WO2005109044A1 - Verwendung eines festkörpers für die konische refraktion - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to the use of a solid, in particular a crystal, for the conical refraction and a device which, in the operating state, uses at least one solid or crystal for the conical refraction.
  • a solid in particular a crystal
  • suitable means that the crystals have a relatively large conical refraction angle, a high optical transparency, a high stability under the action of laser radiation, a dispersion-free and optically inactive binormal, acceptable thermo-mechanical properties and a chemical stability for the corresponding growth Have crystals.
  • the MDT crystals are chemically those of the formula KLn (W0 4 ) 2 / where Ln is trivalent ions, in particular Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, La , especially gadolinium or yttrium.
  • Ln is trivalent ions, in particular Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, La , especially gadolinium or yttrium.
  • KY, ie potassium yttrium tungstate [KY (W0 4 ) 2 ] has proven to be extremely reliable in practice.
  • the MDT crystal contains at least one element from the group La, Ce, Pr, Pm, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu is endowed.
  • the crystals according to the invention can be grown using the methods known for this purpose, reference being made in particular to the following literature, in particular the crystal growth steps in WO 02/061 896.
  • this crystal can be drawn with large dimensions, it is hygroscopic and, moreover, disadvantageously has an optical activity, as a result of which complicated intensity patterns occur and applications are almost impossible.
  • KTiOP0 4 crystals based on conical refraction.
  • a light ring so-called Poggendorff ring, which arises when a circularly polarized beam passes through it
  • the crystal length in in such a case approx. 30 mm. amount, which corresponds almost to the feasibility limit when pulling these crystals.
  • the orientation of the binoculars suffers from a wavelength-dependent and temperature-dependent, that is, from the so-called ⁇ and T dispersion.
  • Double refractive crystals have different refractive indices in two directions and thus an optical axis.
  • the biaxial MDT crystals according to the invention have two optical axes, since they have different refractive indices in three directions.
  • Organic crystals such as naphthalenes and anthracenes are known among the biaxial crystals with a large conical refraction angle, but they have chemical and thermomechanical properties which make applications in this direction impossible.
  • MDT crystals Due to their high refraction (high optical refractive power) and the unusually equidistant refractive indices, MDT crystals have a large conical refraction angle and are therefore very well suited for such applications.
  • the MDT crystals according to the invention enable a larger conical refraction angle than aragonite crystals and can also be manufactured industrially in large quantities. With today's technology, it is possible to grow crystals of several kilograms with such high quality that they can be optimally used for laser applications. In this case, a length of 50 mm and more along the binormal is easy to achieve. The binormal dispersion is very low and there is even a dispersion-free zone in the visual range.
  • An advantageous embodiment is when a solid body according to the invention, in particular an MDT crystal, is used in functional relation to convert intensity profiles of electromagnetic radiation into other intensity profiles, for example and in particular an MDT crystal which is oriented or cut orthogonally to the binormal convert an incoming laser beam with Gaussian intensity distribution into an output beam with a different intensity distribution.
  • the binary normal (for the internal conical refraction) is represented in the so-called index ellipsoid.
  • the index ellipsoid represents n 2 values, where n stands for the refractive index.
  • the binary normal arises when the index ellipsoid is cut through in such a way that the cut surface forms a circle.
  • the external conical refraction is called the biradial.
  • the biradiale is described in a radiation ellipsoid. From a mathematical point of view, the radiation ellipsoid is the reciprocal of the index ellipsoid and is represented by l / n 2 values.
  • the biradila results when the ray ellipsoid is cut through in such a way that its cut surface forms a circle.
  • Both the binary normal and the biradial are displayed in the crystallo-optical coordinate system. Therefore one speaks of crystallo-optical axes (n g , n m , and n p ), whereby the indices g, m and p stand for "grand", "median” and "petit”.
  • the pattern structure depends on the polarization state of the input beam.
  • the following patterns can be realized by changing the ratio p (by changing ⁇ with a constant crystal length), whereby polarized light can also be used under 4. and 5.:
  • a hollow light cylinder is created, whereby the following roughly applies: 1 ⁇ p ⁇ 5.
  • the MDT crystal can work with the following two options:
  • the so-called Rayleigh length of the focused radiation is at least twice as long as the crystal length itself, since the beam in the crystal would otherwise be too divergent. If the input beam is coherent and the parallelism of the crystal end faces meets the so-called Fabri-Perot requirements (for example, if the parallelism of the crystal end faces meets the Fabri-Perot requirements, this means that an incident monochromatic electromagnetic wave is transmitted within the crystal towards its end faces - and is reflected back, covers the same path length in the crystal after each reflection.
  • intensity maxima and minima of the reflected optical waves are always exactly one above the other) or if these requirements are met by an external Fabri-Perot interferometer, there is an output phase distribution characterized by local relocations and can be used to generate interference patterns with local relocations.
  • a further advantageous embodiment is when a solid body according to the invention, in particular an MDT crystal, is used in the functional relationship of an optical resonator, for example and in particular in the functional relationship of a laser.
  • an MDT crystal that is oriented or cut orthogonally to the binormal or biradial can function as a laser-active element if it has laser-active ions such as Nd 3+ or Yb 3+ in a laser resonator.
  • an MDT crystal can also be placed both as a laser-active element inside and as a passive (ie not suitable for generating laser radiation) element within a laser resonator.
  • an MDT crystal is used in the functional relationship of a depolarizer, for example and in particular if the depolarizer converts the polarized electromagnetic radiation into non-polarized electromagnetic radiation that an MDT crystal is used in Functional relationship of a ray filament, ie a device that uses so-called internal and external conical refaction.
  • An internal conical refraction occurs when circularly polarized or unpolarized electromagnetic radiation with a small beam diameter and parallel beam path strikes an MDT crystal in such a way that it is oriented parallel to the binormal of the crystal.
  • the different polarization components of the radiation are deflected in a defined manner when passing through the crystal, so that each polarization component has a specific one Polarization to a certain point of the crystal end face.
  • a light ring is created on the crystal end surface (ie the surface at which the electromagnetic radiation emerges), strictly speaking two closely adjacent ones
  • the depolarizer has at least one ⁇ / 4- (for definition: see "Optik”, Eugene Hecht, 1994, pp .: 318 - 321) or ⁇ / 2 plate in front of the MDT crystal or the depolarizer in addition to the MDT crystal has a further MDT crystal which rotates about the radiation axis by 180 ° and directly adjoins and contacts the first MDT crystal.
  • the combination of an MDT crystal and a ⁇ / 4 plate ensures that a linear polarization is converted into circular polarization, so that in this way a depolarizer with highly precise and moderate distribution of all polarization states can be provided.
  • phase plate has to be oriented in a certain direction relative to the plane of polarization of the input beam, so that the substituting second crystal, which is rotated by 180 ° around the binormal (radiation axis) and onto it
  • a depolarizer that is insensitive to the orientation of this plate is provided. If a circularly polarized laser beam passes a crystal along the binormal, the light rings generated by the internal conical refraction and the associated hollow light cylinder in front of the second crystal are focused using a lens which is oriented in the direction of the biradials.
  • a so-called ray filament gate is spoken of, so that it is a further advantageous embodiment if an MDT crystal is used in the functional relationship of such a ray filament gate.
  • the property of this ray filament differs from the self-focusing ray filament, which is based on induced x 3 nonlinearities.
  • a high optical input power in the crystal changes the refractive index, so that the Beam is focused.
  • This "self-focusing” creates a higher energy density, which causes the refractive index to change again and the beam to be focused again.
  • This process continues along the entire crystal, so that a thread-like beam path also takes place in the crystal.
  • the latter requires high-intensity laser pulses and takes place almost at the optical destruction threshold of the crystal.
  • the performance of the beam filament mentioned according to the invention is not dependent on the intensity, and therefore laser sources of low power can also be used for the resulting application.
  • the dispersion within the beam filament will be limited to the natural divergence of a Gaussian beam.
  • optical tweezers are understood to be a device which generates the above-mentioned Poggendorff rings, so that the smallest particles and molecules can be "fixed" by the electromagnetic dipole forces acting in the light cylinder and can thus be conveyed by changing the position of the light cylinder.
  • the invention is illustrated by the following examples. 1 shows a functional sketch with regard to the internal conical refraction, Fig.
  • FIG. 2 - a functional sketch with regard to the external refraction
  • Fig. 3 - a functional sketch with regard to an embodiment regarding claims 3 and 4
  • Fig. 4 - a functional sketch with regard to an embodiment relating to claim 5
  • Fig. 5 - a functional sketch with regard to an embodiment relating to claim 6
  • FIG. 6 - a functional sketch with regard to an embodiment according to claim 10
  • FIG. 7 - a functional sketch with regard to an embodiment according to claim 13
  • 1 shows an unpolarized light beam which, when passing through an MDT crystal 1, is divided into a hollow light cone by the internal conical refraction, which then leads to a hollow light cylinder when it emerges.
  • 2 shows the cross section of an unpolarized light beam, which is focused when passing through a lens 2 and arrives at the crystal entrance surface of the MDT crystal 1 via a diaphragm 3 and then through the external conical refraction - as explained above - passes through the crystal as a ray filament in order to diverge again when exiting.
  • a linearly polarized light beam strikes a ⁇ / 4 plate 4 and is therefore converted into circularly polarized electromagnetic radiation.
  • delt strikes the crystal entrance surface of the MDT crystal 1, passes through it and is split up due to the internal conical refraction, these rays forming a light hollow cylinder after emerging, so that the neat and thus undeflected
  • the light beam and the maximum deflected namely the so-called extraordinary beam, viewed in cross section, span a surface, the polarization vectors of these two beams being orthogonal to each other and in turn being focused by a lens 2 on a second crystal entrance surface of another MDT crystal 1 ' , where they then pass through this as a closed radiation filament in the second crystal due to the external conical refraction in order to diverge again after exiting.
  • the laser resonator shown in FIG. 4 essentially has a highly reflecting mirror 5, an arbitrary laser crystal 6, an MDT crystal 1 and a coupling-out mirror 7, so that part of the laser radiation can pass through in order to supply it to an application , FIG. 5 shows a structure similar to FIG. 4, the difference being that in FIG.
  • the MDT crystal is designed as a passive element, while in this case the MDT crystal 1 is designed as a laser-active element, for example, by means of appropriately tailored doping, the radiation present in the laser resonator being able to be fed to a corresponding application through a coupling-out mirror 7 (the number 6 denotes a highly reflecting mirror).
  • the number 6 denotes a highly reflecting mirror.
  • FIG. 7 shows an MDT crystal 1 in which a light beam passes through it, the input beam being split up on account of the internal conical refraction, so that its individual polarization states are deflected in defined directions and the ordinary beam and therefore not Defined portion and the maximum deflected portion of the input beam, namely the so-called extraordinary beam, viewed in cross-section, span a surface, the polarization vectors of these two beams being orthogonal to one another and continuing to run accordingly as they emerge in order to hit a mirror (concave mirror) 8 , meet the crystal entry surface 9 so that they undergo an external conical refraction.
  • BR biradials
  • BN binomials
  • the BN differing only slightly from the BR. Both axes are approximately 45 ° to the n p or n g axis, whereby the position of the binormal (for the internal conical refraction) differs approximately 1 to 2 ° from the position of the biradial (for the external conical refraction) ,

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Abstract

Es wird die Verwendung eines Festkörpers, aufweisend bis bestehend und aus einem optisch benutzten Bereich bestehend aus einem MDT-Kristall, für die konische Refraktion bereitgestellt sowie eine Vorrichtung, die im Betriebszustand mindestens einen Festkörper, aufweisend bis bestehend und in einem optisch benutzten Bereich bestehend aus einem monoklinischen-Doppel-Tungstate-Kristall, für die konische Refraktion verwendet.

Description

Verwendung eines Festkörpers für die konische Refraktion
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Festkörpers, insbesondere eines Kristalls, für die konische Refraktion sowie eine Vorrichtung, die im Betriebszustand mindestens einen Festkörper bzw. Kristall für die konische Refraktion verwendet. Für den im Jahre 1832 entdeckten Effekt der konischen Refraktion in biaxialen Kristallen, also in Kristallen, die in einem Koordinatensystem in drei Richtungen unterschiedliche Brechungsindices aufweisen, existieren bis heute keine bedeutenden Anwendungen, was insbesondere am Nichtvorhandensein geeigneter Kristalle liegt. Im erfindungsgemäßen Kontext bedeutet geeignet, daß die Kristalle einen relativ großen konischen Refraktionswinkel, eine hohe optische Transparenz, eine hohe Stabilität unter Einwirkung von Laserstrahlung, eine dispersionsfreie und optisch nicht -aktive binormale, akzeptable thermo-mechanische Eigenschaften sowie eine chemische Stabilität für das Züchten entsprechender Kristalle aufweisen. Überraschenderweise konnte nun festgestellt und gezeigt werden, daß Festkörper, die einen sogenannten MDT-Kristall aufweisen oder sogar aus diesem bestehen, in jedem Fall zumindest in einem optisch benutzten Bereich aus diesem bestehen, (MDT-Kristalle sind monokli- nische Doppel-Tungstate-Kristalle, also Doppel -Wolfra-
BESTATIGUNGSKOPIE mat-Kristalle) für die konische Refraktion verwendet werden können. Erfindungsgemäß handelt es sich bei den MDT-Kristallen chemisch um solche der Formel KLn (W04)2/ wobei Ln dreiwertige Ionen, insbesondere Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, La, insbesondere Gadolinium oder Yttrium, darstellt. Insbesondere hat sich KY, also Kalium-Yttrium-Wolframat [KY(W04)2] in der Praxis als ausgesprochen zuverlässig bewährt. Für bestimmte Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn der MDT-Kristall mit mindestens einem Element aus der Gruppe La, Ce, Pr, Pm, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu dotiert ist. Die erfindungsgemäßen Kristalle können mit den hierfür bekannten Methoden gezüchtet werden, wobei insbesondere auf die nachfolgende Literatur hingewiesen wird, insbesondere auf die Kristallzüchtungsschritte in WO 02/061 896. Für industrielles Züchten sei insbesondere auf die modifizierte Czochralski-Methode verwiesen (siehe Gro- wing Bi-Sb gradient single crystals by a modified
Czochralski method, Journal of Crystal Growth, Volume 263, Issues 1-4, Pages 148-155 [1 March 2004] G.N. Kozhemyakin, M.A. Nalivkin, M.A. Rom and P.V. Matey- chenko; Solid solution single crystal growth of the aluminium tungstate-scandium tungstate system by a modified CZ method, Journal of Crystal Growth, Volume 208, Issues 1-4, Pages 466-470 [1 January 2000] N. Ima- naka, M. Hiraiwa, S. Tamura, G. Adachi, H. Dabkowska and A. Dabkowski ; Single-crystal growth of aluminium tungstate solid solution samples by the modified Czochralski method, Journal of Crystal Growth, Volume 200, Issues 1-2, Pages 169-171 [1 April 1999] N. Imanaka, M. Hiraiwa, S. Tamura, G. Adachi, H. Dabkowska and A. Dabkowski; Modified Czochralski growth and characteriza- tion of RETINb06 crystals, Journal of Crystal Growth, Volume 180, Issue 1, Pages 73-80 [1 Seotember 1997] X. Qi, H.G. Gallagher, T.P.J. Han and B. Henderson) . Für kleinee Kristallgrößen stehen ähnliche Verfahren zur Verfügung, nämlich das sogenannte Top Seeded Solution
Growth-Verfahren, wobei hierfür insbesondere auf Struc- ture, crystal growth and physical anisotropy of KYb(W04)2, a new laser matrix, Journal of Applied Cry- stallography, Volume 35, Pages 108-112 (2002) M.C. Pu- jol, X. Mateos, R. Sole, J. Massons, Jna. Gavaldä, X.
Solans, f .Diaz, M. Aguilo und Growth, optical characte- rization, and laser Operation of a stoichiometric ry- stal KYb(W04)2, Physical Review B, Volume 65, 165121 (2002) M.C. Pujol, M.A. Brusukova, F. Güell, X. Mateos, R.Sole, Jna Gavaldä, M. Aguilo, J. Massons, F. Diaz verwiesen wird. Ein weiterer Kristall, welcher häufig für Experimente und Studien zur konischen Refraktion verwendet wird, ist der α-Jodsäure-Kristall α-HI03. Dieser Kri- stall kann zwar mit großen Abmessungen gezogen werden, ist jedoch hygroskopisch und besitzt darüber hinaus nachteiligerweise eine optische Aktivität, wodurch komplizierte Intensitätsmuster auftreten und Anwendungen nahezu unmöglich werden. Innerhalb der letzten Jahre gab es auf konischer Refraktion basierende Experimente mit KTiOP04-Kristal- len. Um am Austrittsende eines Kristalls einen Lichtring (sogenannter Poggendorff-Ring, der entsteht bei- Durchlaufen eines zirkulär polarisierten Strahls) mit einem Durchmesser von ca. 1 mm zu erhalten, was bei üblichen Anwendungen dem minimalen akzeptablen Durchmesser entspricht, muß die Kristall-Länge in einem solchen Fall ca 30 mm. betragen, was nahezu der Machbarkeitsgrenze beim Ziehen dieser Kristalle entspricht. Darüber hinaus leidet die Orientierung der Binormalen unter einer wellenlängenabhängigen und temperaturabhängigen, also unter der sogenannten λ- und T-Dispersion. Doppelt brechende Kristalle besitzen in zwei Richtungen unterschiedliche Brechungsindices und somit eine optische Achse. Die erfindungsgemäßen biaxialen MDT-Kri- stalle besitzen zwei optische Achsen, da sie in drei Richtungen unterschiedliche Brechungsindices aufweisen. Unter den biaxialen Kristallen mit großem koni- sehen Refraktionswinkel sind die organischen Kristalle wie Naphtalene und Anthracene zwar bekannt, diese weisen jedoch chemische und thermo-mechanische Eigenschaften auf, die Anwendungen in dieser Richtung unmöglich machen. Aufgrund ihrer hohen Refraktion (hohe optische Brechkraft) und den ungewöhnlich äquidistanten Brechungsindices besitzen MDT-Kristalle einen großen konischen Refraktionswinkel und sind daher eben für solche Anwendungen sehr gut geeignet . Die erfindungsgemäßen MDT-Kristalle ermöglichen einen größeren konischen Refraktionswinkel als Aragonit-Kristalle und können darüber hinaus industriell in großen Mengen hergestellt werden. Mit der heutigen Technologie ist es möglich, industriell Kri- stalle von mehreren Kilogramm mit so hoher Qualität zu züchten, daß sie optimal für Laseranwendungen eingesetzt werden können. Eine Länge von 50 mm und mehr entlang der Binormalen ist in diesem Fall einfach zu erzielen. Die Binormalen-Dispersion ist sehr gering und im visuellen Bereich existiert sogar eine dispersionsfreie Zone. Diese Kristalle besitzen eine hohe chemische Stabilität, gute thermo-mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe optische Zerstörschwelle. Die nachfolgenden Ausgestaltungen sind sehr vor- teilhaft, da sich diese in der Praxis bewährt haben. So ist es von Vorteil, wenn linear polarisierte elektromagnetische Strahlung verwendet wird, welche durch eine λ/4 -Platte in zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird, bevor sie einen oder mehrere MDT-Kristalle durchläuft, da auf diese Weise die konische Refraktion sehr effektiv realisiert wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung liegt vor, wenn ein erfindungsgemäßer Festkörper, insbesondere ein MDT- Kristall, verwendet wird in Funktionsbeziehung zur Umwandlung von Intensitätsprofilen elektromagnetischer Strahlung in andere Intensitätsprofile, beispielsweise und insbesondere einen MDT-Kristall, der orthogonal zur Binormalen orientiert bzw. geschnitten ist, um einen eintreffenden Laserstrahl mit Gauss' scher Intensitätsverteilung in einen Ausgangsstrahl mit anderer Intensitätsverteilung umzuwandeln. Die Binormale (bei der internen konischen Refraktion) wird im sogenannten Index- Ellipsoid dargestellt. Der Index-Ellipsoid repräsen- tiert n2-Werte, wobei n für den Brechungsindex steht. Die Binormale entsteht, wenn der Index-Ellipsoid so durchschnitten wird, daß die Schnittfläche einen Kreis ergibt. Bei der externen konischen Refraktion spricht man von der Biradialen. Die Biradiale wird in einem Strahlen-Ellipsoiden beschrieben. Der Strahlen-llipsoid ist mathematisch gesehen der Kehrwert des Index-Ellip- soiden und wird durch l/n2-Werte dargestellt. Die Bira- dila ergibt sich, wenn der Strahlen-Ellipsoid so durchgeschnitten wird, daß seine Schnittfläche eine Kreis ergibt. Sowohl die Binormale als auch die Biradiale werden im kristallo-optischen Koordinatensystem dargestellt. Daher spricht man auch von kristallo-optischen Achsen (ng, nm, und np) , wobei die Indices g, m und p für "grand", "median" und "petit" stehen. Diese Musterstruktur hängt ab vom Verhältnis p = r0/τσ, wobei r0 der Radius des Poggendorff-Ringes ist, welcher sich durch die interne konische Refraktion an der Kristallaustrittsfläche abbildet, und tu der Radius des Eingangsstrahles ist. Zusätzlich hängt die Musterstruktur vom Polarisationszustand des Eingangsstrahles ab. Im Falle eines unpolarisierten Eingangsstrahles können durch Verändern des Verhältnisses p (durch Ändern von φ bei konstanter Kristall-Länge) die folgenden Muster realisiert werden, wobei unter 4. und 5. auch polarisiertes Licht verwendet werden kann:
1. Ein nahezu flaches Intensitätsprofil wird bei p <= 0,5 erreicht.
2. Ein hohler Lichtzylinder wird erzeugt, wobei unge- fähr gelten muß: 1 ≥ p ≥ 5.
3. Zwei angrenzende Lichtringe, die durch einen dunklen Poggendorff-Ring getrennt werden, werden erzeugt bei p > 10.
Wenn der Eingangsstrahl eine zirkuläre Polarisation hat, kann der MDT-Kristall mit den folgenden zwei Optionen arbeiten:
4. Umwandlung eines Gauss-Intensitätsprofils zu einem Bessel-intensitätsprofil und
5. Transoformation von Jn nach Jn+1, wobei Jn die Bes- selfunktion erster Art und n-ter Ordnung ist.
Darüber hinaus können Mischformen auftretn, die sowohl Jn- als auch Jn+1-Komponenten enthalten. Grundsätzlich ist festzustellen, daß zwei Bessel- Arten existieren, welche mit Jn und In bezeichnet wer- den, wobei das n die Ordnung wiedergibt. Dies sind gängige mathematische Ausdrücke, so daß diesbezüglich auf die allgemeine Fachliteratur und auf die Internet- Adressen www.scienceworld.wolfram.com sowie www.mathworld.wolfram.com verwiesen wird. Für jede der Anwendungen, die auf dem Effekt der internen konischen Refraktion beruhen, ist ein möglichst paraller Eingangsstrahl mit einem bestimmten oder auch veränderlichen Strahldurchmesser erforder- lieh. Einen parallelen Eingangsstrahl erreicht man am besten mit einem Laserstrahl . Der Strahldurchmesser wird durch Lochblenden oder auch Linsen reduziert . Beim Benutzen von Linsen ist jedoch darauf zu achten, daß die sogenannte Rayleigh-Länge der fokussierten Strah- lung mindestens zweimal so groß wie die Kristall-Länge selbst, da der Strahl im Kristall ansonsten zu divergent wäre . Ist der Eingangsstrahl kohärent und die Parallelität der Kristallendflächen entspricht den sogenannten Fabri-Perot-Anforderungen (Wenn beispielsweise die Parallelität der Kristallendflächen der Fabri-Perot-Anforderungen genügt, bedeutet dies, daß eine einfallende monochromatische elektromagnetische Welle, die innerhalb des Kristalls an dessen Endflächen hin- und herre- flektiert wird, nach jeder Reflexion die gleiche Weglänge im Kristall zurücklegt. Dadurch liegen Intensi- tätsmaxima- und minima der reflektierten optischen Wellen immer genau übereinander) oder werden diese Anforderungen durch ein externes Fabri-Perot-Interferometer erfüllt, ist eine Ausgangsphasenverteilung durch örtliche Verlagerungen charakterisiert und kann genutzt werden zur Erzeugung von Interferenzmustern mit örtlichen Verlagerungen. Man spricht im allgemeinen von örtlichen Verlagerungen, wenn sich kein gleichmäßiges Interfe- renzmuster ergibt. Beispiele von gleichmäßigen Interferenzmustern sind sich stetig abwechselnde helle und dunkle Linien oder auch Ringe. Bei örtlichen Verlagerungen würden diese Linien oder Ringe stellenweise abrupt unterbrochen oder auf irgendeine Weise verzerrt oder gekrümmt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist es, wenn ein erfindungsgemäßer Festkörper, insbesondere ein MDT-Kristall, verwendet wird in Funktionsbeziehung ei- nes optischen Resonators, beispielsweise und insbesondere in Funktionsbeziehung eines Lasers. Beispielsweise kann ein MDT-Kristall, der orthogonal zur Binormalen oder Biradialen orientiert bzw. geschnitten ist, als laseraktives Element, wenn dieses laseraktive Ionen wie beispielsweise Nd3+ oder Yb3+ aufweist, in einem Laser-Resonator fungieren. Darüber hinaus ist es möglich, daß ein MDT-Kristall auch bzw. darüber hinaus sowohl als laseraktives Element innerhalb als auch als passives (d. h. nicht zur Erzeugung von Laser-Strahlung geeignet) Element innerhalb eines Laser-Resonators plaziert werden kann. Weiterhin ist es eine vorteilhafte Ausgestaltung, wenn ein MDT-Kristall verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Depolarisators, beispielsweise und insbesondere dahin- gehend, wenn der Depolarisator, der polarisierte elektromagnetische Strahlung in nicht-polarisierte elektromagnetische Strahlung umwandelt, daß ein MDT-Kristall verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Strahlen- Filamentors, d.h. einer Vorrichtung, die sogenannte interne und externe konische Refaktion ausnutzt. Eine interne konische Refraktion tritt auf, wenn zirkulär polarisierte oder unpolarisierte elektromagnetische Strahlung mit kleinem Strahldurchmesser und parallelem Strahlverlauf auf solch eine Weise auf einen MDT-Kri- stall trifft, daß sie parallel zur Binormalen des Kristalls orientiert ist. In diesem Fall werden die verschiedenen Polarisationsanteile der Strahlung beim Durchlaufen des Kristalls auf definierte Weise umgelenkt, so daß jeder Polarisationsanteil mit bestimmter Polarisation zu einem bestimmten Punkt der Kristall - Endfläche hingeführt wird. Auf diese Weise entsteht auf der Kristall -Endfläche (das heißt die Fläche, an der die elektromagnetische Strahlung austritt) ein Licht- ring, genau genommen zwei dicht aneinandergrenzende
Lichtringe (deren Zwischenraum der sogenannte Poggen- dorff-Ring (dunkel) ist)), der sich danach als Lichtzylinder weiter in der Luft ausbreitet. Eine externe konische Refraktion tritt auf, wenn zirku- lar polarisierte oder unpolarisierte elektromagnetische Strahlung, welche parallel zur Biradialen des MDT-Kri- stalls orientiert ist, auf die Eintrittsfläche des Kristalls fokussiert wird. Unter einem bestimmten Fokuswinkel oder Konuswinkel wird die EingangsStrahlung so in den Kristall eingekoppelt, daß nahezu die gesamte Intensität als fadenförmige Linie (quasi als Strahl) auf der Biradialen des Kristalls entlangläuft und erst beim Verlassen des Kristalls wieder divergent wird. Der Konuswinkel, unter dem die Strahlung nach Verlassen des Kristalls wieder auseinanderläuft, entspricht dem Konuswinkel der auf die Kristalleintrittsfläche fokus- sierten Strahlung.
Dabei hat es sich in der Praxis als vorteilhaft herausgestellt, wenn entweder der Depolarisator mindestens eine λ/4- (zur Definition: siehe "Optik", Eugene Hecht, 1994, S.: 318 - 321) oder λ/2-Platte vor dem MDT-Kristall aufweist bzw. der Depolarisator neben dem MDT- Kristall einen um die Strahlungsachse um 180° rotierten und direkt an den ersten MDT-Kristall angrenzenden und diesen berührenden weiteren MDT-Kristall aufweist. Die Kombination eines MDT-Kristalls und einer λ/4- Platte sorgt dafür, daß eine lineare Polarisation in zirkuläre Polarisation umgewandelt wird, so daß auf diese Weise ein Depolarisator mit hochgenauer gleich- mäßiger Verteilung aller Polarisationszustände bereitgestellt werden kann.
Der Nachteil dieses Polarisators ist, daß die Phasen- Platte in einer bestimmten Richtung relativ zur Polari- sationsebene des Eingangsstrahles orientiert sein muß, so daß durch den substituierenden zweiten anliegenden Kristall, der um 180° um die Binormale (Strahlungsachse) rotiert ist und auf diese Weise ein hinsichtlich der Orientierung dieser Platte unempfindlicher Depola- risator bereitgestellt wird. Passiert ein zirkulär polarisierter Laserstrahl einen Kristall entlang der Binormalen, werden die durch die interne konische Refraktion erzeugten Lichtringe und der damit verbundene hohle Lichtzylinder vor dem zweiten Kristall mittels einer Linse fokussiert, welcher in Richtung der Biradialen orientiert ist. Wird der zweite Kristall relativ zum ersten Kristall um 180° um die Strahlachse rotiert und der Ausbreitungswinkel des fokussierten Strahles ist ca. zwei- mal so groß wie der aus der internen konischen Refraktion resultierende interne Konuswinkel, wird nahezu 100 % der eingekoppelten Intensität beim Durchlaufen des zweiten Kristalls der Durchmesser des Fokuspunktes unverändert beibehalten, was auf der externen konischen Refraktion beruht. Im Erfindungskontext wird von einem sogenannten Strahlen-Filamentor gesprochen, so daß es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, wenn ein MDT-Kristall verwendet wird in Funktionsbeziehung eines solchen Strahlen-Filamentors . Die Eigenschaft dieses Strahlen-Filamentors unterscheidet sich vom selbstfokussierenden Strahlen-Filamentor, welcher auf induzierten x3-Nichtlinearitäten beruht. Durch eine hohe optische Eingangsleistung im Kristall verändert sich der Brechungsindex, so daß der Strahl fokussiert wird. Durch diese "Selbstfokussie- rung" entsteht eine höhere Energiedichte, wodurch sich der Brechungsindex erneut ändert und der Strahl weiter erneut fokussiert wird. Dieser Prozeß setzt sich ent- lang des gesamten Kristalls fort, so daß hierdurch ebenfalls ein fadenförmiger Strahlenverlauf im Kristall stattfindet. Letzteres erfordert jedoch Laserimpulse hoher Intensität und findet nahezu an der optischen Zerstörschwelle des Kristalls statt. Die Performance des erfindungsgemäß erwähnten Strahlen-Filamentors ist nicht intensitätsabhängig und somit können auch Laserstrahlenquellen niedriger Leistung für die daraus resultierende Applikation verwendet werden. Im Falle eines Gauss-förmigen Eingangsstrahls wird die Dispersion innerhalb des Strahlen-Filamentors auf die natürliche Divergenz eines Gauss-Strahls begrenzt sein. Verwendet man einen geeigneten gekrümmten hochreflektierenden Spiegel, wodurch an der Austrittsfläche des Kristalls der Strahl entlang seiner Biradialen zurück- reflektiert wird, ist ein zweiter Kristall nicht mehr erforderlich. Schließlich ist es von Vorteil, wenn ein MDT-Kristall verwendet wird in Funktionsbeziehung einer optischen Pinzette. Erfindungsgemäß wird unter einer optischen Pinzette eine Vorrichtung verstanden, die die oben genannten Poggendorff-Ringe erzeugt, so daß kleinste Teilchen und Moleküle durch die im Lichtzylinder wirkenden elektromagnetischen Dipol-Kräfte "fixiert" und somit durch eine Lageveränderung des Lichtzylinders befördert werden können. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele erläutert. Es zeigen: Fig. 1 - eine Funktionsskizze hinsichtlich der internen konischen Refraktion, Fig. 2 - eine Funktionsskizze hinsichtlich der externen Refraktion, Fig. 3 - eine Funktionsskizze hinsichtlich einer Ausführungsform betreffend Anspruch 3 und 4, Fig. 4 - eine Funktionsskizze hinsichtlich einer Ausführungsform betreffend Anspruch 5, Fig. 5 - eine Funktionsskizze hinsichtlich einer Ausführungsform betreffend Anspruch 6, Fig. 6 - eine Funktionsskizze hinsichtlich einer Ausführungsform gemäß Anspruch 10, Fig. 7 - eine funktionsmäßige Skizze hinsichtlich einer Ausführungsform gemäß Anspruch 13, Fig. 8 - eine Funktionsskizze zur Veranschaulichung von Biradialen und Binormalen in einem MDT-Kristall.
In Fig. 1 ist ein unpolarisierter Lichtstrahl zu erkennen, der bei Durchlaufen eines MDT-Kristalles 1 durch die interne konische Refraktion in einen Lichthohlkegel aufgeteilt wird, der beim Austreten dann zu einem Lichthohlzylinder führt. In Fig. 2 ist der Querschnitt eines unpolarisier- ten Lichtstrahls dargestellt, der bei Durchlaufen einer Linse 2 gebündelt wird und über eine Blende 3 auf die Kristall-Eintrittsfläche des MDT-Kristalles 1 eintrifft und dann durch die externe konische Refraktion - wie oben erläutert - als Strahlenfilament den Kri- stall durchläuft, um beim Austreten wieder auseinander- zudivergieren . In Fig. 3 trifft ein linear polarisierter Lichtstrahl auf eine λ/4-Platte 4, wird daher in eine zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung umgewan- delt, trifft auf die Kristall-Eintrittsfläche des MDT- Kristalles 1, durchläuft diesen und wird aufgrund der internen konischen Refraktion aufgeteilt, wobei diese Strahlen nach Austreten einen Lichthohlzylinder bilden, so daß der ordentliche und somit nicht abgelenkte
Lichtstrahl und der maximal abgelenkte, nämlich der sogenannte außerordentliche Strahl, im Querschnitt gesehen, eine Fläche aufspannen, wobei die Polarisationsvektoren dieser beiden Strahlen orthogonal zueinander stehen und durch eine Linse 2 wiederum auf eine zweite Kristall-Eintrittsfläche eines weiteren MDT-Kristalles 1' fokussiert werden, wobei diese dann im zweiten Kristall aufgrund der externen konischen Refraktion diese als geschlossenes Strahlenfilament durchlaufen, um nach Austreten wieder auseinanderzulaufen (divergieren) . Der in Fig. 4 dargestellte Laser-Resonator weist im wesentlichen einen hochreflektierenden Spiegel 5, einen beliebigen Laser-Kristall 6, einen MDT-Kristall 1 sowie Auskoppelspiegel 7 auf, so daß ein Teil der La- serstrahlung hindurchtreten kann, um diese einer Applikation zuzuführen. In Fig. 5 ist ein zu Fig. 4 ähnlicher Aufbau dargestellt, wobei dieser sich dahingehend unterscheidet, daß in Fig. 4 der MDT-Kristall als passives Element ausgestaltet ist, während in diesem Fall der MDT-Kristall 1 als laseraktives Element ausgestaltet ist, beispielsweise durch entsprechend maßgeschneiderte Dotierung, wobei die im Laser-Resonator vorhandene Strahlung durch einen AuskoppelSpiegel 7 einer entsprechenden Applikation zugeführt werden kann (die Ziffer 6 bezeichnet einen hochreflektierenden Spiegel) . In Fig. 6 sind zwei MDT-Kristalle 1 und 1' dargestellt, die direkt aufeinandertreffen, wobei der eine MDT-Kristall gegenüber dem anderen um die Strahlenachse um 180° rotiert worden ist (gedreht worden ist) , so daß die Binormalen beider Kristalle auf der Strahlenachse liegen und somit eine polarisierte oder teilweise polarisierte Strahlung beim Durchlaufen beider MDT-Kristal- le zu einer depolarisierten Strahlung umgewandelt wird. In Fig. 7 ist ein MDT-Kristall 1 dargestellt, bei dem ein Lichtstrahl durch diesen läuft, wobei aufgrund der internen konischen Refraktion der Eingangsstrahl aufgeteilt wird, so daß dessen einzelne Polarisations- zustände in definierte Richtungen abgelenkt werden und der ordentliche Strahl und somit nicht abgelenkte Anteil und der der maximal abgelenkte Anteil des Eingangsstrahls, nämlich der sogenannte außerordentliche Strahl, im Querschnitt gesehen, eine Fläche aufspannen, wobei die Polarisationsvektoren dieser beiden Strahlen orthogonal zueinander stehen und beim Austreten entsprechend weiterlaufen, um auf einen Spiegel (Hohlspiegel) 8 zu treffen, diese auf die Kristall-Eintrittsfläche 9 treffen, so daß diese eine externe konische Refraktion durchlaufen. Schließlich ist in Fig. 8 nochmals die Beziehung zwischen Biradialen (BR) und Binormalen (BN) dargestellt, wobei die BN sich nur geringfügig von der BR unterscheidet. Beide Achsen liegen in etwa um 45° zur np bzw. ng-Achse, wobei sich die Lage der Binormalen (für die interne konische Refraktion) ca. 1 bis 2° von der Lage der Biradialen (für die externe konische Refraktion) unterscheidet.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung eines Festkörpers, aufweisend bis bestehend und aus einem optisch benutzten Bereich bestehend aus einem MDT-Kristall, für die konische Refraktion.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß linear polarisierte elektromagnetische Strahlung verwendet wird, welche durch eine λ/4 -Platte in zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung um- gewandelt wird, bevor sie einen oder mehrere MDT-Kristalle durchläuft.
3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung zur Umwandlung von Intensitätsprofilen elektromagentischer Strahlung in andere Intensitätsprofile.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung zur Umwandlung von Gauss- Intensitätsprofilen elektromagnetischer Strahlung in Bessel- Intensitätsprofile elektromagnetischer Strahlung oder einer Mischform aus Bessel- und Gauss-Intensitätsprofi- len elektromagnetischer Strahlung.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines optischen Resonators.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Lasers.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper als passives oder aktives Element verwendet wird in Funktionsbeziehung innerhalb eines Laser-Resonators.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Depolarisators .
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da- durch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Strahlenfilamentors .
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator mindestens eine λ/4-Platte in Strahlungsrichtung vor dem optisch benutzten Bereich aufweist.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator neben dem Festkörper einen um die Strahlenachse um 180° gedrehten, weiteren Festkörper aufweist, wobei mittels einer Linse die resultierende elektromagnetische Strahlung auf die eintretende Oberfläche des nachfolgenden weiteren Festkörpers fokussiert wird.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator neben dem Festkörper einen um die Strahlenachse um 180° gedrehten und direkt an den ersten Festkörper fixierten weiteren Festkörper aufweist, wobei die Binormalen der Festkörper auf der Strahlenachse liegen.
13. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da- durch gekennzeichnet, daß der Depolarisator hinter dem Festkörper einen gekrümmten Spiegel aufweist, so daß die elektromagnetische Strahlung in den Festkörper zurückreflektiert wird.
14. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung einer optischen Pinzette.
15. Verwendung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekenn- zeichnet, daß es sich bei dem Festkörper oder MDT-Kristall um Kalium-Yttrium-Wolframat handelt.
16. Verwendung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper oder der MDT-Kristall mit mindestens einem Element aus der Gruppe Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, La, Ce, Pr, Pm, Nd dotiert ist.
17. Vorrichtung, die im Betriebszustand mindestens einen Festkörper, aufweisend bis bestehend und in einem optisch benutzten Bereich bestehend aus einem MDT-Kristall, für die konische Refraktion verwendet.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß linear polarisierte elektromagnetische Strah- lung verwendet wird, welche durch eine λ/4-Platte in . zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird, bevor sie einen oder mehrere MDT-Kristalle durchläuft.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung zur Umwandlung von Intensitätsprofilen elektromagnetischer Strahlung in andere Intensitätsprofile.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung zur Umwandlung von Gauss- Intensitätsprofilen elektromagnetischer Strahlung in
Bessel -Intensitätsprofile elektromagnetischer Strahlung oder einer Mischform aus Bessel- und Gauss-Intensitäts- profilen elektromagnetischer Strahlung.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines optischen Resonators.
22. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 21, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in
Funktionsbeziehung eines Lasers.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper als passives oder aktives Element verwendet wird in Funktionsbeziehung innerhalb eines Laserresonators .
24. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Depolarisators .
25. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung eines Strahlenfilamentors .
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator mindestens eine λ/4 -Platte in Strahlungsrichtung vor dem optisch benutzten Bereich aufweist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator neben dem Festkörper einen entlang der Strahlenachse um 180° gedrehten, weiteren Festkörper aufweist, wobei mittels einer Linse die resultierende elektromagnetische Strahlung auf die eintretende Oberfläche des nachfolgenden weiteren Festkörpers fokussiert wird.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator neben dem Festkörper einen um die Strahlenachse um 180° gedrehten und direkt an den ersten Festkörper fixierten weiteren Festkörper aufweist, wobei die Binormalen der Festkörper auf der Strahlenachse liegen.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator hinter dem Festkörper einen gekrümmten Spiegel aufweist, so daß die elektromagnetische Strahlung in den Festkörper zurückreflektiert wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper verwendet wird in Funktionsbeziehung einer optischen Pinzette.
31. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Festkörper oder MDT- Kristall um Kalium-Yttrium-Wolframat handelt.
32. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper oder der MDT-Kristall mit mindestens einem Element aus der Gruppe Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, La, Ce, Pr, Pm, Nd dotiert ist .
33. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorrichtung um eine aus der Gruppe Laser, Depolarisator, Strahlenfilamen- tor, optische Pinzette handelt.
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