Austrittsstrahlen überlagern und der ursprünglich ungebeugte
Strahl kann vom zweiten Hologramm abgefangen werden, so dass er
einen Weg nimmt, der irgendein Vielfaches von einer halben Wellenlänge unterschiedlich
vom Weg des ursprünglich
gebeugten Strahls ist. Der kombinierte Strahl wird über eine
Bandbreite von mindestens 1% plus oder minus der Mittelwellenlänge des
einfallenden optischen Strahls für
alle einfallenden Wellenlängen und
Phasen phasenausgelöscht
sein.
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Sowohl
die Gesamtverzögerung
des gebeugten Strahls als auch die Gesamteffizienz an Beugung für die Hologramme
kann eingestellt werden, indem man einfach den Einfallswinkel am
ersten Hologramm verändert.
Mit der Änderung
des Einfallswinkels kann ein größerer oder
kleinerer Prozentsatz des einfallenden Lichts ausgelöscht werden.
Der grundlegende Unterschied zwischen diesem Effekt und dem einer
einfachen festgelegten Verzögerung von
einem der Strahlen ist, dass, während
der Winkel des gesamten Elements sich nach dem Ideal ausrichtet,
ein größerer Prozentsatz
des einfallenden Lichts den definierten Weg durchlaufen wird. Das
gesamte Licht, das den definierten Weg durchläuft, wird zu einer vollkommenen
Auslöschung
führen.
Während also
bei einem herkömmlichen
Interferometer eine Reihe von Säumen
gesehen werden, wird die Ausgabe des wie in dieser Erfindung beschriebenen
Elements einen einzelnen Saum oder Strahl mit einem größeren oder
geringeren Prozentsatz an Auslöschung
proportional zur Menge des einfallenden Strahls, der den vorgeschriebenen
Weg nehmen darf, produzieren.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung der vorher beschriebenen
optischen Vorrichtung bereit. Bei der Herstellung der Vorrichtung
werden zwei Laser verwendet, um einen gemischten Strahl kollinearen
Lichts zu erzeugen, der im Wesentlichen aus zwei unterschiedlichen
Wellenlängen
besteht. Der gemischte Strahl wird in einem gegebenen Eintrittswinkel
auf eines der Hologramme gerichtet, so dass zwei Beugungsstrahlen
in unterschiedlichen Winkeln aus dem Hologramm austreten und auf
eine Mehrfachanordnung von Bilddetektoren projizieren, die sich
in einer Entfernung L von der Austrittsseite des Hologramms befindet.
Die Entfernung zwischen den Projektionspunkten der beiden Beugungsstrahlen
wird bei der Anordnung gemessen.
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Ein
dazwischenliegendes optisches Material mit einer langen, L entsprechenden
Dimension und einem gewählten
anfänglichen
Brechungsindex ist zwischen der Mehrfachanordnung von Bilddetektoren
und einem Test-Photopolymer, das denselben durchschnittlichen Brechungsindex
wie das Hologramm aufweist, positioniert, so dass seine lange Dimension
senkrecht zum Testpolymer und der Anordnung ist. Derselbe gemischte
Strahl wird auf das Testpolymer gerichtet, so dass zwei Austrittsstrahlen durch
das dazwischenliegenden optische Material auf die Anordnung projiziert
werden. Der Brechungsindex des dazwischenliegenden optischen Materials wird
dann durch Polymerisation eingestellt. Mit der Änderung des Brechungsindex
des dazwischenliegenden optischen Materials ändert sich die Entfernung zwischen
den Projektionspunkten der gebrochenen Strahlen. Die Polymerisation
des dazwischenliegenden optischen Materials wird an dem Punkt angehalten,
an dem die Verschiebung zwischen den Projektionspunkten der gebrochenen Strahlen
gleich viel misst, wie die Verschiebung zwischen den Projektionspunkten
der Beugungsstrahlen.
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Das
dazwischenliegende optische Material wird dann am ersten Hologramm
gesichert, so dass seine kurze Dimension senkrecht zum Hologramm liegt.
Ein zweites Hologramm, das doppelt so effizient ist wie das erste
Hologramm, wird an der Vorderseite des dazwischenliegenden optischen
Materials gegenüber
dem ersten Hologramm positioniert. Ein einfallender optischer Strahl
mit einem geeigneten Eintrittswinkel wird auf das erste Hologramm
gerichtet, so dass zwei Austrittsstrahlen vom zweiten Hologramm
hergestellt werden. Leichte Dreh- und Seiteneinstellungen des zweiten
Hologramms werden ausgeführt,
bis sich die Strahlen überlagern
und eine maximale Auslöschung
erzielt wird.
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Die
oben beschriebene optische Vorrichtung überwindet die mit Interferometern
zusammenhängenden
Einschränkungen
dadurch, dass sie einen nicht saumbildenden phasenausgelöschten Strahl
für alle
einfallenden Wellenlängen
und Phasen über
eine Bandbreite von mindestens 1% plus oder minus der Mittelwellenlänge einer
kohärenten
Lichtquelle, wie zum Beispiel einem Laser, herstellen kann. Außerdem stellt
die hierin offenbarte Vorrichtung ein einfaches und zuverlässiges Verfahren
zur Schaffung eines phasenausgelöschten
kollinearen Strahls dar, sogar wenn der Quellenlaser relativ geringe
Qualität und
Leistung und eine beschränkte
Kohärenzlänge aufweist.
Die Herstellung einer solchen Vorrichtung erlaubt, dass die Erforschung
der Eigenschaften von phasenausgelöschten kollinearen Strahlen
kostengünstig
vorgenommen werden kann und ist eine Basis für die Erzeugung solcher Strahlen
für andere
wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen.
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Andere
Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der
Spezifikation ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen
betrachtet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein diagrammartiger
Querschnitt eines stark vereinfachten Photopolymer-Hologramms, welches
zum Zweck der Darstellung der potentiellen Interaktion von Licht
mit den unterschiedlichen Brechungsindexen eines Photopolymer-Hologramms, wie
es im Hintergrundabschnitt der folgenden detaillierten Beschreibung
erläutert wird,
bereitgestellt ist;
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2 ist ein Fließdiagramm
eines Verfahrens der Herstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist eine schematische
Perspektivansicht, die das Verfahren veranschaulicht;
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4A und 4B sind diagrammartige Draufsichten,
die das Verfahren veranschaulichen; und
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5 ist ein diagrammartiger
Querschnitt, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zur
Erklärung
wird ein kurzer Hintergrund über
Laser und Hologramme und relevante Terminologie bereitgestellt.
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Der
Ausdruck „Laser" ist eine Abkürzung für „Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung durch
stimulierte Strahlungsemission). Um eine Laserlichtquelle zu schaffen,
wird ein Medium, das eine Verteilung von ähnlichen Atomen in einer festen
oder gasförmigen
transparenten Suspension enthält,
im Allgemeinen erhitzt, oder auf andere Weise erregt, um eine Mehrzahl
von Atomen in einem erregten Zustand, mit Elektronen in hohen Orbits
außerhalb
der „Basis" des Atoms, oder
unerregten Zustand herzustellen. Die Einführung eines Lichtstrahls in
das Medium führt
zu der Absorption und erneuten Emission von Photonen von den erregten
Atomen. Weil sich die Atome in einem Schwellenzustand der Erregung
befinden, verursacht die Einführung
eines Photons, dass das Atom das einfallende Photon zusammen mit
einem zweiten Photon von derselben Wellenlänge und Phase absorbiert und
erneut emittiert. Dieser Vorgang neigt dazu, eine „Kaskade" zu verursachen,
da jedes neu emittierte Photon andere Atome zur Absorption und Emission
stimuliert, wodurch das Licht verstärkt wird. In einer idealen
Welt würde
das aus einem solchen System resultierende Licht kohärent sein,
so dass das gesamte Licht dieselbe Phase hätte und darin monochromatisch
wäre, dass
es aus einer einzigen Wellenlänge bestehen
würde.
In der Praxis jedoch ist die atomare Erregung nicht perfekt und
einige unterschiedliche Energiezustände werden unter Atomen in
der Suspension stimuliert. Dies liefert ein enges Lichtspektrum,
oft in einem von zeitlichen Abständen
gekennzeichneten Rhythmus, als „Modenspringen" bekannt, da sich
eine Mehrzahl der Photonen sich von einer Wellenlänge zur
nächsten
verschiebt. Aus verschiedenen Gründen
ist der Brechungsindex des stimulierten Mediums oft veränderlich,
und die thermale Erregung neigt dazu zu verursachen, dass die Phase
mit der Zeit wandert. Die in die Geschwindigkeit des Lichts gegliederte
Zeitperiode solchen Wanderns definiert die Kohärenzlänge eines Laserstrahls. Diese kann
je nach Laserart zwischen ein paar Mikronen bis zu vielen Metern
variieren.
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Hologramme
und ihr Produktionsverfahren sind im Fach wohl bekannt. Ein Hologramm
ist im Wesentlichen ein Beugungsgitter. Ein Beugungsgitter wird
geschaffen, wenn das Photopolymer mit einem Referenzstrahl mit dem
Winkel A und einem einfallenden Strahl mit dem Winkel B bestrahlt
wird. Das Beugungsgitter, das durch den Durchgang von Licht in verschiedenen
Winkeln geschaffen wurde, neigt dazu, sich als eine gegenseitig
interaktive dreidimensionale Vergitterung zu bilden, die das gewünschte „Saum-Muster" nur bei einem bestimmten
einfallenden Winkel des Wiedergabestrahls darstellt. Licht, das
in das Hologramm mit demselben Winkel wie der Wiedergabe- oder Referenzstrahl
eintritt, wird mit den differentiellen Brechungsindexen des Beugungsgitters
interagieren und in einem neuen wellenlängenabhängigen Winkel gebrochen werden.
Jeder andere Winkel wird dazu neigen, die differentiellen Brechungsindexe
des Beugungsgitters zu verfehlen und stattdessen mit der Summe der
Brechungsindexe des Hologramms interagieren, so als ob das Hologramm
in der Tat einen einzigen durchschnittlichen Brechungsindex aufweisen
würde. 1 zeigt den Effekt: man
bemerke, dass Wege a1 und a2 durch mehr oder weniger gleiche Mengen
an niedrigem (L) Brechungsindex und hohem (H) Brechungsindex verlaufen,
wobei bei einem bestimmten Grenzwinkel die Wege b1 und b2 durch
differentielle Brechungsindexe führen.
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Die
Effizienz eines Photopolymerhologramms wird gemessen, indem man
das einfallende und nicht interagierte Licht mit dem Licht vergleicht, das
durch Beugung in die erwünschte
Richtung des holographischen optischen Elements übertragen wird. Das Ausmaß, in dem
Licht gebrochen wird, hängt
davon ab, wie extensiv das Beugungsgitter vorhanden ist. Der Grad,
in dem das Beugungsgitter vorhanden ist, hängt von dem Ausmaß ab, in
dem die Polymerisation und Vernetzung des holographischen Photopolymers
erlaubt wird fortschreiten dürfen.
Polymerisation und Vernetzung des Photopolymers tritt auf, wenn
das Photopolymer der Lichtquelle ausgesetzt wird, die verwendet
wurde, um das Beugungsgitter zu schaffen, und während der nachfolgenden Bestrahlung
mit ultraviolettem Licht und Thermohärten. Durch Steuern des Ausmaßes an Polymerisation und
Vernetzung kann man den Grad, in dem das Beugungsgitter vorhanden
ist, und somit die Effizienz des Hologramms steuern. Die Effizienz
von Hologrammen, die aus auf Metall basierenden Emulsionen, wie
zum Beispiel Silberhalogenid, gefertigt sind, kann variiert werden,
indem die Korngröße der Emulsion
variiert wird.
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Das
Phänomen
holografischer Effizienz wird in der beschriebenen Vorrichtung verwendet,
um den Prozentsatz an Licht zu verändern, der gezwungen wird,
den phasenauslöschenden
Weg zu nehmen, da nur das Licht, das durch die differentiellen Brechungsindexe
verläuft,
zu einem Interferenzmuster führt
und somit zu einem gebrochenen Weg führt. In der Praxis sind die
H- und L-Abschnitte des Hologramms aufgrund der unvollständigen Polymerisation
weniger gut definiert, und so ist die Effizienz sogar bei einem
idealen Winkel reduziert, wie oben in der Erläuterung zur Polymerisation
beschrieben.
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Für ein volles
Verständnis
der Erfindung sind auch das Phänomen
und die Eigenschaften von Brechung grundlegend. Wenn ein Lichtstrahl
durch zwei optische Medien mit unterschiedlichen Brechungsindexen
verläuft
und wenn der Lichtstrahl in irgendeinem anderen Winkel als senkrecht
(normal) zu der Grenzfläche
zwischen den optischen Medien ist, wird er eine Veränderung
im Winkel erfahren und spitzer werden, wenn der Übergang von einem niedrigeren zu
einem höheren
Index stattfindet, und stumpfer werden, wenn der Übergang
von einem höheren
zu einem niedrigeren Index stattfindet. Dieses Phänomen ist
einfach zu verstehen, wenn man daran denkt, dass je höher der
Brechungsindex eines Mediums ist, desto langsamer bewegt sich das
Licht durch dieses Medium. Wenn daher ein Lichtstrahl in ein Medium mit
höherem
Brechungsindex in einem Winkel eintritt, wird der Lichtstrahl verlangsamt
und so in Richtung der verlangsamten Seite gebogen. Der Biegungswinkel
hängt vom
Unterschied der Brechungsindexe zweier optischer Medien und der
Wellenlänge
des einfallenden Strahls ab.
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Läuft ein
Lichtstrahl durch dazwischenliegendes optisches Material mit einem
unterschiedlichen Brechungsindex im Vergleich zum Brechungsindex
des Mediums, in dem sich der Strahl fortbewegt (ein Beispiel wäre Licht,
das durch ein Fenster fällt), dann
ist die Veränderung des
Brechungsindex beim Eintritt in das und Austritt aus dem dazwischenliegenden
optischen Material gleich und entgegengesetzt, so dass, wenn der
Strahl in das dazwischenliegende optische Material eintritt, sich
der Strahl in eine Richtung biegt, und wenn der Strahl aus dem dazwischenliegenden
optischen Material austritt, sich der Strahl im gleichen Ausmaß zurück in die
entgegengesetzte Richtung biegt, so dass der Eintrittsstrahl und der
Austrittsstrahl parallel sein werden. Jedoch wird sich der Punkt,
an dem der Strahl aus dem dazwischenliegenen optischen Material
austritt, im Vergleich zu dem Punkt, an dem der Strahl ausgetreten wäre, seitlich
verschieben, falls der ursprüngliche Eintrittsstrahl
das dazwischenliegende optische Material ungebrochen durchlaufen
hätte.
Die Menge an Seitenverschiebung hängt von der Winkelverschiebung
im dazwischenliegenden optischen Material und der Entfernung zwischen
dem Eintritt und dem Austritt ab.
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In
dieser Erfindung ist die Effizienz eines zweiten Hologramms so nahe
wie möglich
bei 100% festgelegt, und die Effizienz eines ersten Hologramms ist
auf die Hälfte
des zweiten Hologramms, nahe bei 50% festgelegt. Wenn ein kohärenter Lichtstrahl
mit einem gegebenen Eintrittswinkel in das erste Hologramm eintritt,
werden ungefähr
50% des Strahls lediglich von der Veränderung des Brechungsindex
betroffen das erste Hologramm durchlaufen, und ungefähr 50% des
Strahls wird gebeugt werden. Während
beide Strahlen in das dazwischenliegende optische Material eintreten,
erfahren sie eine erneute Veränderung
des Brechungsindex, was für
jeden Strahl eine wellenlängenabhängige Veränderung
des Winkels induziert. Es wird ein Brechungsindex für das dazwischenliegende
optische Material gewählt,
der eine wellenlängenabhängige Veränderung
des Brechungswinkels induziert, die gleich und entgegengesetzt zu
der wellenlängenabhängigen Veränderung
des von ersten Hologramm induzierten Beugungswinkels ist, so dass
die Winkel sich gegenseitig für
jede Wellenlänge
des gebeugten Strahls auslöschen.
Somit ist der Winkelweg des Beugungsstrahls durch das dazwischenliegende
optische Material im Wesentlichen entgegengesetzt zu seinem Austrittswinkelweg
aus dem ersten Hologramm.
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Tritt
der Beugungsstrahl aus dem dazwischenliegenden optischen Material
aus und in das zweite Hologramm ein, so ist die Veränderung
des Brechungsindex gleich und entgegengesetzt der Veränderung
des Brechungsindex, die auftrat, als der Beugungsstrahl das erste
Hologramm verließ und
in das dazwischenliegende optische Medium eintrat. Dies muss so
sein, da die durchschnittlichen Brechungsindexe der zwei Hologramme
die gleichen sind. Somit wird der Beugungsstrahl vom zweiten Hologramm
gebrochen, so dass sein Ausgangswinkel vom zweiten Hologramm parallel
zu seinem Ausgangswinkel von ersten Hologramm (dem ursprünglichen
Beugungswinkel) sein wird. Man bemerke, dass der Beugungsstrahl
einen unzureichenden Eintrittswinkel hinsichtlich des Beugungsgitters
des zweiten Hologramms haben würde,
und das zweite Hologramm lediglich von der Veränderung des Brechungsindex
betroffen durchlaufen würde.
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Der
ungebeugte Strahl, der aus dem ersten Hologramm austritt, durchläuft sowohl
das erste Hologramm als auch das dazwischenliegende optische Material
und in das zweite Hologramm hinein und ist dabei lediglich von der
Veränderung
des Brechungsindex betroffen. Deswegen tritt der ungebeugte Strahl
auf einem Weg, der seitlich verschoben ist, jedoch ansonsten parallel
zu dem Weg ist, den er hatte, als er in das erste Hologramm eintrat,
aus dem dazwischenliegenden optischen Material aus und in das Beugungsgitter
des zweiten Hologramms ein. Somit wird der ungebeugte Strahl den
korrekten Eintrittswinkel haben, um mit den differentiellen Brechungsindexen
des Beugungsgitters des zweiten Hologramms zu interagieren. Da das
zweite Hologramm nahe bei 100% effizient ist, wird fast der gesamte
ungebeugte Strahl gebeugt werden und somit aus dem zweiten Hologramm
parallel zu dem ursprünglich
gebeugten Strahl austreten.
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Durch
leichte Bewegungen des zweiten Hologramms kann man erreichen, dass
die zwei Austrittsstrahlen sich über
einen großen
Abschnitt ihres Strahlendurchmessers überlagern und der ursprünglich ungebeugte
Strahl kann vom zweiten Hologramm abgefangen werden, so dass er
einen Weg nimmt, der sich um irgendein Vielfaches einer halben Wellenlänge von
dem vom ursprünglich
gebeugten Strahl genommenen Weg unterscheidet. Der sich daraus ergebende
kombinierte Strahl wird für
alle Wellenlängen
und Phasen über
eine Bandbreite von mindestens 1% plus oder minus der Quellenmittelwellenlänge des
einfallenden optischen Strahls phasenausgelöscht sein.
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Das
erste und zweite Hologramm sind wie im Folgenden beschrieben konstruiert.
Die Abfolge von Arbeitsschritten ist im Fließdiagramm in 2 zusammengefasst.
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Das
Beugungsgitter des ersten Hologramms wird geschaffen, indem man
eine holographische Platte oder einen holographischen Film mit einem Referenzstrahl
mit dem Winkel A und einem einfallenden Strahl mit dem Winkel B
bestrahlt. In der Prototyp-Erfindung wird ein Argon-Ionenlaser als
Lichtquelle verwendet, jedoch können
unterschiedliche Laser, je nach den Charakteristiken des verwendeten holographischen
Films, verwendet werden.
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Der
Laser wird auf eine optische Laborbank montiert und ein Strahlenteiler
und Spiegel werden verwendet, um zu verursachen, dass der Laserstrahl geteilt
wird und als ein Referenzstrahl und ein einfallender Strahl mit
den korrekten Winkeln auf die holographische Platte projiziert wird.
Im Fall des Prototyps war der Winkel des Referenzstrahls ungefähr 30 Grad
von der Senkrechte zum Hologramm entfernt und der einfallende Strahl
war ungefähr
2–3 Grad
von der Senkrechte entfernt. Diese Winkel können variiert werden, solange
keiner der Strahlen genau senkrecht zum Hologramm ist oder so nahe
daran, mit der Ebene des Hologramms horizontal zu sein, dass die Strahlen
nicht mit dem Hologramm interagieren können, um ein Beugungsgitter
zu bilden.
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Die
Effizienz des ersten Hologramms ist nahe bei 50% festgelegt, vorzugsweise
durch Steuerung der Bestrahlung des Polymers, um die Polymerisation
um diese Menge zu beschränken,
oder im Fall eines Silberhalogenidhologramms durch die Reduzierung
des Kontrasts auf die Hälfte
des Erreichbaren. Durch das Messen des Intensitätsunterschieds zwischen den
Ausgabestrahlen und den Eingabestrahlen mit einem Bilddetektor kann
man den Punkt bestimmen, an dem die gewünschte Effizienz erreicht ist.
Das zweite Hologramm wird produziert, indem man denselben Referenzstrahl
und einfallenden Strahl mit denselben Winkeln verwendet, jedoch
mit einer Effizienz, die so nahe bei 100% liegt, wie es praktisch
erscheint, oder bis zu der mit einem Silberhalogenidhologramm erreichbaren
Beschränkung. Moderne
Photopolymere erlauben typischerweise eine Effizienz von bis zu
97%, sobald eine Reihe von sich wiederholenden Bestrahlungstests
und Thermohärtetests
abgeschlossen worden sind. Die Erfahrung zeigt, dass ein konsistentes
Bestrahlen und Aushärten
für einen
bestimmten Photopolymer von einem Posten eines bestimmten Herstellers
nach ein paar Wiederholungen für
jegliche gewählte
Polymerisationseffizienz und somit für jegliche gewählte holographische
Beugungseffizienz bestimmt werden kann.
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Da
die Konsistenz der Produktion von Photopolymeren noch nicht ideal
ist, ist die Berechnung von resultierenden Beugungs- und Brechungsverhältnissen
des Hologramms unmöglich,
wodurch die Vorherbestimmung eines spezifischen Brechungsindex für das dazwischenliegende
optische Material gegenwärtig
unmöglich
ist. Die Lösung
des Problems ist, die Thermohärteeigenschaften
eines Photopolymers, wie unten beschrieben, zu nutzen.
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Mit
Bezug auf 3 und 4A ist ein Paar von Lasern
mit einem Wellenlängenunterschied
von einigen Nanometern eingerichtet, um einem Strahlenteiler 14 die
Strahlen 10 und 12 bereitzustellen, und so einen
einzelnen kollinearen gemischten Strahl 16 durch einen
Ofen (nicht gezeigt) herzustellen und von dort auf einen Schirm
zu projizieren, oder vorzugsweise auf eine Mehrfachanordnung von
Detektoren 18. Das Hologramm 2, das 100% effizient ist,
wird in dem Weg des Strahls 16 an einem Punkt X platziert,
so dass der Strahl 16 in dem Bezugswinkel α auf das
Hologramm 2 auftrifft. Da der einfallende Strahl 16 im
Wesentlichen aus zwei unterschiedlichen Wellenlängen an Licht zusammengesetzt
ist und der Beugungswinkel für
ein gegebenes Hologramm wellenlängenabhängig ist,
werden zwei Austrittsstrahlen (20 und 22) vom
Hologramm 2 hergestellt werden. Die Wellenlänge des
Lichts in einem Strahl wird kürzer
als die Wellenlänge
des Lichts im anderen Strahl sein, und beide Strahlen werden auf die
Mehrfachanordnung von Detektoren 18 als zwei Projektionspunkte 24 und 26 projiziert.
Der Unterschied zwischen den Zentren der beiden Projektionspunkte 24 und 26 wird
bei Punkt Y von der Mehrfachanordnung von Bilddetektoren gemessen
und aufgezeichnet.
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Das
Hologramm 2 wird entfernt und bei X mit einem Testphotopolymer 28 (4B) ersetzt, das mit derselben
Energie in Joules an inkohärentem
Licht bestrahlt wurde, wie das Hologramm 1 mit kohärentem Licht
bestrahlt wurde, so dass der durchschnittliche Brechungsindex des
Testphotopolymers 28 gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex
des Hologramms 1 ist. Ein dazwischenliegendes optisches
Material in der Form eines ungehärteten
Photopolymers 30 wird zwischen dem Testphotopolymer 28 und
der Mehrfachanordnung von Detektoren 18 platziert. Das
Differential zwischen dem Brechungsindex des Hologramms 2 oder
Testphotopolymers 28 und dem Brechungsindex des dazwischenliegenden optischen
Materials 30 wird den Brechungswinkel für eine gegeben Wellenlänge an der
Grenzfläche
zwischen dem ersten Hologramm 1 und dem dazwischenliegenden
optischen Material 30 (Grenzfläche 32 in 5) definieren, und es ist
die Abhängigkeit dieses
Winkels von der Wellenlänge,
die diese Einrichtung definieren soll.
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Der
Brechungsindex des dazwischenliegenden optischen Materials 30 wird
durch die Struktur und Dichte des Photopolymers bestimmt, das verwendet
wird, um das dazwischenliegende optische Material 30 zu
fertigen. Die Struktur und Dichte dieses Photopolymers können abhängig von
der Menge an Licht, mit dem das Photopolymer und sein aktivierender
Farbstoff bestrahlt werden, und auch von der nachfolgenden Vernetzung,
die durch das Aussetzen an erhöhte
Temperaturen induziert wird, variiert werden. Durch Bestrahlen des
Photopolymers mit einer geeigneten Menge an Licht und anschließendem Beobachten
des Brechungsindex während
des Härtens bei
erhöhten
Temperaturen (Vernetzung) kann ein spezifischer Brechungsindex erreicht
werden.
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Der
tatsächliche
Brechungsindex wird sich langsam proportional zu der Zeit und Temperatur ändern. Er
kann bei einem bestimmten Wert eingefroren werden, indem die Temperatur
unter eine kritische Temperatur gesenkt wird, bei der Vernetzung
für ein
gegebenes Photopolymer auftritt. Der Vorgang wird erschwert durch
die Tatsache, dass sich der Brechungsindex nur in eine Richtung
verändert
und durch die Tatsache, dass der Härtevorgang nicht unmittelbar
angehalten werden kann. Man kann jedoch mit einer Probe desselben
Photopolymers experimentieren, und indem man sorgfältig die
Veränderung
des Winkels, nachdem die Temperatur unter den Härtepunkt gesenkt wurde, beobachtet,
kann man leicht sehen, um wieviel die Härtetemperatur im voraus vor
Erhalten des gewünschten
Winkels auf die kritische Temperatur gesenkt werden muss. Die kritische
Temperatur des Photopolymers wird die maximale Funktionstemperatur
des vollendeten Elements darstellen, da das weitere Aussetzen an
erhöhte
Temperaturen dazu führen
wird, dass sich der Brechungsindex von dem gewünschten, durch den oben beschriebenen
Vorgang von Polymerisation und Vernetzung vorher eingerichteten
Brechungsindex weg verändert.
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Fast
jedes Photopolymer mit einem ausreichenden Bereich an Brechungsindex
kann verwendet werden, um das dazwischenliegende optische Material
herzustellen, einschließlich
desselben Photopolymers, das für
die Herstellung der Hologramme verwendet wurde. Alles, was von ihm
verlangt wird, ist, dass es auf einen mittleren Brechungsindex gehärtet werden
kann, der sich von dem durchschnittlichen Brechungsindex des Hologramms
unterscheidet, und dass es homotropisch ist darin, dass die Geschwindigkeit
von Licht in dem Material in alle Richtungen die gleiche ist. Kostengünstige Photopolymere,
wie Ultraviolett-Härtezemente
von der Loktite Corporation, wurden für diesen Zweck verwendet. Allgemeines
farbstoffaktiviertes Photopolymer ist auch ein geeignetes Material
und ist von verschiedenen Quellen erhältlich. Die Formulierung kann
aus verschiedenen zu diesem Thema veröffentlichten Dokumenten bestimmt
werden.
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Der
anfängliche
Brechungsindex des Photopolymers, der für das dazwischenliegende optische Material 30 verwendet
werden soll, wird abhängig von
der Veränderung
des Brechungsindexes, der notwendig ist, um den gebeugten Ausgangsstrahl
in die gewünschte
Richtung zu biegen, höher
oder niedriger als der durchschnittliche Brechungsindex des Hologramms 1 gemacht.
Es ist lediglich wichtig, dass ein anfänglicher Brechungsindex für das dazwischenliegende
optische Material 30 gewählt wird, so dass die Änderung
in der Brechung zwischen dem ersten Hologramm 1 und dem
dazwischenliegenden optischen Material 30 verursachen wird,
dass der Austrittsstrahl des Hologramms 1 sich entgegengesetzt
zu seinem Ablenkungsweg zurück
biegt, wenn er das dazwischenliegende optische Material durchläuft. Da
der Beugungswinkel für
das Hologramm 1 bekannt ist, kann ein Photopolymer gewählt werden, das
einen notwendigerweise höheren
oder niedrigeren anfänglichen
Brechungsindex aufweist. Das für das
dazwischenliegende optische Material 30 zu verwendende
Photopolymer wurde typischerweise mit ausreichendem ultraviolettem
Licht behandelt, dass das Photopolymer in einen Feststoff verwandelt
wird, der einen anfänglichen
Brechungsindex, wie vorher beschrieben, aufweist.
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Die
Produktion des dazwischenliegenden optischen Materials 30 erfolgt
folgendermaßen:
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Wieder
mit Bezug auf 3 und 4 wird das Hologramm 2 bei
Position X entfernt und mit dem Testphotopolymer 28 ersetzt.
Ein für
das dazwischenliegende optische Material 30 zu verwendendes
Photopolymer wird vorbereitet, so dass es eine lange Dimension L
und eine enge Dimension M aufweist. Die Dimension L wird der Entfernung
X-Y in 3 und 4 angeglichen. Die Entfernung
X-Y gleicht der Entfernung zwischen dem Testphotopolymer 28 und
der Mehrfachanordnung von Detektoren 18 und ist die gleiche
wie die Entfernung zwischen dem Hologramm 1 und der Mehrfachanordnung
von Detektoren 18. Im Prototyp wurde ein 6 cm langes und
0,3 mm breites Photopolymer verwendet, um das dazwischenliegende
optische Material 30 herzustellen. Wie jedoch später noch
erklärt
werden wird, sind Überlegungen
hinsichtlich der Handhabung und Konstruktion die Hauptkriterien
für die
tätsächliche
Größe der Dimensionen
M und L.
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Ein
Ende des Photopolymers 30 wird mit der Mehrfachanordnung
von Detektoren in Kontakt gebracht, und das andere Ende wird bei
Punkt X (4B) gegen das
Testphotopolymer 28 platziert, so dass die Dimension L
des Photopolymers 30 senkrecht zu der Mehrfachanordnung
von Detektoren 18 ist.
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Wird
das Laserpaar erregt, so wird ein kollinearer Strahl 16 durch
das Testphotopolymer 28 und Photopolymer 30 in
den Ofen projiziert. An der Austrittsseite des Photopolymers 30 werden
die kürzeren Wellenlängen der
beiden Laser relativ zu den längeren
Wellenlängen
seitlich verschoben, so dass zwei Strahlen 20 und 22 aus
dem Photopolymer 30 austreten und als zwei Projektionspunkte 24 und 26 (4B) auf der Mehrfachanordnung
an Detektoren 18 auftreffen. Indem man das Photopolymer 30 mit seiner
größeren Dimension
L senkrecht zu der Anordnung 18 platziert, kann eine leichter
zu messende Verschiebung der Projektionspunkte der beiden Strahlen
bei Y gemacht werden, als es der Fall sein würde, wenn die Dimension XY
an die Dimension M angeglichen werden würde, welches die Funktionsdimension
von Photopolymer 30 wäre.
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Anfänglich wird
ultraviolettes Licht verwendet, um das Photopolymer 30 zu
härten.
Während das
Photopolymer 30 gehärtet
wird, kann die progressive Veränderung
im Unterschied zwischen den Zentren der Projektionspunkte 24, 26 der
beiden Strahlen 20 und 22 an der Mehrfachanordnung
von Detektoren 18 gemessen werden. Anfänglich werden die Projektionspunkte 24, 26 nahe
beieinander liegen. Mit Beginn des Härtungsvorgangs werden die Projektionspunkte 24, 26 beginnen,
sich voneinander auszubreiten. Beginnt die Entfernung zwischen den Projektionspunkten 24, 26 sich
der gewünschten Ausbreitung
zu nähern,
wird das ultraviolette Licht ausgeschaltet und der Ofen, der auf
die vom Hersteller des Photopolymers empfohlene Härtetemperatur eingestellt wurde,
wird ausgeschaltet. Wie vorher bereits erwähnt kann der Härtevorgang
nicht unmittelbar angehalten werden. Deswegen wird der Ofen lange
genug im Voraus ausgeschalten, so dass, wenn der Härtevorgang
schließlich
zum Halten kommt, die Zentren der Projektionspunkte 24, 26 genau
dieselbe Entfernung messen werden, wie die zwischen den Zentren
der vom ersten Hologramm 1 hergestellten Projektionspunkte
gemessene, und somit der Brechungsindex des Photopolymers 30 eingerichtet wird.
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An
diesem Punkt wird die lineare Verschiebung der Projektionspunkte 24, 26 der
beiden Strahlen 20, 22, die aufgrund der Änderung
des Brechungsindex zwischen dem Testphotopolymer 28 und
Photopolymer 30 winkelverschoben wurden, an die lineare
Verschiebung angeglichen, die durch die gleiche, jedoch entgegengesetze
Winkelverschiebung der Strahlen 20, 22, die durch
das Hologramm 1, wie vorher gemessen, gebeugt wurden, verursacht wurde.
Somit wird in der vollendeten optischen Vorrichtung die Veränderung
im Brechungsindex zwischen dem ersten Hologramm 1 und dem
dazwischenliegenden optischen Material 30 so sein, dass die
vom brechenden Material 30 induzierte wellenlängenabhängige Variation
des Brechungswinkels gleich und entgegengesetzt der wellenlängenabhängigen Variation
des vom ersten Hologramm 1 induzierten Beugungswinkels
ist, so dass die Winkel sich gegenseitig für jede Wellenlänge des
einfallenden optischen Strahls auslöschen.
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Der
Aufbau aus 5 kann nun
erfolgen.
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Das
dazwischenliegende optische Material (Photopolymer 30)
wird mit der Dimension M zwischen die beiden Hologramme 1 und 2 eingefügt. Das
Hologramm 1, das 50% effizient ist, wird in seiner Ausrichtung
hinsichtlich dem dazwischenliegenden optischen Material stabilisiert.
Ein Laserstrahl B, der den korrekten Eintrittswinkel aufweist, um
mit den differentiellen Brechungsindexen des Beugungsgitters des
Hologramms zu interagieren, wird auf das stabilisierte Hologramm 1 gerichtet,
so dass zwei Ausgabestrahlen, p1 und p2 in 5, von der optischen Vorrichtung hergestellt
werden. Die Referenznummer 34 zeigt die holographische
Ablenkung an. Beide Strahlen treten aus dem dazwischenliegenden optischen
Material 30 in unterschiedlichen Winkeln aus. Der Strahl
p1 stellt den gebeugten Strahl dar.
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Ein
kleiner Tupfer UV-Härtezements
wird auf entweder die freiliegende Fläche des dazwischenliegenden
optischen Materials 30 oder das zweite Hologramm 2 angewandt.
Während
das zweite Hologramm 2 nach oben gegen das dazwischenliegende optische
Material 30 geschoben wird, wird es um die Achse der austretenden
Strahlen geschwenkt, bis sich die Strahlen p1 und p2 als ein einzelner
Punkt auf einem Ziel, wie zum Beispiel Mattglass oder einem CCD,
aufreihen. Dann wird das zweite Hologramm 2 seitlich eingestellt.
Während
das zweite Hologramm 2 seitlich bewegt wird (senkrecht
zur Dimension M), wird man sehen, dass der Strahl zwischen hell
und dunkel moduliert. Bei genauerer Untersuchung des Punktes kann
man sehen, dass sich die zwei Strahlen p1 und p2 als zwei Kreise
auf dem Ziel überlagern.
Dies kann erleichtert werden, indem man den Strahlenprojektionspunkt
mit einer Linse vergrößert (wobei
man die üblichen
Vorkehrungen zum Schutz der Augen trifft), oder das CCD an einen Monitor
anschließt.
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Der
erwünschte
Zustand ist, sowohl maximale Überlagerung
der Strahlen p1 und p2 und gleichzeitig maximale Auslöschung zu
erreichen. Der Strahl p2, der vom zweiten Hologramm 2 gebeugt wird,
neigt dazu, eine etwas härtere
Kante als Strahl p1 aufzuweisen. Dies macht es leichter, die Überlagerung
auszurichten, da in der Praxis der Strahl p1 einen leichten Lichthof
oder eine leichte „Korona" um den Strahl p2
bildet, wodurch es leicht wird zu sehen, wann die Strahlen ideal
ausgerichtet sind und maximale Auslöschung (destruktive Interferenz)
erreicht worden ist. Diese Einstellung ist möglich, da die Durchmesser der
Strahlen hinsichtlich der Wellenlänge groß sind, und durch das seitliche
Einstellen des Hologramms kann der Abschnitt des Strahls p2, der einen
Weg nimmt, der ein Vielfaches von einer halben Wellenlänge länger als
der Strahl p1 ist, abgefangen werden. Das Differential, das zwischen
den beiden Strahlenwegen erforderlich ist, tritt viele Male innerhalb
des Durchmessers der kombinierten Strahlen auf, so dass das zweite
Hologramm über
mehrere destruktive Höhen
eingestellt werden kann, bis die beste Position gewählt wurde.
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Sobald
der Betreiber überzeugt
ist, dass ein optimaler Zustand erreicht worden ist, wird die gesamte
Vorrichtung ultraviolettem Licht ausgesetzt, um den Zement zu härten. Verschiedene
Hersteller fertigen solchen Zement und das ideale Härteaussetzen
wird das sein, das vom Hersteller des verwendeten Zements empfohlen
wird.
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Der
Unterschied zwischen mehreren Höhenauslöschungen
was die Strahlenüberlagerung
betrifft ist gering, und so wird die Gesamtleistung der Vorrichtung
nur um ein paar Bruchteile eines Prozenzts vom Optimum variieren,
sogar wenn die Vorrichtung was die Strahlenüberlagerung betrifft ziemlich
stark verstellt ist. Außerdem
wird, sogar wenn der Auslöschungspunkt
nicht perfekt ist, eine kleine Einstellung des Eintrittswinkels
des Wiedergabestrahls dies zu einem gewissen Maß korrigieren. Für maximale Effizienz
sollte die Positonierung des zweiten Hologramms 2 sorgfältig durchgeführt werden.
Zum Beispiel ist es natürlich
wichtig, wenn die Vorrichtung als die Öffnung für einen räumlichen Filter in einem leistungsstarken
Lasersystem verwendet werden soll, dafür zu sorgen, dass so wenig
Energie wie möglich an
dem Aufbau vorbeigeht oder davon absorbiert wird.
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Die
Einstellung des zweiten Hologramms 2 kann durch einen Mikromanipulator
erreicht werden, wie er für
die Einstellung eines Objekttisches verwendet werden würde. Ein
alternatives Verfahren ist die Verwendung eines piezoelektrischen
Wandlers als eine Komponente einer auf geeignete Weise konstruierten
Vorrichtung. Ein piezoelektrischer Wandler ändert die Dimension proportional
zu einem elektrischen Feld. Die Hologramme 1 und 2 und
das dazwischenliegende optische Material 30 können mittels einer
Klemme als eine Alternative zu UV-Härtezement permanent am Platz
gehalten werden.
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Wegen
des Verhältnisses
zwischen den Hologrammen 1 und 2 und dem dazwischenliegenden optischen
Material 30 ist es nun möglich, die einfallende Wellenlänge um bis
zu 2% zu variieren, während
man eine perfekte temporäre
Auslöschung
des Strahls noch beibehalten kann. Die tatsächliche Intensitätsauslöschung ist
weniger als perfekt, da die Effizienzen von holographischer Polymerisation
oder Halogenidkontrast niemals perfekt sind.
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Die
Fähigkeit
der Vorrichtung, eine breite Bandbreite an einfallendem Licht auszulöschen wird unten
mit Bezug auf 5 beschrieben.
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Die
Wellenlänge
des einfallenden Lichts ändert
die Dimension dx so, dass je länger
die Wellenlänge
desto größer dx.
Somit sind die Weglänge
von p1 und die Weglänge
von p2 wellenlängenabhängig. Indem
man den mittleren Wert von dx definiert, ist es möglich, den
Unterschied zwischen Weg p1 und Weg p2 als ein ganzzahliges Vielfaches
einer halben Wellenlänge
für die
mittlere Wellenlänge
des Lasers festzusetzen. Ist dieses Vielfache ungerade, d. h. 1,
3, 5, 7 usw., dann werden sich die Strahlen p1 und p2 auslöschen. Da
außerdem
das Differential von p1 und p2 durch dx definiert wird, welches
wellenlängenabhängig ist,
kann gesehen werden, dass die Verzögerung von p2 so festgelegt
werden kann, dass sie konsistent gleich einer halben Wellenlänge über jeglicher Wellenlänge, die
mit der optischen Vorrichtung interagiert, und innerhalb eines Bereichs
ist, so dass dx den Durchmesser der Strahlen p1 und p2 nicht übersteigt.
Das Definieren des mittleren Wertes von dx und Festsetzen des Unterschieds
zwischen Weg p1 und Weg p2 als ein ganzzahliges Vielfaches von einer
halben Wellenlänge
für die
mittlere Wellenlänge des
Lasers wird erreicht, indem man einfach kleine Einstellungen des
zweiten Hologramms 2, wie vorher beschrieben, durchführt. Mit
der Einrichtung der korrekten Positionierung des zweiten Hologramms 2 wird
die individuelle Verzögerung
für jede
Wellenlänge
proportional zu ihrer Wellenlänge
gemacht.
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Die
Dimension M ist nur darin wichtig, wie sie zu dx im Bezug steht
und definiert so die mittlere differentielle Weglänge von
p1 zu p2. Da dx frei einstellbar ist, sind die Hauptkriterien für die tatsächliche Größe der Dimension
M Überlegungen
hinsichtlich der Handhabung und Konstruktion. Wie vorher bemerkt,
wird die Dimension L, die durch die Entfernung XY definiert wird,
einfach gewählt,
um dafür
zu sorgen, dass die Projektionspunkte ausreichend von der Mehrfachanordnung
von Bilddetektoren 18 unterschieden werden können. Die
Dimensionen M und L sind deshalb nur so gekennzeichnet, um die Beschreibung
der Vorrichtung zu vereinfachen. Es wurden zum Beispiel erfolgreiche
Vorrichtungen konstruiert, die eine Dimension M so klein wie 0,05
mm und so groß wie
1 mm aufwiesen. Die bei der Konstruktion des Prototyps verwendete
CCD-Mehrfachanordnung von Bilddetektoren hatte eine ausreichende Auflösung, um
zu erlauben, dass die Dimension L weniger als 10 mm beträgt, und
in der Praxis kann jede im Handel erhältliche kameraähnliche
CCD-Anordnung bei dieser Dimension von L verwendet werden.
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Man
bemerke, dass die seitliche Verschiebung des Wiedergabestrahls hinsichtlich
des Strahlendurchmessers sehr klein ist. Die Interaktion der beiden
Strahlen vom zweiten Hologramm ist was die Wellenlängenverschiebung
anbelangt durch eine Wellenlängenvariation
von einigen Prozent konstant. Mit der Veränderung des Winkels des Wiedergabestrahls ändert sich
die Interaktion des Strahls mit den Hologrammen. Mit Vergrößerung des
Winkels durchläuft
mehr Licht das Gitter ohne Interaktion. Dies ist so, da die differentiellen
Brechungsindexe, die das Gitter definieren, durch das Durchlaufen
von Licht durch mehr als einen Index des Films, wie in 1 roh dargestellt ist, verschwommen
sind. Da der Index durch die tatsächliche atomare Dichte Bemittelt durch
den Weg eines Strahls definiert wird, variiert diese Dichte in sehr
kleinem Umfang. Das Ergebnis davon ist, dass sich die Wahrscheinlichkeit
der Auslöschung
des Strahls von einem absoluten Maxiumum, durch die Höheneffizienz
des Hologramms definiert, zu einem Minimum von nahezu zufälliger Verteilung
verändert.
Der Ausgabestrahl im nicht ausgelöschten Zustand bleibt polarisiert,
ist jedoch in Kohärenz
vom anfänglichen
Lasereinfallsstrahl reduziert. Es ist unwahrscheinlich, dass der
Verlust an Kohärenz
ein Problem ist, außer
in Anwendungen, bei denen eine Projektion über einen langen Bereich von über zwei
Millionen Wellenlängen
benötigt
wird. Innerhalb einer Millionen Wellenlängen kann Fokusieren innerhalb
einer vernünftigen
Annäherung
der Beugungsbeschränkung
erreicht werden.
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Man
bemerke auch, dass, während
das anfängliche
Hologramm eine Welle durch den Beugungsweg oder den nicht-Beugungsweg
schickt (lediglich abhängig
von der zufälligen
Chance, dass ein spezifisches Photon durch einen polymerisierten
Abschnitt des Hologramms läuft),
erwartet werden kann, dass ein beträchtlicher Abschnitt des verzögerten Strahls
aus Photonen besteht, die keine kohärenten Partner haben würden, die
den alternativen Weg nehmen. In der Praxis erstreckt sich die sogenannte Quantenverflechtung
von aus einer Laserquelle emittierten Photonen über ein weitaus größeres Volumen jeglicher
Laserquelle, als vorher gedacht wurde. Dies führt zu der unerwarteten Neigung
der durch die Vorrichtung laufenden Photonen, sich selbst in Paaren zu
wählen,
wobei eines den verzögerten
Weg und eines den kurzen Weg nimmt. Ohne diesen Effekt würde das
erwartete Niveau an Auslöschung
in der beschriebenen Vorrichtung in der Größenordnung von 70% liegen.
Die tatsächliche
gemessene Auslöschung
ist oft höher
als 98%.
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Dass
der Effekt wirklich Auslöschung
und nicht eine Form von Absorption ist, kann einfach bestimmt werden,
indem man die Temperatur eines Elements misst, das verwendet wird,
um einen Laserstrahl von bekannter Leistung abzufangen. Geschähe die Reduzierung
der Strahlenintensität
aufgrund von Absorption, so würde
sich die Temperatur des Elements proportional zu der abgefangenen
Energie erhöhen,
wobei im Falle von Auslöschung
keine Erhöhung
der Temperatur erwartet würde.
Sorgfältige Messungen
zeigen, dass keine solche Erhöhung
der Temperatur auftritt, was anzeigt, dass die 98% Reduzierung in
der Strahlenintensität
tatsächlich
alleine aufgrund von Auslöschung
geschieht.
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Unter
Vorraussetzung der oben erwähnten Photonenverflechtung
hat sich herausgestellt, dass eine praktische maximale Auslöschung für Experimente
bei Raumtemperatur ungefähr
98% beträgt. Dies
kann bei Anwendungen mit gesteuerter Temperatur verbessert werden
und kann reduziert werden, wenn die Umgebungstemperatur um mehr
als zehn Grad Celsius variieren muss. Das Gerät besitzt die Fähigkeit,
bei Leistungsdichten von mehr als 500 mW stabil zu bleiben, wodurch
bewiesen wird, dass der beobachtete Effekt wahre kollineare Auslöschung ist (würde der
Effekt von irgendeinem nicht erkannten Absorptionsphänomen verursacht,
würde die
Energie absorbiert werden und das Element würde, wie oben erklärt, schmelzen).
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Die
hier beschriebene optische Vorrichtung dient als eine rein praktische
Anwendung als ein Dämpfer
für leistungsstarke
Laser. Es ist nicht möglich,
einfach einen Verschluss über
einem sehr leistungsstarken Laserstrahl anzubringen, da der Strahl einfach
durch diesen hindurch brennt. Die oben beschriebene Vorrichtung
kann einen Laserstrahl von jeglicher Leistung abfangen und seine
Intensität
um 98% reduzieren, ohne selbst irgendeine Energie zu absorbieren.
Es wurde ein praktisches Experiment mit einem Strahl von 500 mW
durchgeführt.
Da die Leistungsdichte des Lasers 312 W/cm2 betrug,
war die Änderung
der Temperatur equivalent zu nur 0,1 Prozent der einfallenden Energie.
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Eine
andere einfache Anwendung der optischen Vorrichtung würde die
Herstellung eines räumlichen
Filters sein. Ein herkömmlicher
räumlicher
Filter besteht aus einem Nadelloch, durch das ein Laser projiziert
wird. Da der Umfang des Lochs der vollen Leistung des Laserstrahls
unterliegt, neigt das Loch dazu, in einer kurzen Zeit wegzubrennen.
Um dieses Problem zu bewältigen,
könnte
eine optische Vorrichtung gemäß der oben
beschriebenen Erfindung für den
bestimmten Laser gefertigt werden und dann ein Nadelloch hindurchgebohrt
werden. Wird der Laserstrahl auf das Nadelloch gerichtet, würde, anstatt
die Strahlung am Rand des Lochs wie bei einem herkömmlichen
Nadelloch zu absorbieren, das gesamte Licht, das nicht durch das
Nadelloch hindurchläuft, einfach
ausgelöscht
werden.
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Diese
optische Vorrichtung macht auch die Konstruktion einer achromatischen
optischen Linse möglich,
wobei die Linse die holographischen Beugungsgitter und Brechungselemente
untereinander zusammenhängend
in der Art und Weise, wie es in der Spezifikation offenbart wurde,
beinhalten würde. In
der Praxis könnte
eine einzelne holographische/Brechungslinse nicht das gesamte optische Spektrum
abdecken. Jedoch könnte
eine Gruppe solcher Vorrichtungen das gesamte optische Spektrum abdecken.
Obwohl die Verwendung von Photopolymeren wie oben beschrieben das
im Moment bevorzugte Verfahren zur Implementierung der Erfindung ist,
kann dies auf andere Weise geschehen. Photoartige, auf Metall basierende
Emulsionen, wie zum Beispiel Silberhalogenid, können verwendet werden, um die
Hologramme zu konstruieren. Jedoch wäre die Effizienz einer optischen
Vorrichtung, die Silberhalogenidhologramme gebraucht, in großem Maß reduziert,
und es würde
ein Laser mit einer viel größeren Leistung
benötigt,
um ein Ergebnis zu erzielen, das ebenso gut wäre; als wenn Photopolymerhologramme
und ein Laser mit geringer Leistung gebraucht werden würde. Es
kann eine Emulsion in Verbindung mit einem Photopolymer verwendet
werden, um die holographischen Effizienzen durch Steuerung der Emulsionskorngröße festzusetzen.
Alternativ dazu können
die holographischen Elemente durch Photobestrahlung von Emulisonsschichten
oder durch von photographischen Originalen hergestellte gepresste Elemente
gebildet werden.
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Die
Erfindung wurde oben in Bezug auf die Verwendung eines Paars holographischer
Beugungsgitter beschrieben. Im Prinzip wäre es möglich, die Vorteile der Erfindung
durch die Verwendung unterschiedlicher Formen von Beugungsgittern
(oder anderen optisch dispersiven Elementen) getrennt durch ein
Zwischenglied mit einem gewählten
Brechungsindex zu erreichen.
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Weitere Änderungen
können
innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung, wie sie durch den
Anspruch definiert wurde, an den vorgehenden Ausführungsformen
vorgenommen werden.