WO2017055349A1 - Verfahren und vorrichtungen zur modulation eines strahls elektrisch geladener teilchen sowie anwendungsbeispiele für die praktische anwendung solcher vorrichtungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur modulation eines strahls elektrisch geladener teilchen sowie anwendungsbeispiele für die praktische anwendung solcher vorrichtungen Download PDF

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WO2017055349A1
WO2017055349A1 PCT/EP2016/073110 EP2016073110W WO2017055349A1 WO 2017055349 A1 WO2017055349 A1 WO 2017055349A1 EP 2016073110 W EP2016073110 W EP 2016073110W WO 2017055349 A1 WO2017055349 A1 WO 2017055349A1
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WO
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particles
laser light
dielectric structure
field
light
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/073110
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Poppe
Andreas THUST
Rafal Dunin-Borkowski
Original Assignee
Ceos Corrected Electron Optical Systems Gmbh
Forschungszentrum Jülich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ceos Corrected Electron Optical Systems Gmbh, Forschungszentrum Jülich GmbH filed Critical Ceos Corrected Electron Optical Systems Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators
    • H05H9/005—Dielectric wall accelerators
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators
    • H05H9/04—Standing-wave linear accelerators
    • H05H9/048—Lepton LINACS

Definitions

  • the invention relates to a method for modulating a beam of electrically charged particles, in which pulses of electrically charged particles are generated and then modulated in a targeted manner by a field which changes phase-synchronously with these pulses.
  • Radio frequency technology wherein pulses are generated, which are coherent to monochromatic electromagnetic waves, so as to accelerate electrically charged particles (electrons or ions).
  • the electromagnetic waves were generated by metallic resonators, with the relatively large wavelength of such
  • the pulses are an evanescent electromagnetic field at the surface of a structure which generates a periodic change of the field, the field by the laser light or by a phase-correlated laser light of the same frequency according to its period T has such field strengths that the pulses of the same accelerating, decelerating or deflecting forces are exposed.
  • Step d) is repeated several times with the same or different force effects as the pulses pass the field until the desired beam modulation is achieved.
  • the basic idea of the invention is to produce pulses of particles which, by their synchronism with a laser light by means of an evanescent electromagnetic field generated by them, are periodically, e.g. B. at the wave crests, are modulated.
  • the modulation may be an acceleration, braking or deflection or any combination thereof.
  • the prerequisite for this, however, is to produce pulses of particles which have a fixed phase relationship to the laser light, which presupposes that these pulses are significantly shorter than the period duration of the laser light.
  • a further object of the invention is the provision of devices which produce such pulses of particles according to the above-mentioned features a), b) and c) and finally devices which generate such pulses according to the above-mentioned features d) and e ) as required for the numerous conceivable uses.
  • the invention also relates to a device for modulating a beam of electrically charged particles, such as electrons or ions, wherein a particle beam through a
  • Vacuum channel is guided along the surface of a photoconductive element within the range of an evanescent electromagnetic field, wherein the field through
  • the underlying physical basis is the interaction of a charged particle beam (usually an electron beam) in vacuum with the
  • the particle beam must be guided in a vacuum and at a small distance ( ⁇ Ao) near the surface of the material in order to experience an interaction. It is known that within the period of the light a charged particle undergoes a deflection, acceleration, deceleration or a combination thereof due to the interaction in the evanescent field of a periodic light guide structure, depending on the phase angle of the electromagnetic field. The practical implementation of the aforementioned interaction of laser light with charged particle beams is described in the literature, z. B: P. Hommelhoff, J.
  • DLA dielectric laser accelerators
  • Wavelength of the laser light In the electromagnetic evanescent field of the lattice structure, depending on the phase position of the evanescent field induced by the laser light, as it travels along the surface of the lattice structure, the charged particles undergo acceleration, deceleration and deflection onto the lattice through their interaction with the electromagnetic field to or away from it, or a combination thereof.
  • particles with the length of the lattice structure undergo an increasing deflection and are deflected into the lattice structure after only a short path length and scattered therefrom, if they have not remained nearly undeflected according to their specific phase position upon entry into the evanescent field and thus increasingly can be accelerated.
  • the scattering at the lattice structure leads to energy loss, to electrical charges of the DLA structure and other undesirable effects, as in the case of very high levels Particle energies and high beam currents to destroy the lattice structure by the deflected into these particles.
  • the invention is therefore based on the further object of making available a device which generates the pulses of electrically charged particles for the above-mentioned method.
  • the photoconductive element has a curved dielectric structure, which is formed for generating the evanescent electromagnetic field by means of a monochromatic and polarized laser light such that the phase angle of the laser light with respect to a predetermined Time window selected particles of the beam in the region of maximum deflection through the field further deflections in the direction of the dielectric structure experienced such that the selected particles move along the curved dielectric structure in the field, wherein a diaphragm, which after the
  • Vacuum channel is provided, only the particles of the pulses formed by the time window passes.
  • the curvature of the dielectric structure depends on the homogeneity of the laser light. In the case of homogeneous laser light, the curvature is a circular segment; in the case of inhomogeneous laser light, the curvature of the illumination distribution must be adjusted (it is usually circular or parabolic).
  • the material of which the dielectric structure is made must be as transparent as possible to the laser light used and should have a high
  • the laser light used here is in the range of 0.2 ⁇ to 20 ⁇ with respect to the wavelength.
  • a favorable range with powerful monochromatic laser sources moves approximately between 0.6 to 1 1 ⁇ .
  • the polarization of the laser light is normally directed parallel to the trajectory of the incoming particles.
  • Functional optimization is accomplished by adjusting the curvature of the dielectric structure and the periodicity of the evanescent electromagnetic field produced by this structure to the velocity of the electrically charged particles such that this results in maximum deflections of the particles selected by the time window, with the deflections along the path of the particles along the dielectric curved structure.
  • the measures according to the invention it becomes possible to select only the particles which are in a region of maximum deflection in one direction, not the particles deflected in another direction and not the accelerated or braked particles.
  • the selection of the particles is accomplished by the evanescent field of the curved dielectric structure imparting forces to the particles along this curvature which deflect them in the direction of the curve.
  • the evanescent electromagnetic field is determined by means of an approximately circular or parabolic shaping of the light-guiding element along the particle path resulting from the deflections, ie the curvature tunes to the speed and thus to the particle trajectory of the selected particles, that they always move in an evanescent field for an accumulation of the deflections, located in an area between the surface of the photoconductive Element and a distance thereof, which corresponds to approximately one wavelength of the laser light or less. All weaker, in a different direction or undeflected, so slowed or accelerated particles leave the
  • the selected particles move, always new distractions experiencing, within the evanescent field towards the aperture.
  • the range selected for the time window should be less than one quarter of the period of the laser light.
  • a range should be chosen which is less than one-eighth of a period (T) of the laser light. The choice is always a compromise, since the advantages of short pulses have the disadvantage that they may contain too few particles.
  • the described deflection process takes place - as already stated - at a very small distance above the curved light-conducting element.
  • the beam diameter must be correspondingly low, preferably only a fraction of a wavelength, in accordance with the low intensity of the evanescent field and a strong exponential decay within a distance of the wavelength ⁇ o from the surface of the dielectric structure.
  • the convergence angle should be about 1 m rad or less.
  • an astigmatic beam which has a small thickness in a direction perpendicular to the photoconductive element and is as wide as possible parallel to the photoconductive element, so that more electrons can be handled at an approximately constant distance in the thin evanescent field.
  • the invention achieves a defined deflection of particles, wherein the degree of deflection in one direction is adjustable through the length of the curved dielectric structure.
  • the distance of the particle beam, the intensity of the laser light and the energy of the particles thereby determine the strength of the curvature and must be coordinated with each other.
  • the range of a given speed relates to the desired energy width of the selected particles, which depends on the respective field of application. If these particles are to be used, for example, in electron microscopy, one would be Energy width between 0.5 and 10 eV expedient.
  • the curved periodic dielectric structure described above also acts as an energy filter for particle beams with a larger energy width ⁇ .
  • this device also has an independent significance insofar as it - operating according to method features a), b) and c) of claim 1 - rejects selected particles of a given speed range from a jet of particles at speeds of a larger speed range and thus acts as an energy filter. It is thus possible to restrict the apparatus to process steps a), b) and c) if one wishes only to obtain particles of a certain speed or also if one wishes to use these in the pulsed form and / or in synchronism with the laser light without another modification
  • the device for modulating a beam of electrically charged particles with the aim of using them as energy filters or generating the pulses mentioned can be used
  • Preliminary stage for further modulation of the beam formed from these pulses for a variety of technical applications is based on the principle of the above-mentioned process steps d) and e). These further modulations are realized by further devices according to the principle of claim 13, wherein the claims 14 to 23 examples of Specify design options for various technical applications. Also to be found below.
  • the deflected particles have the form of pulses whose duration can be lowered by the choice of the time window by means of the diaphragm into the attosecond range. It is of great importance for the practical applications that the pulses have a defined phase relation to the laser light. This makes it possible to selectively subject such pulses with a defined phase position to the amplitudes of the laser light in a further processing to a modulation with evanescent fields of a phase-correlated laser light, because this defined phase position makes it possible by forming a
  • Particles act and other forces can have no effect.
  • they can be selectively accelerated or decelerated on a straight path, or it is possible, again by means of a curved dielectric structure, to move them in a specific direction or through a multiplicity of such Distract structures in spatially modulated form.
  • the latter makes it possible to simulate optical components of the particle optics.
  • the particle pulses targeted with the corresponding phase of a likewise by this laser or another with this frequency and
  • Phase-correlated laser generated evanescent field to bring into interaction so that the behavior of the respective optical device is modeled.
  • Particle optics electron microscopy
  • multipoles phase plates
  • energy filters and other elements of particle optics undulators (particle accelerators), wigglers, etc.
  • the possible miniaturization concerns not only the downsizing of devices, but also the technical equipment and the energy input. This can be realized with chip-based waveguide optics, which can be manufactured very economically. Instead of static electron-optical components with static electric and magnetic fields for acceleration and focusing of the electrically charged particles then pulsed particle beams with laser-generated synchronous evanescent alternating fields in dielectric structures would be orders of magnitude smaller than corresponding static assemblies. Another advantage would be the
  • Electron-optical assemblies are Electron-optical assemblies.
  • a long ( ⁇ 1 mm) curved dielectric structure is advantageous, since a long ( ⁇ 1 mm) relative to the above-mentioned miniaturization weaker laser power is necessary to deflect the beam far enough to sort out the selected particles behind the device by means of the diaphragm with respect to the phase position.
  • CW laser continuous laser
  • pulsed laser nanoseconds to femtosecond pulse duration
  • Particles of the desired phase position For high intensity pulsed laser sources, correspondingly shorter (eg, ⁇ 20 ⁇ m) curved dielectric structures may be used.
  • a relatively long laser wavelength of the laser light has the following advantages:
  • the exponentially decaying evanescent field has a longer range at longer wavelengths (in the infrared and far infrared), ie one can allow a greater distance of the particle beam from the curved dielectric structure and one can allow a larger particle beam diameter and beam divergence To achieve an approximately constant force on the particles in the beam. Both favors a technical realization.
  • the curved dielectric structure may be formed in various ways:
  • the light-conducting element may have a lattice structure with a periodically repeating, near-surface spatial structure change.
  • the spatial structure change is arranged on a base body of the light-conducting element, it being possible for this element to be illuminated both on the structure-remote and on the structure-facing side with the laser light.
  • a row of teeth extending along the curve can be provided.
  • different tooth shapes can be used, angular or rounded or the surface can also have a waveform.
  • a row of holes extending below the surface along the curvature has the desired effect.
  • Other possibilities of near-surface structural shaping of the illuminated dielectric, such as standing on a surface columns or nubs or local changes in the refractive index, are conceivable. Such structures are commonly referred to as photonic lattice structure
  • the curved dielectric structure is detected by the laser by means of a suitable
  • the wavefront propagating from a source at a distance R from the structure has within a Circular segment a circular shape.
  • a dielectric structure of the light-conducting element is to provide a comb-like lattice structure with ends of optical waveguides lined up along the vacuum channel. These optical waveguides must have at least such a distance that a coupling of laser light is excluded.
  • each optical waveguide is then equipped with a device for phase shifting and intensity adjustment, which are used for the phase-synchronous adjustment of the electric field.
  • This adjustment on each optical fiber provides that at each end of an optical fiber the corresponding force acts on the selected particles to move along the curved ends of optical fibers and at the end of that structure a diaphragm with its aperture the time window of the selected particles certainly.
  • the ends of the optical fibers may also be patterned, for example by having their surface having transverse slits with respect to the direction of the particle beam, or even a spatial structure change, as described above.
  • a curved dielectric structure is to provide a ring or loop-shaped closed ring resonator. In a first subarea, this forms the curved dielectric structure along the vacuum channel, and in a second subarea, laser light waves are coupled in by means of the coupling of electric fields from the laser light of another optical waveguide. Thus, the light waves travel in the ring resonator and generate the evanescent electromagnetic field, which acts in the first subarea as already described. In this case, the speed of the particles of the beam to be processed electrically charged particles to the
  • the ring resonator must be designed such that only a certain mode, which generates the desired evanescent field along the vacuum channel, is amplified resonantly by the coupled laser light.
  • the curvature of the dielectric structure can be realized in various ways. In the simplest case it is made by bending - for example adjustable by means of piezoelectric elements - a thin periodic with a row of teeth
  • microstructured wafer obtained.
  • lithographic methods with corresponding microstructuring are advantageous, which in the integrated optics for the production of single-mode optical fibers, resonators, beam splitters and phase shifters on a chip are already state of the art.
  • SiN light waveguides on quartz substrates or Si optical waveguides on sapphire substrates, for example, are used for this purpose, the substrates having a lower refractive index than the monomode waveguides.
  • Ring resonators offers such a technical solution.
  • a specific embodiment provides that two divergently curved light-conducting elements are arranged on both sides of the vacuum channel to produce two bundles of particle beams shifted in accordance with the phase shift of the evanescent fields.
  • the design of these divergently curved light-conducting elements is possible in any of the above-described embodiments.
  • a diaphragm is provided which has two apertures, which are assigned to the one and the other photoconductive element and determine the selected particles exiting there through their opening.
  • This embodiment of the device can serve various purposes. For example, the described
  • the apparatus may be preceded by an energy filter which transmits only the particles of the beam having approximately equal velocity.
  • an energy filter which transmits only the particles of the beam having approximately equal velocity.
  • the following embodiments relate to the practical application of the aforementioned device, wherein a further device of the beam modulation for the respective specific technical application serves for such a practical application:
  • the basic principle of such a practical application is first of all that at least one further device for beam shaping - now the beam of the pulses of selected particles - is arranged downstream of the pulses of the selected particles of the beam after the device for obtaining the ultrashort pulses of electrically charged particles.
  • This further device also operates with an evanescent electromagnetic field and also has a dielectric structure for generating this field.
  • At least one lane of the selected particles wherein the laser light for field generation originates from the same light source as the laser of the device for generating the pulses, is branched off by an optical beam splitter or comes from a laser light source having the same frequency as the laser to the first device and is in phase with this, and this is used to illuminate the dielectric structure and thus the generation of the evanescent electromagnetic field.
  • Essential is the synchronicity between the two devices. Therefore, one can use as light sources either a common laser source whose beam is split in an optical beam splitter, or two laser light sources whose frequency and phase are correlated.
  • the second device also at least one phase shifter and at least one intensity adjustment is provided, so that the phase difference between the two devices is adjustable so that the particles supplied to the further device defined by the field accelerated, decelerated, modulated with respect to the beam intensity or to form pulse trains or can be deflected in a particular or adjustable direction.
  • the pulses with the particles can be from one of the
  • Devices of the above type or from any other device for generating ultrashort pulses originate when they have a synchronicity with a laser light.
  • the dielectric structure may have a periodically repeating surface-near structural change, as has already been described above for the pulse-generating device. It is also possible, according to the above description, to form a dielectric structure from ends of optical waveguides whose field formation can be controlled by phase shifters and / or intensity adjustments in the above-mentioned manner.
  • the third possibility of a dielectric structure would also be - as described for the first device - at least one annular or loop-shaped closed ring resonator.
  • the dielectric structure may run along a straight line so that the selected particles can be accelerated or decelerated.
  • the dielectric structure serves as a curved dielectric structure for deflecting the selected particles. It is particularly interesting for many applications, if such a dielectric structure is arranged spatially distributed so that the selected particles form spatially distributed beams.
  • the spatial distribution of the structure can be rotationally symmetrical in order to simulate the beam particle course of an optical round lens by means of the field generation. Depending on the configuration and phase position of the particles entering the structure, a converging or a diverging beam path can be achieved.
  • n number of poles
  • a field generation is provided with phase-shifted segment sections, so that by means of alternating polarizations of the segment segments of the beam path of a multipole can be simulated.
  • adjacent elements of the arrangement each have a phase shift of half a period, which is characterized by the setting of
  • Phase shifters can be realized, which are upstream of the individual elements.
  • Individual elements are again fed by a common or a phase-correlated laser source.
  • Electron microscope is illuminated with an illumination beam of pulses of selected parts.
  • the dielectric structure is then designed such that selected particles of a direct beam are imparted a phase offset by deceleration and / or acceleration with respect to the beams diffracted by the sample, such a phase shift being achieved that a phase contrast image of an electron or ion microscope can be generated.
  • the dielectric structure includes a structural phase offset by half a period (Ape "ode) au f.
  • FIG. 1 shows a device of the prior art for explaining the
  • Fig. 3 shows an example of a laser light illumination for a curved
  • FIG. 8 shows the principle of a practical application
  • FIG. 10 shows a longitudinal section through a particle-optical round lens with a plurality of curved dielectric elements
  • FIGS. 11 and 11a show a particle-optical phase shifter
  • Fig. 1 shows a prior art device 40 for explaining the physical principle. Shown is the section through a photoconductive element 4, which consists of a
  • the vacuum channel 3 is formed, into which a beam 1 is electrically formed
  • the arrows indicate the electric field components of the evanescent electromagnetic field 2, where with 2 ', 2 ", 2"' and 2 "" the local changes of direction of the field strengths of the electric field components to a
  • the arrows 41 ', 42', 43 'and 44' on the particles 41, 42, 43 and 44 show schematically the
  • Reference numeral 42 shows a particle undergoing deceleration 42 'according to this field.
  • Reference numeral 43 indicates a particle undergoing a deflection 43 'toward the photoconductive member 4.
  • reference numeral 44 indicates a particle undergoing a deflection 44 'of this particle away from the photoconductive element 4.
  • Figs. 2a to 2d show the operation of the invention with reference to a first embodiment of the same.
  • the light-conducting element 4 has a curved dielectric structure 4 ', which in this exemplary embodiment is designed as a spatial structural change 8 with a basic body 9, this being a lattice structure 4' with a row of teeth 1 1, which performs this curvature is formed.
  • this lattice structure 4 ' is here adapted, with respect to the periodicity of this structure and the curvature thereof, to the velocity of the electrically charged particles 1 such that particles 6 of a given deflection move within the evanescent electromagnetic field 2, thereby following the curvature, that they always experience the deflection in the direction of the light-conducting element 4 through the field 2. They are, so to speak repetitions of distractions, as shown above with reference to the particle 43 with the deflection 43 '.
  • the particle 43 does not fly into the light-conducting element 4, but follows exactly the curvature through its interaction with the evanescent field 2 and thereby moves in the evanescent electromagnetic field 2 within the range of this field, the This corresponds to the expansion range of approximately one wavelength (Ao) 5 "of the laser light 5.
  • This produces selected particles 6 which occur in pulses 46 and which, unlike particles 45 which were not distracted or otherwise deflected, pass through the diaphragm aperture T of the diaphragm 7.
  • the unselected particles 45 are intercepted by the diaphragm 7. Since the particles 6 mainly experience only a force acting on the dielectric structure perpendicular to their instantaneous velocity direction, the velocity hardly changes with respect to their magnitude and thus the energy of the particles.
  • the diagrams above show the number of particles 51 as a function of the time t.
  • the selected particles 6 in this case have the form of pulses 46 which occur in the period T - shown by the reference numeral 5 '- of the laser light 5.
  • the underlying field strength / time diagram 47 shows the course of the temporal change of electric field strength in the same time t, which acts on the particles depending on the phase position 48. Since the aperture 7 only lets through the particles deflected most strongly in one direction of a certain range, the pulses 46 are produced. All other non-selected particles 45 pass into the diaphragm 7.
  • FIGS. 2 b and 2 c show subsequent times with different deflections, these particles each going into the aperture 7 as non-selected particles 45. Only in FIG. 2 d is the point in time of the maximum deflection reached again, in that the selected particles 6 are again passed by the diaphragm 7. In this way, the next pulse 46 is formed at a distance 5 'from the preceding pulse 46, whereby this also has the width 6' of the time window ⁇ .
  • the selected particles 6 Upon leaving the region of influence of the curved dielectric structure 4 ', the selected particles 6 continue to travel in a straight trajectory, i. the farther the diaphragm 7 is away from the structure, the easier it is to separate the particles 6.
  • the diaphragm 7 is away from the structure, the easier it is to separate the particles 6.
  • it is more favorable to use a larger curvature of the dielectric structure with correspondingly higher laser intensity for particle deflection.
  • the diaphragm 7 either as a single-sided or double-sided cutting edge or as a perforated diaphragm of a suitable shape.
  • FIG. 3 shows a laser light illumination of a curved dielectric structure 4 ', wherein the laser light 5 is uniformly supplied to the curved dielectric structure 4' via a taped optical fiber end 5 "', which has approximately the thickness of the light guide but continuously becomes wider the light wavefront exactly matched to the dielectric structure 4 'to be illuminated, so that it is simultaneously applied to all areas of the structure 4 meets.
  • the incidence of light is directed in the direction of the radii of curvature R at each point of their curvature perpendicular to the structure 4, wherein the taped optical fiber end 5 "', starting at the center of the radii R fanning out the coming through the light guide laser light 5 over the entire curvature.
  • Dielectric structure can be achieved from the combination of a diverging lens and a cylindrical lens.
  • the curved dielectric structure as a spatial lattice structure 4 'of the light-conducting element 4, thereby undergoing a near-surface structural change 8, is formed as a row of holes 12, which lie directly under the surface, seen in the direction of the vacuum channel 3 - is.
  • a straight section of the light-conducting element 4 is drawn, which, according to the invention, naturally has to run in the above-described curved shape. The effect corresponds to the one described above.
  • the light-conducting element 4 as a curved dielectric structure is a comb-like lattice structure 4 "comprising ends 13 of monomode optical waveguides 14.
  • the ends 13 of the optical waveguides 14 must have a spacing which causes an overcoupling of laser light 5.
  • a device for phase shifting 15 and a device for intensity adjustment 16 are provided for each of the optical waveguides 14. Both can be realized as very fast electronically adjustable optical components In this way also here particles 6 are selected, which at each end 13 of a
  • Optical waveguide 14 undergo such a deflection that they follow the curved structure, which is here given by the strung ends 13 of the optical waveguide 14, such that they are deflected again and again so that they are evanescent
  • an aperture 7 is provided which predetermines the time window 6 'of the selected particles 6 through its aperture 7'.
  • the laser light 5 is fed here coming from a laser light source in an optical waveguide, which supplies all optical waveguides 14 with the same laser light 5 through the beam splitter 27.
  • FIGS. 6 and 6a show a third embodiment of the invention in which the photoconductive element 4 is formed as a curved dielectric structure 4 '' with a ring or loop-shaped ring resonator 17 made of a single-mode optical waveguide 17.
  • This ring resonator 17 has a first subregion 18 on, along the
  • Vacuum channel 3 is guided and there generates the evanescent electromagnetic field 2, which is the deflection of the particles - as already described - used.
  • the ring resonator 17 is designed such that only one mode (transverse mode) is formed whose evanescent field 2 acts similar to that of the dielectric element 4 'of FIGS. 2a to 2d according to the physical principle described with reference to FIG. Again, at the end of the curved dielectric structure 4 "', a diaphragm 7 with an aperture T
  • the laser light 5 is fed to generate the evanescent electromagnetic field 2 in a second portion 19, which adjoins another light guide 20. This is done by a weak evanescent coupling between
  • Ring resonator 17 and light guide 20 in the partial area 19 Ring resonator 17 and light guide 20 in the partial area 19.
  • Fig. 6a shows an enlarged section of the curved dielectric structure 4 "'of the ring or loop-shaped ring resonator 17.
  • the circles denoted by plus and minus symbolize the maximum positive or negative field amplitudes of the laser light 5 at a certain time, as already in the Here, too, evanescent fields 2 are generated, which move at the same phase velocity as the particles and which deflect the electrically charged particles of the beam 1 in such a way as has already been described above
  • Wavelength in the optical waveguide 20 of the ring resonator 17 is determined by the frequency and the dielectric constant n (typically: 1, 4 ⁇ n ⁇ 4) and thus determines the periodicity and particle velocity.
  • n typically: 1, 4 ⁇ n ⁇ 4
  • possible particle energies are relatively limited, but the extremely high quality is a great advantage of ring resonators, which allows to realize very large evanescent fields 2, even if you only with the resonator low laser powers.
  • the field lines are shown by way of example.
  • the field 2 of course acts in the sub-area 18, with corresponding field lines (the drawing below was made for reasons of space).
  • Aperture T is expediently a pinhole in order to limit the pulses 46 of selected particles 6 on all sides.
  • Fig. 7 shows an embodiment with double-sided dielectric structures, wherein the light-conducting element 4, 4 ', a further dielectric light-conducting element of inverted curvature 4, 50 is arranged opposite.
  • the inverted-curvature element 50 is also illuminated with laser light 5. It may be the same laser light 5, as in the light-conducting element 4 ', since this is transparent, or it can - as shown - be applied separately with laser light 5. Geometry and / or illumination of the inverted-curvature element 50 must be such that the inverted-curvature element 50 forms an evanescent field 49 which enhances the deflection of the evanescent field 2 of the former dielectric structure 4 'with respect to the deflection of the selected particles 6, this deflects away from the reverse curvature of the element 50. The distance between the geometric shapes of the near-surface structures of the elements 4 and 50 is such that the fields 2 and 49 overlap reinforcing.
  • the beam 1 Since the non-selected particles of the beam 1 enter the element with the inverted curvature 50 here, the beam 1 must not have such high energy that it can have a destructive effect on this element 50. For example, in the field of electron microscopy, the energies are correspondingly low.
  • a shutter 7 is not mandatory because the element 50 receives the unselected particles 45 (not shown), thereby largely taking over the function of this shutter.
  • the dielectric element 50 is - in addition to its amplification function - an aperture 7, since it can also define the time window 6 'of the particles 6 for the pulses 46.
  • FIG. 7 shows, by way of example only, dielectrically curved elements 4 ', 50 configured with rows of teeth 11, such as a bilateral dielectric structure for reinforcing the evanescent field 2 by a further evanescent field 49 can be constructed.
  • the two structures 4, 50 can also be designed as curved dielectric structures 4 ", ie as comb-like grating structures 4, 50 in the form of ends of optical waveguides (as shown in FIG. 5) or as curved dielectric structures 4"'in the form of FIG annular or loop-shaped ring resonators 17 (as shown in Figures 6 and 6a) are configured.
  • prior art straight-sided dielectric structures for accelerating particles are known in the prior art, the evanescent fields generated by the laser light are optimized such that the deflecting forces on the particles are not enhanced, as opposed to the curved structure of the invention, but minimized.
  • Fig. 8 shows the principle of a practical application of the invention.
  • a light-conducting element 4 is drawn with a curved dielectric structure 4 ", ie a comb-like lattice structure 4" of ends 13 of monomode optical waveguides 14, as already described with reference to FIG. 5.
  • a curved dielectric structure 4 ' may also be provided as a spatial lattice structure or a curved dielectric structure 4' 'may be provided as a ring or lattice structure
  • photoconductive member 21 which may correspond to one of the devices described above or is adapted to a specific purpose, as is still described to the figures 10, 10a and 1 1, 1 1 a.
  • the illustrated further apparatus for beam shaping 22 here corresponds to the curved dielectric structure 4 "of ends 31 of optical waveguides 32.
  • an evanescent electromagnetic field 23 is generated, which in the course of certain field alignments along the curved structure on the pulses 46 of the particles 6 reinforcing
  • phase shifters 28 and intensity adjustments 29 which set the field 23 so that the selected particles 6 from the first device will be present one of each of their pulses 46
  • Device 22 This is achieved by the same frequency and phase correlation of these fields 2 and 23 generating lasers 5 and 25. Either they come from the same source 26 and are branched by means of a beam splitter 30, or the phase shifters 15, 28, possibly also 28 ', serve to establish the phase correlation. Instead of a laser source 26 can also be two phase and frequency synchronized
  • Monomode lasers are used. Since here the light-conducting element 21 of the second device 22 is formed as a curved dielectric structure 4 ", an amplification of the deflection is considered here, but the dielectric structure of the further beam-shaping device 22 can also be a structure 4 'or 4"'. Similarly, can be used as another device for
  • a particle accelerator which, unlike the prior art particle accelerators, utilizes attosecond pulses and can be accommodated in a small space.
  • a practical advantage of the illustrated comb-like curved dielectric structure (4 'and 24') of monomode optical fibers 14 and 32 is the high flexibility and extremely fast variability due to the individual phase shifters 15 and 28 and
  • Intensity adjusters 16, 29 of each individual optical waveguide 14 and 32 are electronically adapted to the speed (energy) of the particles without new dielectric structures must be made, for example, in an electron microscope, the beam energy (and thus the energy of the beam 1) changes.
  • optical phase shifter and intensity settings up to several GHz, so can work in the subnanosecond range.
  • these optical waveguide structures and electronically controllable phase shifter 15, 28, intensity adjuster 16, 29 or other optical assemblies realize on a chip.
  • FIG. 8 thus shows the principle of application of the devices according to the invention - both the device for generating the pulses 46 and the further device 22 for further modulation of these pulses 46 -, of course, numerous modulations of the beam of selected particles 6 are realized can. Spatially formed beam modulations, which make it possible to emulate elements of particle or electron optics, as will be described by way of example, are of great importance. The illustration only shows the principle according to which the pulses 46 of the selected particles 6 can be further processed for numerous applications.
  • Fig. 9 shows an apparatus for generating a beam 6 "and a
  • a light-conducting element 4 is combined with an identical, but in the opposite direction curved, light-conducting element 4, so that two evanescent electromagnetic fields 2 arise along the respective structure of the two light-conducting
  • two bundles 6 "and 6" 'of selected particles 6 are formed from the beam 1 of electrically charged particles in the above-mentioned manner, depending on how the phase-correlated laser illuminations 5 of the two sides
  • the time windows ⁇ of the selected particles 6 are determined by a diaphragm 7 having a first diaphragm opening T and a second diaphragm opening 7 ".
  • the light-conducting element 4 can be configured in any of the above-described manner.
  • the evanescent electromagnetic fields 2 in both directions such that the beams 6 "and 6"'are each pulsed.
  • the pulse delay between the two pulses can be adjusted arbitrarily in the attosecond range when the irradiated laser light 5 in the left-hand structure is out of phase with the laser light 5 in the right-hand structure.
  • the beam 6 "and the reference beam 6"' can then - as already mentioned above - serve various technical applications, such as, for example, biprism in holography, in (quantum) interference experiments or for pump-probe experiments.
  • FIG. 10 and 10a show a particle-optical round lens 35, which is constructed according to the invention.
  • FIG. 10 shows a longitudinal section and
  • FIG. 10 a shows a cross section (or a top view).
  • the spatial distribution of the structure is 24
  • Beam particle 34 of a round optical lens 35 has effect.
  • the aperture must be of a size which allows the evanescent field to detect all the necessary spatially distributed beams 33, that is, it should not substantially exceed about 2 Ao in diameter.
  • a diverging lens is shown, for a converging lens, the curvature of the dielectric structure 24 would have to extend inwardly to produce a converging optical path.
  • the dielectric structure 24 can be a dielectric structure 24 'with a spatial structure change, or a dielectric structure 24 ", which consists of ends 31 of FIG
  • this dielectric structure 24 may also be a dielectric structure 24 "'composed of ring resonators 17.
  • this dielectric structure 24 may have curvatures (see above) for the generation of the beam path or a straight course and phase shifter 28 and intensity settings 29, a small amount of beam divergence or convergence can be set, here numerous designs are possible, the embodiments are merely exemplary.
  • Fig. 10a shows a section 36 through the circular lens 35.
  • segment sections 37 to produce the diverging beam path of the circular lens 35.
  • the many segment sections 37 which - as shown in FIG. 10 - repeat in spatial depth from one ring 36 of segment sections 37 to the next ring 36, generate the respective desired beam path, converging or diverging.
  • the illustrated embodiment the
  • Segment sections 37 seen vertically eight devices 22 as shown in FIG. 8, so spatially arranged around the beam path 34.
  • the number is of course only exemplary.
  • each segment portion 35 is illuminated by laser light 5, which then to achieve the desired Strahlteilchenverlaufs, such as the
  • Strahlteilchenverlaufs 34 a round lens 35, for each segment section 37 is phase and intensity controlled accordingly.
  • a multipole can also be made if by
  • Segment segments 37 are generated electromagnetic fields corresponding to the positive and negative polarities of a magnetic or electrical multipole lens. In the illustration, this would be an example of an octopole.
  • Figs. 11 and 11a show the application of the invention to a particle-optical
  • Phase shifter for a transmission electron microscope Such phase shifters serve to increase image contrast by producing a particle-optical phase shift between the beams 38 "'and the direct beam 38" "rejected by a sample 38.
  • the illumination beams 38" for illuminating the sample 38' consist of pulses 46 selected particles 6, which are produced by one of the above-described devices.
  • Fig. 11 first shows the principle of imaging the sample 38 'with phase contrast to which illumination beams 38 "are directed and then interference of diffracted beams 38"' and the direct particle wave phase shifted reference beam 38 "" is produced.
  • the electron optical lenses are omitted here for the sake of simplicity.
  • the illuminating beam 38 " has been pulsed phase-correlated in the attosecond range by a device according to FIGS. 2 to 7, so that a modulation of the particles selected from pulses 46 by means of the laser light 25, which is also phase-correlated to the laser light 5 of the first device
  • the direct beam 38 "" passes through the phase-shifting dielectric structure 38, wherein Fig. 11a shows a section of this structure Pitch offset 39 in the structure 38 of A pe Riode instead - A per iode, which causes the direct
  • Beam 38 "" is first accelerated by an amount and then decelerated by the same amount, the particle beam 6 "", which is in phase proportional to this particle-optical phase arises. It forms together with the diffracted rays 38 "'the phase contrast image.
  • the illustrated embodiments are merely exemplary, the separation of pulses 46 from particles 6 selected within a given time window 6 'is essential. This makes it possible to modulate the ultrashort pulses 46 of selected particles 6 in a further device 22 in a predetermined manner.
  • the curved dielectric structure 4 ', 4 ", 4"' for deflecting the selected particles 6 can also be configured in a different way than the enumerated structures and also the second device 22 from a variety of dielectric structures 24 ', 24 ", 24"' can exist.
  • selected particles 6 in pulses 46 take only a fraction of a period (T) 5 'of the laser light 5 and have such a synchronicity to this that they can be used for targeted further processing of these pulses 46.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modulation eines Strahls (1) elektrisch geladener Teilchen, wobei Pulse (46) ausgewählter Teilchen (6) einer vorgegebenen Geschwindigkeit ausgesondert werden, deren Pulsfolge mit der Periodendauer (5') eines Laserlichts (5) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon synchron ist, diese Pulse (46) werden einem durch dieses Laserlicht (5) oder durch ein phasenkorreliertes Laserlicht gleicher Frequenz (25) erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Feld (23) zugeführt, das die Pulse (46) der ausgewählten Teilchen (6) für den gewünschten Verwendungszweck moduliert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung der Pulse (46) ausgewählter Teilchen (6), die durch ein mittels des Lasers (5) erzeugtes evaneszentes elektromagnetisches Feld (2) einer gekrümmten dielektrischen Struktur (4', 4", 4"') mittels Ablenkung und einer die Pulsdauer (6') bestimmenden Blende (7) ausgewählt werden. Die Erfindung betrifft auch eine weitere Vorrichtung (22), die durch das Laserlicht (5, 25) ein evaneszentes elektromagnetisches Feld (23) erzeugt, das die Pulse (46) ausgewählter Teilchen (6) für den jeweiligen Verwendungszweck moduliert.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen sowie Anwendungsbeispiele für die praktische Anwendung solcher
Vorrichtungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, bei dem Pulse elektrisch geladener Teilchen erzeugt und dann durch ein zu diesen Pulsen phasensynchron wechselndes Feld gezielt moduliert werden.
Solche Verfahren sind im Stand der Technik aus der konventionellen
Hochfrequenztechnologie bekannt, wobei Pulse erzeugt werden, die zu monochromatischen elektromagnetischen Wellen kohärent sind, um auf diese Weise elektrisch geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) zu beschleunigen. Die elektromagnetischen Wellen wurden dabei von metallischen Resonatoren erzeugt, wobei die relativ große Wellenlänge solcher
Wechselfelder zu enormen Ausmaßen und Kosten für die Realisierung der heutigen
Teilchenbeschleuniger führte. Für die konventionellen metallischen Hochfrequenz- Resonator-Strukturen, die bis in den der GHz-Bereich gingen (Periodendauern von >=
100 ps) war es bislang ein relativ leicht lösbares Problem, mit einer Teilchenquelle genügend kurze, zu den Wechselfeldern synchrone Pulse (<= 10 ps) mit definierter Phasenbeziehung zum elektromagnetischen Hochfrequenzfeld bereitzustellen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Technik erheblich zu verkleinern.
Dies wird durch ein Verfahren zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen erreicht, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Es wird ein Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugt.
b) Es wird ein Laserlicht mit der Periodendauer T erzeugt.
c) Aus dem Strahl werden in Zeitfenstern ΔΤ, die ein Bruchteil der Periodendauer T dauern, Pulse ausgewählter Teilchen im Bereich einer vorgegebenen Geschwindigkeit ausgesondert, wobei die Pulsfolge bezüglich der Periodendauer T oder einem
ganzzahligen Vielfachen davon mit dem Laserlicht synchron ist. d) Die Pulse werden einem evaneszenten elektromagnetischen Feld an der Oberfläche einer Struktur, die einen periodischen Wechsel des Feldes erzeugt, zugeführt, wobei das Feld durch das Laserlicht oder durch ein phasenkorreliertes Laserlicht gleicher Frequenz entsprechend seiner Periodendauer T derartige Feldstärken aufweist, daß die Pulse den gleichen beschleunigenden, abbremsenden oder ablenkenden Kräften ausgesetzt sind. e) Der Schritt d) wird, wenn die Pulse das Feld passieren, mehrmals mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Kraftwirkungen wiederholt, bis die gewünschte Strahlmodulation erreicht ist. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Pulse von Teilchen zu erzeugen, die durch ihre Synchronität zu einem Laserlicht mittels eines durch dieses erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Feldes periodisch, z. B. an den Wellenbergen, modulierbar sind. Die Modulation kann dabei eine Beschleunigung, Bremsung oder Ablenkung oder eine beliebige Kombination daraus sein. Voraussetzung dafür ist es jedoch, Pulse von Teilchen zu erzeugen, die eine feste Phasenbeziehung zu dem Laserlicht haben, was voraussetzt, daß diese Pulse deutlich kürzer als die Periodendauer des Laserlichts sind.
Aus diesem Grund ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung die Verfügbarmachung von Vorrichtungen, die solche Pulse von Teilchen gemäß den oben genannten Merkmalen a), b) und c) erzeugen und schließlich auch Vorrichtungen, die derartige Pulse entsprechend der oben genannten Merkmale d) und e) derart modulieren, wie dies für die zahlreichen denkbaren Einsatzzwecke erforderlich ist.
Darum betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, wie Elektronen oder Ionen, wobei ein Teilchenstrahl durch einen
Vakuumkanal entlang der Oberfläche eines lichtleitenden Elements innerhalb der Reichweite eines evaneszenten elektromagnetischen Feldes geführt wird, wobei das Feld durch
Beaufschlagung des Elements mit Laserlicht induzierbar ist und durch den phasenlagen- abhängigen Richtungswechsel der Feldstärken auf die Teilchen beschleunigend, bremsend, vom lichtleitenden Element weg und zu ihm hin ablenkend wirkt. Eine solche, bisher hauptsächlich zur Teilchenbeschleunigung genutzte Vorrichtung ist ebenfalls bekannt.
Die zugrundeliegende physikalische Grundlage ist die Wechselwirkung eines geladenen Teilchenstrahls (in der Regel eines Elektronenstrahls) im Vakuum mit dem
elektromagnetischen Feld eines Lasers. Diese ist aus Gründen der Energie und Impulserhaltung nur im evaneszenten Feld von Materie möglich. Die Reichweite der
Wechselwirkung ist dabei nur von der Größenordnung einer Wellenlänge (Ao) des
verwendeten Laserlichts. D.h. der Teilchenstrahl muß im Vakuum und dabei in einem kleinen Abstand (< Ao) nahe der Materieoberfläche geführt werden, um eine Wechselwirkung zu erfahren. Es ist bekannt, daß innerhalb der Periodendauer des Lichts ein geladenes Teilchen durch die Wechselwirkung im evaneszenten Feld einer periodischen Lichtleiterstruktur je nach Phasenlage des elektromagnetischen Feldes eine Ablenkung, Beschleunigung, Abbremsung oder eine Kombination daraus erfährt. Die praktische Umsetzung der vorgenannten Wechselwirkung von Laserlicht mit geladenen Teilchenstrahlen ist in der Literatur beschriebenen, z. B.: P. Hommelhoff, J. Breuer „Dielectric laser acceleration of 28 keV electrons with the inverse Smith Purcell effect", in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 740, 2014, 1 14-1 16, oder E. A. Peralta et al.,„Demonstration of electron accelerationin a laser-driven dielectric
microsturucture", 7 November 2013, VOL 503, NATURE 91 . Aus diesen Veröffentlichungen sind auch entsprechende dielektrische Laserbeschleuniger (DLA-dielectric laser accelerator) bekannt. Das Prinzip wird zu Fig. 1 beschrieben. Dabei läuft ein Teilchenstrahl im Vakuum in geringem Abstand zur Oberfläche über eine von einem Laserstrahl beleuchtete kammartige transparente dielektrische Gitterstruktur, in welcher der Abstand der Kammzähne an die Geschwindigkeit (bzw. Energie) der Teilchen angepaßt sind. Die Periode der Gitterstruktur ist dabei Aperiode = ^ Ao < Ao (v = Geschwindigkeit des Teilchens, c = Lichtgeschwindigkeit) - das heißt also, daß die Periode der Gitterstruktur um den Faktor - kleiner sein muß als die c
Wellenlänge des Laserlichts. Im elektromagnetischen evaneszenten Feld der Gitterstruktur erfahren die geladenen Teilchen hierbei je nach Phasenlage des durch das Laserlicht induzierten evaneszenten Feldes bei ihrem Weg entlang der Oberfläche der Gitterstruktur durch die Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld eine mit der Länge derselben zunehmende Beschleunigung, Abbremsung sowie Ablenkung auf das Gitter zu oder weg davon, bzw. eine Kombination daraus. Bei einer derartigen Vorrichtung erfahren Teilchen mit der Länge der Gitterstruktur eine zunehmende Ablenkung und werden schon nach kurzer Bahnlänge in die Gitterstruktur hinein abgelenkt und an dieser gestreut, falls sie nicht entsprechend ihrer speziellen Phasenlage beim Eintritt in das evaneszente Feld nahezu unabgelenkt geblieben sind und dadurch zunehmend beschleunigt werden können. Die Streuung an der Gitterstruktur führt zum Energieverlust, zu elektrischen Aufladungen der DLA-Struktur und anderen unerwünschten Effekten, wie im Fall von sehr hohen Teilchenenergien und hohen Strahlströmen zur Zerstörung der Gitterstruktur durch die in diese abgelenkten Teilchen.
In der US 7,994,472 B2 wird eine Vorrichtung dieser Art vorgeschlagen, bei der eine
Ablenkung von Teilchen des Strahls parallel zum Vakuumkanal, also nicht in Richtung der Gitterstruktur, erzielt wird. Dies wird durch eine Gitterstruktur erreicht, die in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel zur Richtung des Strahls, also schräg, verläuft. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist eine ultraschnelle sinusförmige Richtungsänderung der Teilchen innerhalb des Vakuumkanals. Die damit erzielten kohärenten Gamma- oder Röntgenfrequenzen werden für Detektoren, medizinische Behandlung, Wiggler usw. genutzt. Die für das eingangs genannte Verfahren erforderlichen Pulse können damit jedoch nicht erzeugt werden.
Der Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung verfügbar zu machen, die die Pulse elektrisch geladener Teilchen für das oben genannte Verfahren erzeugt.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der oben genannten Art dadurch gelöst, daß das lichtleitende Element eine gekrümmte dielektrische Struktur aufweist, wobei diese zur Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes mittels eines monochromatischen und polarisierten Laserlichts derart ausgebildet ist, daß die zur Phasenlage des Laserlichts bezüglich eines vorgegebenen Zeitfensters ausgewählten Teilchen des Strahls im Bereich maximaler Ablenkung durch das Feld weitere Ablenkungen in Richtung der dielektrischen Struktur derart erfahren, daß sich die ausgewählten Teilchen entlang der gekrümmten dielektrischen Struktur in dem Feld bewegen, wobei eine Blende, die nach dem
Vakuumkanal vorgesehen ist, nur die Teilchen des durch das Zeitfenster gebildeten Pulse hindurchläßt.
Die Krümmung der dielektrischen Struktur hängt von der Homogenität des Laserlichts ab. Bei homogenem Laserlicht ist die Krümmung ein Kreissegment, bei inhomogenem Laserlicht muß die Krümmung der Beleuchtungsverteilung angepaßt werden (sie ist in der Regel kreisförmig oder parabolisch). Das Material, aus dem die dielektrische Struktur besteht, muß für das verwendete Laserlicht möglichst transparent sein und sollte eine hohe
Durchbruchfeldstärke aufweisen. Übliche Materialien sind z.B. Quarz, Silizium, Siliziumnitrit, Saphir oder Magnesiumfluorid. Für nicht so hohe Laserleistungen sind auch transparente Polymere denkbar.
Das hier verwendete Laserlicht liegt bezüglich der Wellenlänge in einem Bereich von 0,2 μ bis 20 μ. Ein günstiger Bereich mit leistungsstarken monochromatischen Laserquellen bewegt sich etwa zwischen 0,6 bis 1 1 μηη. Die Polarisation des Laserlichts ist dabei im Normalfall parallel zur Bahntrajektrorie der eintretenden Teilchen gerichtet.
Eine Funktionsoptimierung erfolgt dadurch, daß die Krümmung der dielektrischen Struktur und die Periodizität des durch diese Struktur erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Feldes an die Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen derart angepaßt sind, daß dies zu maximalen Ablenkungen der durch das Zeitfenster ausgewählten Teilchen führt, wobei sich die Ablenkungen auf dem Weg der Teilchen entlang der dielektrischen gekrümmten Struktur aufsummieren.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird es möglich, nur die Teilchen auszuwählen, die sich in einem Bereich maximaler Ablenkung in eine Richtung befinden, nicht die in eine andere Richtung abgelenkten Teilchen und nicht die beschleunigten oder die abgebremsten Teilchen. Die Auswahl der Teilchen erfolgt dadurch, daß das evaneszente Feld der gekrümmten dielektrischen Struktur entlang dieser Krümmung Kräfte auf die Teilchen ausübt, die diese in Richtung der Krümmung ablenken. Durch eine Abstimmung der Periodizität des Feldes mit der Geschwindigkeit der Teilchen wird dann erreicht, daß einmal abgelenkte Teilchen sukzessive an jedem die Ablenkung bewirkenden Feldbereich weiter abgelenkt werden (Verstärkung), indem man das evaneszente elektromagnetische Feld mittels einer annähernd kreisförmigen oder parabolischen Formgebung des lichtleitenden Elements entlang der durch die Ablenkungen entstehenden Teilchenbahn führt, also die Krümmung derart auf die Geschwindigkeit und damit auf die Teilchenbahn der ausgewählten Teilchen abstimmt, daß diese sich für eine Aufsummierung der Ablenkungen immer im evaneszenten Feld bewegen, das sich in einem Bereich zwischen der Oberfläche des lichtleitenden Elements und einer Entfernung davon erstreckt, die ungefähr einer Wellenlänge des Laserlichts oder weniger entspricht. Alle schwächer, in eine andere Richtung oder nicht abgelenkten, also abgebremsten oder beschleunigten Teilchen verlassen den
Einflußbereich des entsprechend dem Lichtleiter gekrümmten evaneszenten Feldes und fliegen dann ohne weitere Krafteinwirkung geradeaus bis sie von der Blende abgefangen werden. Die ausgewählten Teilchen bewegen sich, immer wieder neue Ablenkungen erfahrend, innerhalb des evaneszenten Feldes auf die Blendenöffnung zu. Diese bestimmt durch ihre Öffnungsweite wie groß das Zeitfenster ist, das den Bereich der Auswahl der abgelenkten Teilchen begrenzt. Der für das Zeitfenster gewählte Bereich sollte weniger als einem Viertel der Periodendauer des Laserlichts entsprechen. Um jedoch kurze Pulse von Teilchen zu erhalten, welche nur eine geringe Beschleunigung oder Abbremsung - d.h. nur eine geringe Energieänderung - in Vorwärtsrichtung erfahren, sollte ein Bereich gewählt werden, der weniger als ein Achtel einer Periodendauer (T) des Laserlichts beträgt. Die Auswahl ist dabei immer ein Kompromiß, da die Vorteile kurzer Pulse mit dem Nachteil behaftet sind, daß diese möglicherweise zu wenige Teilchen enthalten.
Diese Pulse sind dann synchron mit den Feldstärkenamplituden des Laserlichts und weisen eine von der Blendenöffnung bestimmte Zeitdauer (ΔΤ) auf. Der geschilderte Ablenkungsvorgang findet - wie schon ausgeführt - in einem sehr geringen Abstand über dem gekrümmten lichtleitenden Element statt. Der Strahldurchmesser muß entsprechend der geringen Stärke des evaneszenten Feldes und eines starken exponentiellen Abfalls innerhalb eines Abstandes der Wellenlänge λο von der Oberfläche der dielektrischen Struktur entsprechend gering sein, vorzugsweise nur einen Bruchteil einer Wellenlänge,
beispielsweise bei einem Laser der Wellenlänge 1.500 nm ein Durchmesser von weniger als 150 nm. Auch in die Parallelität werden hohe Anforderungen gestellt, der Konvergenzwinkel sollte etwa 1 m rad oder weniger betragen.
Zur Wirkungsmaximierung kann auch ein astigmatischer Strahl verwendet werden, der eine geringe Dicke in einer Richtung senkrecht zum lichtleitenden Element aufweist und parallel zum lichtleitenden Element möglichst breit ist, so daß mehr Elektronen mit annähernd konstantem Abstand in dem dünnen evaneszenten Feld gehandhabt werden können.
Durch die Erfindung wird eine definierte Ablenkung von Teilchen erreicht, wobei das Maß der Ablenkung in eine Richtung durch die Länge der gekrümmten dielektrischen Struktur einstellbar ist. Der Abstand des Teilchenstrahls, die Intensität des Laserlichts und die Energie der Teilchen bestimmen dabei die Stärke der Krümmung und müssen aufeinander abgestimmt werden.
Der Bereich einer vorgegebenen Geschwindigkeit betrifft die gewünschte Energiebreite der ausgewählten Teilchen, die vom jeweiligen Anwendungsbereich abhängig ist. Sollen diese Teilchen beispielsweise in der Elektronenmikroskopie eingesetzt werden, wäre eine Energiebreite zwischen 0,5 und 10 eV zweckmäßig. Die Breite der Energieverteilung ΔΕ um eine mittlere Energie E sollte dabei möglichst von der Größenordnung der Photonenenergie hod = hc ^
des verwendeten Laserlichts oder geringer sein, wobei gilt:
Planksches Wirkungsquantum = h= 6,58... * 10"16 eVs,
h( > = Photonenenergie,
c = Lichtgeschwindigkeit
Da die Blende zu langsame oder zu schnelle Teilchen abfängt, weil dann die Synchronität mit dem evaneszenten Feld auf der gesamten Länge der gekrümmten dielektrischen Struktur nicht mehr besteht, wirkt für Teilchenstrahlen mit größerer Energiebreite ΔΕ die oben beschriebene gekrümmte periodische dielektrische Struktur daher auch als Energiefilter.
Dieser Vorrichtung kommt neben der Pulserzeugung insoweit auch eine selbständige Bedeutung zu, daß sie - nach den Verfahrensmerkmalen a), b) und c) des Anspruchs 1 arbeitend - ausgewählte Teilchen eines vorgegebenen Geschwindigkeitsbereichs aus einem Strahl von Teilchen mit Geschwindigkeiten eines größeren Geschwindigkeitsbereichs aussondert und damit als Energiefilter wirkt. Es ist also möglich, die Vorrichtung auf die Verfahrensschritte a), b) und c) zu beschränken, wenn man nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit gewinnen will oder auch, wenn man diese in der gepulsten Form und/oder in Synchronität zu dem Laserlicht verwenden will, ohne eine weitere Modifikation
vorzunehmen. Zur Durchführung des gesamten Verfahrens bedarf es jedoch einer weiteren Vorrichtung der unten beschriebenen Art. Die Vorrichtung zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen mit dem Ziel, sie als Energiefilter einzusetzen oder die genannten Pulse zu erzeugen, kann auf
verschiedenste Weise ausgestaltet werden. Beispielsweise, so wie in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben, dazu wird weiter unten mehr ausgeführt. Die primär angestrebte Bedeutung dieser Vorrichtung ergibt sich daraus, daß sie die
Vorstufe für weitere Modulationen des aus diesen Pulsen gebildeten Strahls für vielfältige technische Anwendungen ist, die auf dem Prinzip der oben genannten Verfahrensschritte d) und e) beruhen. Diese weiteren Modulationen werden durch weitere Vorrichtungen nach dem Prinzip des Anspruchs 13 realisiert, wobei die Ansprüche 14 bis 23 Beispiele von Ausgestaltungsmöglichkeiten für verschiedenste technische Anwendungen angeben. Auch dazu finden sich weiter unten Ausführungen.
Das Prinzip beruht auf folgendem:
Die abgelenkten Teilchen haben die Form von Pulsen, deren Zeitdauer durch die Wahl des Zeitfensters mittels der Blende bis in den Attosekundenbereich abgesenkt werden kann. Dabei ist es von hoher Bedeutung für die praktischen Anwendungen, daß die Pulse eine definierte Phasenlage zu dem Laserlicht haben. Dadurch ist es möglich, solche Pulse mit einer definierten Phasenlage zu den Amplituden des Laserlichts bei einer Weiterverarbeitung gezielt einer Modulation mit evaneszenten Feldern eines phasenkorrelierten Laserlichts unterziehen, weil diese definierte Phasenlage es ermöglicht, durch Bildung eines
evaneszenten Feldes gezielt die Teilchen der Pulse mit Ablenkung, Beschleunigungs- oder Bremskräften zu beaufschlagen. Diese Synchronität erlaubt es nämlich, daß durch die Taktung zwischen Pulsen und Laserlicht immer nur die beabsichtigten Kräfte auf die
Teilchen wirken und andere Kräfte keine Wirkung entfalten können. Indem die Pulse in dieser Weise erneut in ein evaneszentes Feld dieses Laserlichts geführt werden, können sie auf einer geraden Strecke gezielt beschleunigt oder abgebremst werden, oder es ist möglich, mittels wiederum einer gekrümmten dielektrischen Struktur sie gezielt in eine bestimmte Richtung oder durch eine Vielzahl solcher Strukturen auch in räumlich modulierter Form abzulenken. Durch letzteres lassen sich optische Bauelemente der Teilchenoptik nachbilden. Dazu ist dann erforderlich, die Teilchenpulse gezielt mit der entsprechenden Phasenlage eines ebenfalls durch diesen Laser oder eines weiteren mit diesem frequenz- und
phasenkorrelierten Lasers erzeugten evaneszenten Feldes derart in Interaktion zu bringen, daß das Verhalten des jeweiligen optischen Bauelements nachgebildet ist.
Da auch in dieser weiteren Bearbeitung eines Strahls dielektrische Strukturen eingesetzt werden, deren Einzelinteraktionen mit den Pulsen im Lichtwellenlängenbereich des Lasers liegen, können diese Bearbeitungen von Strahlen elektrisch geladener Teilchen auf kürzesten Entfernungen und damit in einer extremen Miniaturisierung gegenüber der bisherigen Bearbeitung von Strahlen elektrisch geladener Teilchen vorgenommen werden. Beispiele solcher Anwendungen sind Teilchenbeschleuniger, Chopper, Linsen der
Teilchenoptik (Elektronenmikroskopie), ebenso Multipole, Phasenplatten, Energiefilter und sonstige Elemente der Teilchenoptik, Undulatoren (Teilchenbeschleuniger), Wiggler usw. Die dabei möglichen Miniaturisierungen betreffen nicht nur die Verkleinerung von Geräten, sondern auch den gerätetechnischen Aufwand und den Energieeinsatz. Realisieren läßt sich dies mit chipbasierten Wellenleiteroptiken, die sich sehr ökonomisch fertigen lassen. Anstelle von statischen elektronenoptischen Komponenten mit statischen elektrischen und magnetischen Feldern für Beschleunigung und Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen kämen dann gepulste Teilchenstrahlen mit von Lasern erzeugten synchronen evaneszenten Wechselfeldern in dielektrischen Strukturen, die um Größenordnungen kleiner sind als entsprechende statische Baugruppen. Ein weiterer Vorteil wäre hierbei die
Möglichkeit einer sehr schnellen elektronischen Parametereinstellung, z. B. mit Hilfe von variablen Abschwächern und Phasenschiebern, der mit Laserlicht betriebenen
elektronenoptischen Baugruppen.
Die folgenden Ausführungen betreffen zunächst die Betriebsweise und die Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Modulation des Strahls mit dem Ziel, die Pulse zu erzeugen: Dabei ist eine - relativ zur vorgenannten Miniaturisierung gesehen - lange (< 1 mm) gekrümmte dielektrische Struktur vorteilhaft, da dann auch eine schwächere Laserleistung notwendig ist, um den Strahl weit genug abzulenken, um hinter der Vorrichtung die ausgewählten Teilchen mittels der Blende bezüglich der Phasenlage auszusortieren. Neben der Verwendung eines kontinuierlichen Laser (CW-Laser) kombiniert mit kontinuierlichen Teilchenquellen sind wegen ihrer um Größenordnungen höheren Leistung auch gepulste Laser (Nanosekunden bis Femtosekunden Pulsdauer) zeitlich korreliert mit gepulsten Teilchenquellen vorteilhaft, um die dielektrische Struktur thermisch nicht zu belasten. Die Zeitdauer dieser Pulse (10 fs - 10 ns) ist aber um mindestens eine Größen- Ordnung länger als die Pulse der hier beschriebenen Vorrichtung mit den ausgewählten
Teilchen der gewünschten Phasenlage. Bei gepulsten Laserquellen hoher Intensität können entsprechend kürzere (z. B. < 20 μηη) gekrümmte dielektrische Strukturen verwendet werden. Eine relativ lange Laserwellenlänge des Laserlichts hat folgende Vorteile:
Das exponentiell abfallende evaneszente Feld hat eine größere Reichweite bei längeren Wellenlängen (im infraroten und fern infraroten), d.h. man kann sich einen größeren Abstand des Teilchenstrahls von der gekrümmten dielektrischen Struktur erlauben und man kann sich einen größeren Teilchenstrahldurchmesser und eine größere Strahldivergenz erlauben, um eine annähernd konstante Krafteinwirkung auf die Teilchen im Strahl zu erzielen. Beides begünstigt eine technische Realisierung.
Die gekrümmte dielektrische Struktur kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein:
So kann das lichtleitende Element als gekrümmte dielektrische Struktur eine Gitterstruktur mit einer sich periodisch wiederholenden oberflächennahen räumlichen Strukturänderung aufweisen. Diese räumliche Strukturänderung ist entlang der Krümmung aufgereiht, wobei die Periode Aperiode (siehe Fig. 1 ) der Gitterstruktur - * der Wellenlänge λο des Laserlichts oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist (v = Geschwindigkeit der Teilchen, c =
Lichtgeschwindigkeit). Bei schräg einfallendem Laserlicht muß dies um einen Faktor reduziert werden, der diesen Schrägeinfall berücksichtigt. Die räumliche Strukturänderung ist auf einem Grundkörper des lichtleitenden Elements angeordnet, wobei dieses Element sowohl auf der strukturabgewandten als auch auf der strukturzugewandten Seite mit dem Laserlicht beleuchtet werden kann.
Für die räumliche Strukturänderung gibt es zahlreiche Möglichkeiten, beispielsweise kann eine sich entlang der Krümmung erstreckende Zahnreihe vorgesehen sein. Dabei können verschiedene Zahnformen Verwendung finden, eckig oder abgerundet oder die Oberfläche kann auch eine Wellenform aufweisen. Auch eine sich unterhalb der Oberfläche entlang der Krümmung erstreckende Lochreihe weist den gewünschten Effekt auf. Weitere Möglichkeiten einer oberflächennahen strukturellen Formgebung des beleuchteten Dielektrikums, wie auf einer Oberfläche stehende Säulen oder Noppen oder lokale Änderungen des Brechungsindex, sind denkbar. Solche Strukturen werden gebräuchlich verallgemeinert auch als photonische Gitterstruktur bezeichnet
Die gekrümmte dielektrische Struktur wird durch den Laser mittels einer geeigneten
Linsenanordnung oder mittels eines Lichtwellenleiters mit getaperten Lichtleiterenden derart beleuchtet, daß eine homogene Wellenfront gleichzeitig auf alle Bereiche der Krümmung der dielektrischen Struktur trifft, d.h. die Laserlichtwellenfront ist der Krümmung möglichst exakt angepaßt. Für den Fall einer kreisförmig gekrümmten Struktur mit dem Krümmungsradius R, wie sie für eine homogene Beleuchtung konstanter Lichtintensität entlang der Struktur und einem Lichteinfall senkrecht zu deren Oberfläche zu wählen ist, hat die sich von einer Quelle im Abstand R von der Struktur ausbreitende Wellenfront innerhalb eines Kreissegments eine zirkuläre Form. Eine weitere Möglichkeit einer dielektrischen Struktur des lichtleitenden Elements besteht darin, eine kammartige Gitterstruktur mit entlang des Vakuumkanals aufgereihten Enden von Lichtwellenleitern vorzusehen. Diese Lichtwellenleiter müssen mindestens einen solchen Abstand aufweisen, daß eine Überkopplung von Laserlicht ausgeschlossen ist. Dabei ist dann jeder Lichtwellenleiter mit einer Vorrichtung zum Phasenschieben und zur Intensitätseinstellung ausgestattet, die zur phasensynchronen Einstellung des elektrischen Feldes dienen. Diese Einstellung an jedem Lichtwellenleiter sorgt dafür, daß an jedem Ende eines Lichtwellenleiters die entsprechende Kraftwirkung auf die ausgewählten Teilchen erfolgt, so daß sich diese entlang der gekrümmt aufgereihten Enden von Lichtwellenleitern bewegen und am Ende dieser Struktur eine Blende mit ihrer Öffnung das Zeitfenster der ausgewählten Teilchen bestimmt. Um eine besonders effektive Felderzeugung zu erzielen, können die Enden der Lichtwellenleiter auch strukturiert sein, beispielsweise, indem ihre Oberfläche bezüglich der Richtung des Teilchenstrahls quer verlaufende Schlitze aufweist oder sogar eine räumliche Strukturänderung, wie oben beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit einer gekrümmten dielektrischen Struktur besteht darin, einen ring- oder schlaufenförmig geschlossenen Ringresonator vorzusehen. Dieser bildet in einem ersten Teilbereich die gekrümmte dielektrisch Struktur entlang des Vakuumkanals und in einem zweiten Teilbereich werden mittels Überkopplung von elektrischen Feldern aus dem Laserlicht eines anderen Lichtleiters Laserlichtwellen eingekoppelt. So laufen die Lichtwellen in dem Ringresonator und erzeugen das evaneszente elektromagnetische Feld, das in bereits beschriebener Weise in dem ersten Teilbereich wirkt. Dabei muß die Geschwindigkeit der Teilchen des zu bearbeitenden Strahls elektrisch geladener Teilchen an die
Phasengeschwindigkeit der Lichtwellen im Ringresonator angepaßt sein. Der Ringresonator muß dabei derart ausgestaltet sein, daß nur ein bestimmter Mode, die das gewünschte evaneszente Feld entlang des Vakuumkanals erzeugt, durch das eingekoppelte Laserlicht resonant verstärkt wird. Technisch läßt sich die Krümmung der dielektrischen Struktur auf verschiedene Weisen realisieren. Im einfachsten Fall wird sie durch Verbiegung - beispielsweise einstellbar mittels piezoelektrischer Elemente - eines dünnen periodisch mit einer Zahnreihe
mikrostrukturierten Wafers erlangt. Für eine effiziente und ökonomische Realisierung sind jedoch lithographische Methoden mit entsprechender Mikrostrukturierung vorteilhaft, die in der integrierten Optik zur Herstellung von Monomode-Lichtleitern, Resonatoren, Strahlteilern und Phasenschiebern auf einem Chip schon Stand der Technik sind. Dazu werden beispielsweise SiN-Lichtwellen-Leiter auf Quarzsubstraten oder auch Si-Lichtwellenleiter auf Saphir-Substraten benutzt, wobei die Substrate einen geringeren Brechungsindex als die Monomode-Wellenleiter aufweisen. Nicht nur für die Ausführungsform mit der Zahnreihe (Fig. 1 , 2), sondern auch insbesondere für die Ausführungsform der gekrümmten
dielektrischen Struktur mit dem kammartigen Lichtwellenleiter (Fig. 4, 6) oder den
Ringresonatoren (Fig. 5) bietet sich eine solche technische Lösung an.
Eine konkrete Ausgestaltung sieht vor, daß zur Erzeugung zweier entsprechend der Phasenverschiebung der evaneszenten Felder verschobener Bündel von Teilchenstrahlen beidseitig des Vakuumkanals zwei divergierend gekrümmte lichtleitende Elemente angeordnet sind. Die Ausgestaltung dieser divergierend gekrümmten lichtleitenden Elemente ist in jeder der vorbeschriebenen Ausgestaltungen möglich. Am Ende dieser Vorrichtung ist eine Blende vorgesehen, die zwei Blendenöffnungen aufweist, welche dem einen und dem anderen lichtleitenden Element zugeordnet sind und die dort austretenden ausgewählten Teilchen durch ihre Öffnung bestimmen. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung kann verschiedenen Anwendungszwecken dienen. Beispielsweise kann die beschriebene
Anordnung den Teilchenstrahl in zwei korrelierte Teilstrahlen aufspalten, die aufgrund ihrer quantenmechanischen Welleneigenschaft im Raum hinter der Blende zur Interferenz gebracht werden können. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel holographische
Experimente in der Elektronenmikroskopie oder andere Quanten- oder interferometrische Experimente mit Elektronen oder Ionen.
Der Vorrichtung kann ein Energiefilter vorgeordnet sein, der nur die Teilchen des Strahls hindurchläßt, die annähernd eine gleiche Geschwindigkeit aufweisen. Der Grund ist der, daß es vorteilhaft ist, wenn der Teilchenstrahl, ehe er in die dielektrische Struktur eintritt, eine möglichst kleine Energieunschärfe besitzt, d.h. alle Teilchen eine annähernd gleiche
Geschwindigkeit aufweisen, da nur dann eine große Anzahl von Teilchen die Blende hinter der Struktur passieren können, also eine große Ausbeute ausgewählter Teilchen möglich ist.
Die folgenden Ausgestaltungen betreffen die praktische Anwendung der vorgenannten Vorrichtung, wobei für eine solche praktische Anwendung eine weitere Vorrichtung der Strahlmodulation für den jeweiligen konkreten technischen Einsatzzweck dient: Das Grundprinzip einer solchen praktischen Anwendung sieht zunächst so aus, daß den Pulsen der ausgewählten Teilchen des Strahls nach der Vorrichtung zur Gewinnung der ultrakurzen Pulse von elektrisch geladenen Teilchen mindestens eine weitere Vorrichtung zur Strahlformung - jetzt des Strahls der Pulse ausgewählter Teilchen - nachgeordnet wird. Diese weitere Vorrichtung arbeitet ebenfalls mit einem evaneszenten elektromagnetischen Feld und weist ebenfalls eine dielektrische Struktur zur Erzeugung dieses Feldes auf. Im Wirkungsbereich dieses Feldes verläuft mindestens eine Bahn der ausgewählten Teilchen, wobei das Laserlicht zur Felderzeugung aus derselben Lichtquelle wie der Laser der Vorrichtung zur Erzeugung der Pulse stammt, durch einen optischen Strahlteiler abgezweigt wird oder aus einer Laserlichtquelle stammt, die die gleiche Frequenz wie der Laser zur ersten Vorrichtung hat und zu diesem phasensynchron ist, und dieses zur Beleuchtung der dielektrischen Struktur und damit der Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes dient. Wesentlich ist dabei die Synchronität zwischen den beiden Vorrichtungen. Deshalb kann man als Lichtquellen entweder eine gemeinsame Laserquelle benutzen, deren Strahl in einem optischen Strahlteiler aufgeteilt wird, oder zwei Laserlichtquellen, deren Frequenz und Phase korreliert sind.
Bei der zweiten Vorrichtung ist außerdem mindestens ein Phasenschieber und mindestens eine Intensitätseinstellung vorgesehen, so daß die Phasendifferenz zwischen beiden Vorrichtungen derart einstellbar ist, daß die der weiteren Vorrichtung zugeführten Teilchen durch das Feld definiert beschleunigt, abgebremst, bezüglich der Strahlintensität oder zur Bildung von Pulsfolgen moduliert oder in eine bestimmte oder einstellbare Richtung abgelenkt werden können. Die Pulse mit den Teilchen können dabei aus einer der
Vorrichtungen der oben genannten Art oder aus einer sonstigen Vorrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Pulse stammen, wenn diese eine Synchronität mit einem Laserlicht aufweisen.
Auch bei der weiteren Vorrichtung kann die dielektrische Struktur eine sich periodisch wiederholende oberflächennahe Strukturänderung aufweisen, so wie dies bereits oben zur pulserzeugenden Vorrichtung beschrieben wurde. Es ist auch möglich, entsprechend der obigen Beschreibung eine dielektrische Struktur aus Enden von Lichtwellenleitern zu bilden, deren Feldausbildung durch Phasenschieber und/oder Intensitätseinstellungen in der oben genannten Weise steuerbar ist. Die dritte Möglichkeit einer dielektrischen Struktur wäre - ebenfalls wie zur ersten Vorrichtung beschrieben - mindestens ein ring- oder schlaufen- förmig geschlossener Ringresonator. Bei dieser weiteren Vorrichtung kann die dielektrische Struktur entlang einer Geraden verlaufen, so daß die ausgewählten Teilchen beschleunigt oder abgebremst werden können.
Es ist jedoch auch möglich, daß die dielektrische Struktur als gekrümmte dielektrische Struktur einer Ablenkung der ausgewählten Teilchen dient. Dabei ist es insbesondere für viele Anwendungen interessant, wenn eine solche dielektrische Struktur derart räumlich verteilt angeordnet ist, daß die ausgewählten Teilchen räumlich verteilte Strahlenbündel bilden. Beispielsweise kann die räumliche Verteilung der Struktur rotationssymmetrisch sein, um mittels der Felderzeugung den Strahlteilchenverlauf einer optischen Rundlinse nachzubilden. Je nach Ausgestaltung und Phasenlage der in die Struktur eintretenden Teilchen kann dabei ein konvergierender oder ein divergierender Strahlengang erzielt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß durch eine räumliche Verteilung der Struktur, die n-fach achsensymmetrisch ist (n = Polanzahl), eine Felderzeugung mit phasenverschobenen Segmentabschnitten vorgesehen ist, so daß mittels wechselnder Polarisierungen der Segmentabschnitte der Strahlenverlauf eines Multipols nachgebildet werden kann. Dies ist dadurch zu erreichen, daß benachbarte Elemente der Anordnung jeweils eine Phasenschiebung um eine halbe Periode aufweisen, die sich durch die Einstellung von
Phasenschiebern verwirklichen läßt, die den Einzelelementen vorgeschaltet sind. Die
Einzelelemente werden dabei wieder von einer gemeinsamen oder einer phasenkorrelierten Laserquelle gespeist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß eine abzubildende Probe eines
Elektronenmikroskops mit einem Beleuchtungsstrahl aus Pulsen ausgewählter Teilen beleuchtet wird. Die dielektrische Struktur ist dann derart ausgebildet, daß ausgewählte Teilchen eines direkten Strahls durch Abbremsung und/oder Beschleunigung gegenüber den von der Probe abgebeugten Strahlen ein Phasenversatz aufgeprägt wird, wobei eine derartige Phasenverschiebung erzielt ist, daß ein Phasenkontrastbild eines Elektronen- oder lonenmikroskops erzeugbar ist. Dazu weist die dielektrische Struktur einen strukturellen Phasenversatz um eine halbe Periode ( Ape"ode ) auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen und praktische Anwendungen in schematischer
Darstellung. Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung des Standes der Technik zur Erläuterung des
physikalischen Prinzips, Fig. 2a bis 2d die Arbeitsweise der Erfindung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein Beispiel einer Laserlichtbeleuchtung für eine gekrümmte
dielektrische Struktur mit getapertem Lichtwellenleiter,
Fig. 4 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 und 6a ein drittes Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit beidseitigen dielektrischen Strukturen Fig. 8 das Prinzip einer praktischen Anwendung,
Fig. 9 einen Strahlteiler zur Erzeugung von einem gepulsten
Teilchenwellenstrahl und einem gepulsten Referenzstrahl, Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine teilchenoptische Rundlinse mit mehreren gekrümmten dielektrischen Elementen
Fig. 10a einen Querschnitt durch Fig. 10 Fig. 11 und 11a einen teilchenoptischer Phasenschieber
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 40 des Standes der Technik zur Erläuterung des physikalischen Prinzips. Gezeigt ist der Schnitt durch ein lichtleitendes Element 4, das aus einem
Grundkörper 9 mit einer oberflächennahen räumlichen Struktur 8 auf der Seite eines Vakuumkanals 3 besteht, die hier als Zahnreihe 1 1 ausgebildet ist. Diese weist eine Teilung von Aperiode auf, die - mal der Wellenlänge Ao (5") des Laserlichts 5 entspricht (v =
Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen, c = Lichtgeschwindigkeit). Von Seiten der strukturabgewandten Seite 10 wird in dieses lichtleitende Element 4 ein Laserlicht 5 mit Ausbreitung in Richtung der Pfeile eingestrahlt. Eine solche Einstrahlung von Laserlicht 5 kann jedoch auch von der anderen Seite der räumlichen Strukturänderung 8 erfolgen. Durch dieses Laserlicht 5 bildet sich ein evaneszentes elektromagnetisches Feld 2 aus, das von der räumlichen Struktur 8 ausgehend ungefähr die Reichweite einer Wellenlänge (Ao) 5" des Laserlichts 5 hat. Auf dieser Seite ist der Vakuumkanal 3 ausgebildet, in den ein Strahl 1 elektrisch geladener Teilchen, z. B. ein Elektronenstrahl, eintritt. Die Pfeile zeigen die elektrischen Feldkomponenten des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2 an, wobei mit 2', 2", 2"' und 2"" die örtlichen Richtungswechsel der Feldstärken der elektrischen Feldkomponenten zu einem definierten Zeitpunkt dargestellt werden. Die Pfeile 41 ', 42', 43' und 44' an den Teilchen 41 , 42, 43 und 44 zeigen schematisch die
Geschwindigkeitsänderung bezüglich Betrag und Richtung durch die Krafteinwirkung des evaneszenten Feldes 2 in einer Momentaufnahme. Dabei wirken diese Feldstärken 2', 2", 2"', 2"" je nach ihrer Ausrichtung folgendermaßen ein: Das Bezugszeichen 41 zeigt ein Teilchen, das entsprechend der Pfeile der elektrischen Feldkomponenten eine
Beschleunigung 41 ' erfährt. Bezugszeichen 42 zeigt ein Teilchen, das entsprechend dieses Feldes eine Abbremsung 42' erfährt. Das Bezugszeichen 43 zeigt ein Teilchen, das eine Ablenkung 43' in Richtung des lichtleitenden Elements 4 erfährt. Schließlich zeigt das Bezugszeichen 44 ein Teilchen, das eine Ablenkung 44' dieses Teilchens weg vom lichtleitenden Element 4 erfährt.
Für eine sehr lange lichtleitende Struktur 4 und entsprechend hoher Feldstärke des
Laserlichts können bei dem sich im evaneszenten elektromagnetischen Feld 2 bewegenden Strahl 1 letzten Endes nur die Teilchen passieren, welche im Wesentlichen eine nur minimale Ablenkung erfahren, das sind hier die Teilchen 41 und 42. Die in Richtung des lichtleitenden Elements 4 abgelenkten Teilchen 43 fliegen schließlich in die Struktur des lichtleitenden Elements 4 hinein. Die vom lichtleitenden Element 4 weg abgelenkten Teilchen 44 verlassen den Wirkungsbereich des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2.
Deshalb werden derartige Vorrichtungen im Stand der Technik (Breuer et. al. a.a.O; Peralta et. al., a.a.O) hauptsächlich zur Beschleunigung eingesetzt oder durch die Maßnahme der US 7,994,472 B2 zur Erzeugung eines Teilchenstrahls mit einer ultraschnellen sinusförmigen Richtungsänderung, wie oben beschrieben. Für eine Beschleunigung von Teilchen ist nach dem Stand der Technik auch eine symmetrische Anordnung von zwei gegenüberliegenden periodischen dielektrischen Strukturen vorteilhaft, die durch den Vakuumkanal getrennt sind (Peralta, e. al., a.a.O.).
Die Fig. 2a bis 2d zeigen die Arbeitsweise der Erfindung anhand eines ersten Ausführungs- beispiels derselben.
Das Funktionsprinzip entspricht dem oben beschriebenen. Im Unterschied zu der eben beschriebenen Vorrichtung des Standes der Technik weist das lichtleitende Element 4 jedoch eine gekrümmte dielektrische Struktur 4' auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als räumliche Strukturänderung 8 mit einem Grundkörper 9 ausgebildet ist, wobei diese als Gitterstruktur 4' mit einer Zahnreihe 1 1 , die diese Krümmung vollzieht, ausgebildet ist. Die Krümmung dieser Gitterstruktur 4' ist hier bezüglich der Periodizität dieser Struktur und der Krümmung derselben an die Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen 1 derart angepaßt, daß sich Teilchen 6 einer bestimmten Ablenkung innerhalb des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2 bewegen, indem sie der Krümmung dadurch folgen, daß sie durch das Feld 2 immer wieder die Ablenkung in Richtung des lichtleitenden Elements 4 erfahren. Es sind sozusagen Wiederholungen von Ablenkungen, wie sie oben anhand des Teilchens 43 mit der Ablenkung 43' dargestellt wurde. Im Gegensatz zum Stand der Technik fliegt hier jedoch das Teilchen 43 nicht in das lichtleitende Element 4 hinein, sondern folgt durch seine Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld 2 exakt der Krümmung und bewegt sich dabei in dem evaneszenten elektromagnetischen Feld 2 innerhalb der Reichweite dieses Feldes, die dem Ausdehnungsbereich von etwa einer Wellenlänge (Ao) 5" des Laserlichts 5 entspricht. Dadurch entstehen in Pulsen 46 auftretende ausgewählte Teilchen 6, die im Gegensatz zu Teilchen 45, die nicht oder in anderer Weise abgelenkt wurden, die Blendenöffnung T der Blende 7 passieren. Die nicht ausgewählten Teilchen 45 werden von der Blende 7 abgefangen. Da die Teilchen 6 hauptsächlich nur eine Kraftwirkung auf die dielektrische Struktur hin senkrecht zu ihrer momentanen Geschwindigkeitsrichtung erfahren, ändert sich die Geschwindigkeit bezüglich ihres Betrages und damit die Energie der Teilchen kaum.
Die Diagramme zeigen oben die Anzahl der Teilchen 51 in der Abhängigkeit von der Zeit t. Die ausgewählten Teilchen 6 weisen dabei die Form von Pulsen 46 auf, welche in der Periodendauer T - gezeigt mit dem Bezugszeichen 5' - des Laserlichts 5 auftreten. Das darunterliegende Feldstärke/Zeit-Diagramm 47 zeigt den Verlauf der zeitlichen Änderung der elektrischen Feldstärke in derselben Zeit t, welche auf die Teilchen je nach der Phasenlage 48 wirkt. Da die Blende 7 immer nur die am stärksten in eine Richtung abgelenkten Teilchen eines bestimmten Bereichs hindurchläßt, entstehen die Pulse 46. Alle anderen nicht ausgewählten Teilchen 45 gehen in die Blende 7. Da bei der Darstellung in Diagramm 47 die stärkste Auslenkung immer mit den maximalen Amplituden des elektrischen Feldes zusammenfällt, gibt die Blende 7 sozusagen ein Zeitfenster 6' der Dauer ΔΤ vor, in der die Teilchen 6 ausgewählt werden. Deren Weg ist mit dem durchgehenden Pfeil dargestellt, den die Teilchen 6 in der Darstellung links nehmen. Im Diagramm 45 zeigt der durchgehende Pfeil auf das Zeitfenster 6' dieser Teilchen 6. Teilchen, die nicht in diesem Zeitfenster 6' sind, sind durch den gestrichelten und strichpunktierten Pfeil symbolisiert. In der Darstellung links sieht man wie diese Teilchen 45, deren Weg durch die gestrichelten und strichpunktierten Linien dargestellt ist, in die Blende 7 gehen.
Die Fig. 2b und 2c zeigen darauf folgende Zeitpunkte mit unterschiedlichen Ablenkungen, wobei diese Teilchen jeweils als nicht ausgewählte Teilchen 45 in die Blende 7 gehen. Erst in der Fig. 2d wird wieder der Zeitpunkt des Auslenkungsmaximums erreicht, indem die ausgewählten Teilchen 6 wieder von der Blende 7 hindurchgelassen werden. Auf diese Weise entsteht der nächste Puls 46 im Abstand 5' vom vorhergehenden Puls 46, wobei auch dieser die Breite 6' des Zeitfensters ΔΤ aufweist.
Nach Verlassen des Einflußbereiches der gekrümmten dielektrischen Struktur 4' bewegen sich die ausgewählten Teilchen 6 auf einer geraden Flugbahn weiter, d.h. je weiter sich die Blende 7 von der Struktur entfernt befindet, desto einfacher ist es, die Teilchen 6 zu separieren. Will man jedoch eine besonders kurze Vorrichtung zur Strahlformung oder eine zu große Pulsverbreiterung aufgrund kleiner Unterschiede in der Teilchengeschwindigkeit vermeiden, ist es jedoch günstiger, eine größere Krümmung der dielektrischen Struktur mit entsprechend höherer Laserintensität zur Teilchenablenkung zu verwenden. Um
unerwünscht gestreute Teilchen zu eliminieren, ist es möglich, die Blende 7 entweder als einseitig oder doppelseitige Schneide bzw. als Lochblende geeigneter Form zu realisieren.
Fig. 3 zeigt eine Laserlichtbeleuchtung einer gekrümmten dielektrischen Struktur 4', wobei das Laserlicht 5 über ein getapertes Lichtleiterende 5"', das etwa die Dicke des Lichtleiters aufweist, aber kontinuierlich breiter wird, gleichmäßig der gekrümmten dielektrischen Struktur 4' zugeführt wird. Dabei wird die Lichtwellenfront exakt an die zu beleuchtende dielektrische Struktur 4' angepaßt, so daß sie gleichzeitig auf alle Bereiche der Struktur 4 trifft. Der Lichteinfall ist dabei in Richtung der Krümmungsradien R an jeder Stelle von deren Krümmung senkrecht auf die Struktur 4 gerichtet, wobei das getaperte Lichtleiterende 5"', am Mittelpunkt der Radien R beginnend, das durch den Lichtleiter kommende Laserlicht 5 über die gesamte Krümmung auffächert. Eine ähnliche Beleuchtung der gekrümmten
dielektrischen Struktur läßt sich aus der Kombination einer Zerstreuungslinse und einer Zylinderlinse erreichen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem die gekrümmte dielektrische Struktur als räumliche Gitterstruktur 4' des lichtleitende Elements 4, dadurch eine oberflächennahe räumlich Strukturänderung 8 erfährt, daß diese als eine Lochreihe 12 ausgebildet ist, welche unmittelbar unter der Oberfläche - in Richtung des Vakuumkanals 3 gesehen - liegt. Hier ist der Einfachheit halber ein gerader Abschnitt des lichtleitenden Elements 4 gezeichnet, der nach der Erfindung natürlich in der vorbeschriebenen gekrümmten Form verlaufen muß. Die Wirkung entspricht hier der oben beschriebenen.
Bezüglich einer weiteren Möglichkeit einer räumlichen Strukturänderung 8 verweisen wir auch auf eine säulenförmige Anordnung, die für einen Teilchenbeschleuniger in„Numerically optimized structures for dielectric asymmetric dual-grating laser accelerators", A. Aimidula et al., Phys. Plasmas 21 , 0231 10 (2014), beschrieben ist.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der das lichtleitende Element 4 als gekrümmte dielektrische Struktur eine kammartige Gitterstruktur 4" aus Enden 13 von monomoden Lichtwellenleitern 14 besteht. Die Enden 13 der Lichtwellenleiter 14 müssen einen Abstand aufweisen, der eine Überkopplung von Laserlicht 5 ausschließt. Um ein evaneszentes elektromagnetisches Feld 2 der bereits beschriebenen Wirkung zu erzeugen, sind für jeden der Lichtwellenleiter 14 eine Vorrichtung zum Phasenschieben 15 und eine Vorrichtung zur Intensitätseinstellung 16 (Abschwächung derselben) vorgesehen. Beide lassen sich als sehr schnell elektronisch einstellbare optische Baugruppen realisieren. Auf diese Weise werden auch hier Teilchen 6 ausgewählt, die an jedem Ende 13 eines
Lichtwellenleiters 14 eine derartige Ablenkung erfahren, daß sie der gekrümmten Struktur, die hier durch die aufgereihten Enden 13 der Lichtwellenleiter 14 vorgegeben wird, derart folgen, daß sie immer wieder derart abgelenkt werden, daß sie im evaneszenten
elektromagnetischen Feld 2 an den Enden 13 der Lichtwellenleiter 14 verbleiben. Auch hier wird am Ende eine Blende 7 vorgesehen, die durch ihre Blendenöffnung 7' das Zeitfenster 6' der ausgewählten Teilchen 6 vorgibt.
Das Laserlicht 5 wird hier von einer Laserlichtquelle kommend in einen Lichtwellenleiter eingespeist, der durch Strahlteiler 27 alle Lichtwellenleiter 14 mit demselben Laserlicht 5 versorgt.
Die Fig. 6 und 6a zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der das lichtleitende Element 4 als eine gekrümmte dielektrische Struktur 4"' mit einem ring- oder schlaufenformigen Ringresonator 17 aus einem Monomode-Lichtwellenleiter ausgebildet ist. Dieser Ringresonator 17 weist einen ersten Teilbereich 18 auf, der entlang des
Vakuumkanals 3 geführt ist und dort das evaneszente elektromagnetische Feld 2 erzeugt, welches der Ablenkung der Teilchen - wie schon beschrieben - dient. Der Ringresonator 17 ist dabei derart ausgelegt, daß sich nur ein Mode (transversaler Mode) ausbildet, dessen evaneszentes Feld 2 ähnlich dem des dielektrischen Elements 4' der Figuren 2a bis 2d nach dem zu der Fig. 1 beschriebenen physikalischen Prinzip wirkt. Auch hier wird am Ende der gekrümmten dielektrischen Struktur 4"' eine Blende 7 mit einer Blendenöffnung T
vorgesehen, die nur die ausgewählten Teilchen 6 des Zeitfensters 6' hindurchläßt. In den Ringresonator 17 wird in einem zweiten Teilbereich 19, der an einem anderen Lichtleiter 20 grenzt, das Laserlicht 5 zur Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2 eingespeist. Dies geschieht durch eine schwache evaneszente Kopplung zwischen
Ringresonator 17 und Lichtleiter 20 im Teilbereich 19.
Fig. 6a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der gekrümmten dielektrischen Struktur 4"' des ring- oder schlaufenformigen Ringresonators 17. Die mit plus und minus bezeichneten Kreise symbolisieren die maximalen positiven bzw. negativen Feldamplituden des Laserlichts 5 zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie dies bereits in den Diagrammen der Fig. 2a bis 2d dargestellt ist. Auch hier entstehen dabei evaneszente Felder 2, die sich mit derselben Phasengeschwindigkeit bewegen, wie die Teilchen, und welche die elektrisch geladenen Teilchen des Strahls 1 derart ablenken, wie das bereits oben beschrieben ist. Die
Wellenlänge im Lichtwellenleiter 20 des Ringresonators 17 wird von der Frequenz und der Dielektrizitätskonstanten n (typisch: 1 ,4 < n < 4) bestimmt und legt damit die Periodizität und Teilchengeschwindigkeit fest. Dadurch sind mögliche Teilchenenergien relativ eingeschränkt, jedoch ist die extrem hohe Güte ein großer Vorteil von Ringresonatoren, was es erlaubt, sehr große evaneszente Felder 2 zu realisieren, selbst wenn man den Resonator nur mit geringen Laserleistungen beschickt. Im unteren Bereich sind beispielhaft die Feldlinien eingezeichnet. Das Feld 2 wirkt selbstverständlich im Teilbereich 18, mit entsprechenden Feldlinien (die Einzeichnung unten erfolgte aus Platzgründen). Die Blende 7 mit der
Blendenöffnung T ist zweckmäßigerweise eine Lochblende, um die Pulse 46 ausgewählter Teilchen 6 allseitig zu limitieren.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit beidseitigen dielektrischen Strukturen, wobei dem lichtleitenden Element 4, 4' ein weiteres dielektrisches lichtleitendes Element umgekehrter Krümmung 4, 50 gegenüberliegend angeordnet ist.
Das Element umgekehrter Krümmung 50 wird ebenfalls mit Laserlicht 5 beleuchtet. Es kann dasselbe Laserlicht 5 sein, wie beim lichtleitenden Element 4', da dieses transparent ist, oder es kann - wie dargestellt - separat mit Laserlicht 5 beaufschlagt werden. Dabei müssen Geometrie und/oder Beleuchtung des Elements umgekehrter Krümmung 50 derart ausgebildet sein, daß das Element umgekehrter Krümmung 50 ein evaneszentes Feld 49 ausbildet, das die Ablenkung des evaneszenten Feldes 2 der erstgenannten dielektrischen Struktur 4' bezüglich der Ablenkung der ausgewählten Teilchen 6 verstärkt, diese also von der umgekehrten Krümmung des Elements 50 weglenkt. Der Abstand zwischen den geometrischen Formen der oberflächennahen Strukturen der Elemente 4 und 50 ist dabei so, daß sich die Felder 2 und 49 verstärkend überschneiden.
Da hier die nicht ausgewählten Teilchen des Strahls 1 in das Element mit der umgekehrten Krümmung 50 hineingehen, darf der Strahl 1 keine so hohe Energie aufweisen, daß sie für dieses Element 50 zerstörend wirken kann. Im Bereich der Elektronenmikroskopie sind die Energien beispielsweise entsprechend niedrig. Bei dieser Ausführungsform ist eine Blende 7 nicht zwingend erforderlich, da das Element 50 die nicht ausgewählten Teilchen 45 (nicht dargestellt) aufnimmt und dadurch die Funktion dieser Blende größtenteils übernimmt.
Definition: Im Sinne der Patentansprüche ist das dielektrische Element 50 - neben seiner Verstärkungsfunktion - eine Blende 7, da es auch das Zeitfenster 6' der Teilchen 6 für die Pulse 46 definieren kann.
Die Fig. 7 zeigt lediglich beispielhaft anhand von mit Zahnreihen 1 1 ausgestalteten dielektrischen gekrümmten Elementen 4', 50, wie eine solche beidseitige dielektrische Struktur zur Verstärkung des evaneszenten Feldes 2 durch ein weiteres evaneszentes Feld 49 aufgebaut sein kann. In entsprechender Weise können die beiden Strukturen 4, 50 auch als gekrümmte dielektrische Strukturen 4", also als kammartige Gitterstrukturen 4, 50 in Form von Enden von Lichtwellenleitern (wie in Fig. 5 dargestellt) oder als gekrümmte dielektrische Strukturen 4"' in Form von ring- oder schlaufenförmigen Ringresonatoren 17 (wie in den Figuren 6 und 6a dargestellt) ausgestaltet werden. Nach dem Stand der Technik sind gerade ausgerichtete beidseitige dielektrische Strukturen zur Beschleunigung von Teilchen zwar bekannt, jedoch werden die vom Laserlicht erzeugten evaneszenten Felder dahingehend optimiert, daß die ablenkenden Kräfte auf die Teilchen im Gegensatz zur erfindungsgemäßen gekrümmten Struktur nicht verstärkt, sondern minimiert werden.
Fig. 8 zeigt das Prinzip einer praktischen Anwendung der Erfindung. Im oberen Teil der Darstellung ist ein lichtleitendes Element 4 mit einer gekrümmten dielektrischen Struktur 4" gezeichnet, also einer kammartigen Gitterstruktur 4" aus Enden 13 von monomoden Lichtwellenleitern 14, wie bereits zu Fig. 5 beschrieben. Anstelle dieser Vorrichtung kann natürlich auch eine gekrümmte dielektrische Struktur 4' als räumliche Gitterstruktur vorgesehen sein oder eine gekrümmte dielektrische Struktur 4"' als ring- oder
schlaufenförmiger Ringresonator 17. Wesentlich ist dabei, daß Pulse 46 ausgewählter Teilchen erzeugt werden, die mittels der Blendenöffnung T einer Blende 7 entsprechend der gewünschten Weiterverarbeitung eingestellt werden. Dieser Strahl ausgewählter Teilchen 6 wird einer weiteren Vorrichtung zur Strahlformung 22 zugeführt, die ebenfalls ein
lichtleitendes Element 21 aufweist, das einem der oben beschriebenen Vorrichtungen entsprechen kann oder auch an einen speziellen Zweck angepaßt ist, wie dies noch zu den Figuren 10, 10a und 1 1 , 1 1 a beschrieben ist. Die dargestellte weitere Vorrichtung zur Strahlformung 22 entspricht hier der gekrümmten dielektrischen Struktur 4" aus Enden 31 von Lichtwellenleitern 32. Durch diese wird ebenfalls ein evaneszentes elektromagnetisches Feld 23 erzeugt, welches im Wege bestimmter Feldausrichtungen entlang der gekrümmten Struktur auf die Pulse 46 der Teilchen 6 verstärkend immer in derselben Weise einwirkt. Um die richtige Kraftwirkung auf die Teilchen an jedem Ende 31 eines Lichtwellenleiters 32 zu erzielen, sind auch hier Phasenschieber 28 und Intensitätseinstellungen 29 vorhanden, welche das Feld 23 derart einstellen, daß die ausgewählten Teilchen 6 aus der ersten Vorrichtung bei jedem ihrer Pulse 46 eine
Beschleunigung, eine Abbremsung oder eine Auslenkung erfahren. Wesentlich für die richtige Kraftwirkung ist eine Synchronität des die Pulse 46 erzeugenden evaneszenten Feldes 2 und des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 23 der
Vorrichtung 22. Dies wird durch die gleiche Frequenz und Phasenkorrelation der diese Felder 2 und 23 erzeugenden Laser 5 und 25 erreicht. Entweder sie stammen aus der gleichen Quelle 26 und werden mittels eines Strahlteilers 30 verzweigt, oder die Phasenschieber 15, 28, möglicherweise auch 28', dienen der Herstellung der Phasenkorrelation. Anstatt einer Laserquelle 26 können auch zwei phasen- und frequenzsynchronisierte
Monomode-Laser verwendet werden. Da hier das lichtleitende Element 21 der zweiten Vorrichtung 22 als gekrümmte dielektrische Struktur 4" ausgebildet ist, kommt hier eine Verstärkung der Auslenkung in Betracht. Die dielektrische Struktur der weiteren Vorrichtung zur Strahlformung 22 kann aber auch eine Struktur 4' oder 4"' sein. In ähnlicher Weise läßt sich als weitere Vorrichtung zur
Strahlformung 22 aber auch ein lichtleitendes Element 4 einsetzen, das so wie bei dem zu Fig. 1 beschriebenen Stand der Technik einen geraden Vakuumkanal mit einem gerade ausgerichteten lichtleitenden Element in einfacher oder doppelseitiger (ähnlich Fig. 7 in der Formgebung) Ausführungsform aufweist. Dann ist es durch die Einstellung der Phasenschieber 28 und der Intensitätseinstellung 29 möglich, gezielt jeden der Pulse 46 der ausgewählten Teilchen 6 bei jeder beschleunigenden Feldausrichtung (wie dies für das Teilchen 41 der Figur 1 beschreiben wurde) weiter zu beschleunigen. In diesem Fall erzielt man einen Teilchenbeschleuniger, der im Gegensatz zu den Teilchenbeschleunigern des Standes der Technik Attosekunden-Pulse nutzt und auf kleinstem Raum untergebracht werden kann. Ein praktischer Vorteil der dargestellten kammartigen gekrümmten dielektrischen Struktur (4' und 24') aus monomoden Lichtwellenleitern 14 und 32 ist die große .Flexibilität und extrem schnelle Veränderbarkeit aufgrund der individuellen Phasenschieber 15 und 28 und
Intensitätseinstellern 16, 29 von jedem einzelnen Lichtwellenleiter 14 und 32. Dadurch kann die Periodizität elektronisch an die Geschwindigkeit (Energie) der Teilchen angepaßt werden, ohne daß neue dielektrische Strukturen hergestellt werden müssen, wenn man beispielsweise in einem Elektronenmikroskop die Strahlenergie (und damit die Energie des Strahls 1 ) ändert. Weiterhin sind extrem schnelle Teilchenstrahlmodulatoren oder
Regelungen auf optimale Teilchenstrahlparameter möglich, da die optischen Phasenschieber und Intensitätseinstellungen bis zu einigen GHz, also im Subnanosekundenbereich arbeiten können. Mit Methoden der integrierten Optik lassen sich diese Lichtwellenleiterstrukturen und elektronisch steuerbaren Phasenschieber 15, 28, Intensitätseinsteller 16, 29 bzw. andere optische Baugruppen auf einem Chip realisieren.
Diese Darstellung der Fig. 8 zeigt somit das Prinzip der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen - sowohl der Vorrichtung zur Erzeugung der Pulse 46 als auch der weiteren Vorrichtung 22 zur weiteren Modulation dieser Pulse 46 -, wobei selbstverständlich zahlreiche Modulationen des Strahls aus ausgewählten Teilchen 6 realisiert werden können. Von hoher Bedeutung sind dabei räumlich ausgebildete Strahlmodulationen, die es ermöglichen, Elemente der Teilchen- bzw. Elektronenoptik nachzubilden, wie das noch beispielhaft beschreiben wird. Die Darstellung zeigt lediglich das Prinzip auf, nach dem die Pulse 46 der ausgewählten Teilchen 6 für zahlreiche Anwendungen weiterverarbeitet werden können.
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels 6" und eines
phasenkorrelierten, gepulsten Referenzbündels 6"', sozusagen einen Teilchenstrahlteiler. Dabei wird ein lichtleitendes Element 4 mit einem identischen, aber in der Gegenrichtung gekrümmten lichtleitenden Element 4 kombiniert, so daß zwei evaneszente elektromagnetische Felder 2 entstehen, die sich entlang der jeweiligen Struktur der beiden lichtleitenden Elemente 4 erstrecken. Dadurch werden aus dem Strahl 1 elektrisch geladener Teilchen in oben genannter Weise zwei Bündel 6" und 6"' ausgewählter Teilchen 6 gebildet. Je nachdem, wie die phasenkorrelierten Laserbeleuchtungen 5 der beiden Seiten
phasenverschoben sind, sind das auch die evaneszenten Felder 2, und damit läßt sich ein zeitlicher Versatz der beiden Strahlenbündel 6" und 6"' einstellen. Durch eine Blende 7 mit einer ersten Blendenöffnung T und einer zweiten Blendenöffnung 7" werden die Zeitfenster ΔΤ der ausgewählten Teilchen 6 bestimmt. Auch hier kann natürlich das lichtleitende Element 4 in jeder der vorbeschriebenen Weise ausgestaltet sein.
Durch diese Vorrichtung ist es möglich, die evaneszenten elektromagnetischen Felder 2 in beide Richtungen derart zu nutzen, daß die Strahlen 6" und 6"' jeweils gepulst sind. Die Pulsverzögerung zwischen beiden Pulsen läßt sich dabei im Attosekundenbereich beliebig einstellen, wenn das eingestrahlte Laserlicht 5 in der linken Struktur phasenverschoben zum Laserlicht 5 in der rechten Struktur ist. Der Strahl 6" und der Referenzstrahl 6"' können dann - wie oben schon erwähnt - verschiedenen technischen Anwendungen dienen, wie z.B. als Biprisma in der Holographie, bei (Quanten-)lnterferenzexperimenten oder für Pump-Probe- Experimente mit sehr schnell einstellbarer variabler Pulsverzögerung im
Attosekundenbereich.
Fig. 10 und 10a zeigen eine teilchenoptische Rundlinse 35, welche gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Dabei zeigt die Fig. 10 einen Längsschnitt und Fig. 10a einen Querschnitt (oder eine Draufsicht). Dabei ist die räumliche Verteilung der Struktur 24
rotationssymmetrisch - wie in dem Schnitt gemäß Fig. 10a mit einem Kranz 36 von
Segmentabschnitten 37 dargestellt -, um einen Strahl ausgewählter Teilchen 6 angeordnet, um ein Feld 23 zu erzeugen, das räumlich verteilte Strahlenbündel 33 mit dem
Strahlteilchenverlauf 34 einer optischen Rundlinse 35 zur Wirkung hat. Die Öffnung muß dabei eine Größe aufweisen, die es dem wirkenden evaneszenten Feld ermöglicht, alle erforderlichen räumlich verteilten Strahlenbündel 33 zu erfassen, d.h., sie soll etwa 2 Ao im Durchmesser nicht wesentlich überschreiten. Hier ist eine Zerstreuungslinse dargestellt, für eine Sammellinse müßte die Krümmung der dielektrischen Struktur 24 nach innen verlaufen, um einen konvergierenden Strahlengang zu erzeugen.
Die dielektrische Struktur 24 kann dabei eine dielektrische Struktur 24' mit einer räumlichen Strukturänderung sein, oder eine dielektrische Struktur 24", die aus Enden 31 von
Lichtwellenleitern 32 besteht, oder sie kann auch als eine aus Ringresonatoren 17 räumlich aufgebaute dielektrische Struktur 24"' sein. Dabei kann diese dielektrische Struktur 24 für die Erzeugung des Strahlverlaufs Krümmungen (siehe oben) aufweisen oder es ist ein gerader Verlauf vorgesehen und durch Phasenschieber 28 und Intensitätseinstellungen 29 kann eine Strahlendivergenz oder -konvergenz geringen Ausmaßes eingestellt werden. Hier sind zahlreiche Gestaltungen möglich, die Ausführungen sind lediglich beispielhaft.
Fig. 10a zeigt einen Schnitt 36 durch die Rundlinse 35. Dabei weist das lichtleitende
Element 4 Segmentabschnitte 37 auf, um den divergierenden Strahlengang der Rundlinse 35 zu erzeugen. Die vielen Segmentabschnitte 37, die - wie in Fig. 10 dargestellt - sich in räumlicher Tiefe von einem Kranz 36 von Segmentabschnitten 37 zum nächsten Kranz 36 wiederholen, erzeugen den jeweils gewünschten Strahlenverlauf, konvergierend oder divergierend. Zu diesem Zweck sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die
Segmentabschnitte 37 in der Darstellung vertikal gesehen acht Vorrichtungen 22 gemäß Fig. 8, also räumlich um den Strahlverlauf 34 angeordnet. Die Anzahl ist natürlich nur beispielhaft. Dabei wird jeder Segmentabschnitt 35 durch Laserlicht 5 beleuchtet, das dann zur Erzielung des gewünschten Strahlteilchenverlaufs, wie zum Beispiel des
Strahlteilchenverlaufs 34 einer Rundlinse 35, für jeden Segmentabschnitt 37 entsprechend phasen- und intensitätsgesteuert ist.
In ähnlicher Weise kann auch ein Multipol hergestellt werden, wenn durch
Segmentabschnitte 37 elektromagnetische Felder erzeugt werden, die den positiven und negativen Polungen einer magnetischen oder elektrischen Multipollinse entsprechen. In der Darstellung wäre dies beispielhaft ein Oktopol.
Selbstverständlich läßt sich sowohl eine Rundlinse 35 als auch ein Multipol in jeder der zur Vorrichtung für die Pulserzeugung aufgeführten Art und Weise mit räumlicher Gitterstruktur 4'oder kammartiger Gitterstruktur 4" aus Enden von Lichtwellenleitern oder als ring- oder schlaufenförmiger Ringresonator 17, 4"' aufbauen, indem man mehrere Einzelelemente rotationssymmetrisch um die Achse des einlaufenden Teilchenstrahls von Pulsen 46 ausgewählter Teilchen 6 anordnet.
Fig. 11 und 11a zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem teilchenoptischen
Phasenschieber für ein Transmissionselektronenmikroskop. Solche Phasenschieber dienen dazu, den Bildkontrast zu erhöhen, indem man eine teilchenoptische Phasenverschiebung zwischen den von einer Probe 38' abgebeugten Strahlen 38"' und dem direkten Strahl 38"" erzeugt. Die Beleuchtungsstrahlen 38" zur Beleuchtung der Probe 38' besteht aus Pulsen 46 ausgewählter Teilchen 6, die durch eine der vorbeschriebenen Vorrichtungen erzeugt werden.
Fig. 1 1 zeigt zunächst das Prinzip der Abbildung der Probe 38' mit Phasenkontrast, auf die Beleuchtungsstrahlen 38" gerichtet werden und dann eine Interferenz von abgebeugten Strahlen 38"' und dem direkten teilchenwellenphasenverschobenen Referenzstrahl 38"" erzeugt wird. Die elektronenoptischen Linsen sind hier der Einfachheit halber weggelassen. Der beleuchtende Strahl 38" ist dabei durch eine Vorrichtung entsprechend Fig. 2 bis Fig. 7 im Attosekundenbereich phasenkorreliert gepulst worden, so daß mittels des Laserlichts 25, das zum Laserlicht 5 der ersten Vorrichtung ebenfalls phasenkorreliert ist, eine Modulation des aus Pulsen 46 ausgewählter Teilchen 6 bestehenden direkten Strahls 38"" möglich ist. Der direkte Strahl 38"" geht dazu durch die phasenschiebende dielektrische Struktur 38, wobei Fig. 1 1 a einen Ausschnitt aus dieser Struktur zeigt. Mittels eines mittigen Teilungsversatzes 39 in der Struktur 38 von Aperiode statt - Aperiode, der bewirkt, daß der direkte
Strahl 38"" zunächst um einen Betrag beschleunigt und anschließend um den gleichen Betrag abgebremst wird, entsteht der Teilchenstrahl 6"", der proportional zu diesem teilchenoptisch phasenverschoben ist. Er bildet zusammen mit den abgebeugten Strahlen 38"' das Phasenkontrastbild.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich nur beispielhaft, wesentlich ist die Separation von Pulsen 46 von innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters 6' ausgewählten Teilchen 6. Diese macht es möglich, die ultrakurzen Pulse 46 ausgewählter Teilchen 6 in einer weiteren Vorrichtung 22 in vorbestimmter Weise zu modulieren. Wobei die gekrümmte dielektrische Struktur 4', 4", 4"' zur Ablenkung der ausgewählten Teilchen 6 auch in anderer Weise als die aufgezählten Strukturen ausgestaltet werden kann und auch die zweite Vorrichtung 22 aus verschiedensten dielektrischen Strukturen 24', 24", 24"' bestehen kann.
Bezüglich des Verfahrens ist wesentlich, daß ausgewählte Teilchen 6 in Pulsen 46 nur ein Bruchteil einer Periodendauer (T) 5' des Laserlichts 5 dauern und zu diesem eine derartige Synchronität aufweisen, daß diese für eine gezielte Weiterbearbeitung dieser Pulse 46 genutzt werden kann.
Verfahren und Vorrichtungen zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen sowie Anwendungsbeispiele für die praktische Anwendung solcher
Vorrichtungen
Bezugszeichenliste
1 Strahl elektrisch geladener Teilchen, z. B. Elektronenstrahl
2 evaneszentes elektromagnetisches Feld
2', 2", 2"',2"" Richtungswechsel der Feldstärken
(Pfeile sind die elektrischen Feldkomponenten)
3 Vakuumkanal
4 lichtleitendes Element
4' gekrümmte dielektrische Struktur als räumliche Gitterstruktur mit
Grundkörper
4" gekrümmte dielektrische Struktur als kammartige Gitterstruktur aus Enden von Lichtwellenleitern
4"' gekrümmte dielektrische Struktur als ring- oder schlaufenförmiger
Ringresonator
5 Laserlicht
5' Periodendauer (T) des Laserlichts
5" Wellenlänge (Ao) des Laserlichts
5"' getapertes Lichtleiterende
6 ausgewählte Teilchen
6' Zeitfenster (ΔΤ) der ausgewählten Teilchen
6" Bündel ausgewählter Teilchen
6"' zeitlich verschobenes Referenzbündel zu 6"
6"" Teilchenwelle mit Phasenversatz
7 Blende
T Blendenöffnung / erste Blendenöffnung " zweite Blendenöffnung
räumliche Strukturänderung
Grundkörper
0 strukturabgewandte Seite
1 Zahnreihe
2 Lochreihe
3 Enden (von Lichtwellenleitern)
4 Lichtwellenleiter
5 Vorrichtung zum Phasenschieben
6 Vorrichtung zur Intensitätseinstellung
7 Ringresonator
8 erster Teilbereich des ring- oder schlaufenformigen Ringresonators9 zweier Teilbereich des ring- oder schlaufenformigen Ringresonators0 anderer Lichtleiter
1 weiteres lichtleitendes Element (zum Element 4)
2 weitere (zweite) Vorrichtung zur Strahlformung eines Strahls ausgewählter
Teilchen
3 evaneszentes elektromagnetisches Feld der Vorrichtung 22
4 dielektrische Struktur
4' dielektrische Struktur als räumliche Strukturänderung
4" dielektrische Struktur als Enden von Lichtwellenleitern
4"' dielektrische Struktur als Ringresonator
5 Laser (abgezweigt vom Laser 5 oder gleiche Frequenz und
phasenkorreliert)
6 Laserlichtquelle
7 Strahlteiler
8, 28' Phasenschieber
9 Intensitätseinstellung Strahlteiler
Enden von Lichtwellenleitern
Lichtwellenleiter
räumlich verteilte Strahlenbündel
Strahlteilchenverlauf einer optischen Rundlinse
Rundlinse
Kranz von Segmentabschnitten
Segmentabschnitte
dielektrische Struktur zur Erzeugung eines Phasenversatzes ' Probe des Elektronenmikroskops (Transmissionselektronenmikroskop) " Beleuchtungsstrahlen
"' von einer Probe abgebeugte Strahlen
"" direkter Strahl
Teilungsversatz der Struktur
Vorrichtung des Standes der Technik
Teilchen, das eine Beschleunigung erfährt
' Beschleunigung
Teilchen, das eine Abbremsung erfährt
' Abbremsung
Teilchen, das eine Ablenkung in Richtung des lichtleitenden Elements erfährt
' Ablenkung desselben
Teilchen, das eine Ablenkung weg vom lichtleitenden Element erfährt ' Ablenkdung desselben
nicht ausgewählte Teilchen
Pulse ausgewählter Teilchen
Feldstärke / Zeit-Diagramm
Phasenlage der Teilchen (6 und/oder 45) weiteres verstärkendes evaneszentes Feld
dielektrisches lichtleitendes Element umgekehrter Krümmung Anzahl der ausgewählten Teilchen

Claims

Verfahren und Vorrichtungen zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen sowie Anwendungsbeispiele für die praktische Anwendung solcher Vorrichtungen Patentansprüche
1. Verfahren zur Modulation eines Strahls (1 ) elektrisch geladener Teilchen,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritt: a) Es wird ein Strahl (1 ) elektrisch geladener Teilchen erzeugt.
b) Es wird ein Laserlicht (5) mit der Periodendauer T (5') erzeugt.
c) Aus dem Strahl (1 ) werden in Zeitfenstern ΔΤ (6'), die ein Bruchteil der
Periodendauer T (5') dauern, Pulse (46) ausgewählter Teilchen (6) im Bereich einer vorgegebenen Geschwindigkeit ausgesondert, wobei die Pulsfolge bezüglich der Periodendauer T (5') oder einem ganzzahligen Vielfachen davon mit dem Laserlicht (5) synchron ist.
d) Die Pulse (46) werden einem evaneszenten elektromagnetischen Feld (23) an der Oberfläche einer Struktur (24, 24', 24", 24"'), die einen periodischen Wechsel des Feldes (23) erzeugt, zugeführt, wobei das Feld (23) durch das Laserlicht (5) oder durch ein phasenkorreliertes Laserlicht (25) gleicher Frequenz entsprechend seiner Periodendauer T (5') derartige Feldstärken aufweist, daß die Pulse (46) den gleichen beschleunigenden, abbremsenden oder ablenkenden Kräften (41 ', 42', 43', 44') ausgesetzt sind.
e) Der Schritt d) wird, wenn die Pulse (46) das Feld (23) passieren, mehrmals mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Kraftwirkungen (41 ', 42', 43', 44') wiederholt, bis die gewünschte Strahlmodulation erreicht ist. Vorrichtung zur Modulation eines Strahls (1 ) elektrisch geladener Teilchen, wie Elektronen oder Ionen zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 a) bis c), wobei ein Teilchenstrahl (1 ) durch einen Vakuumkanal (3) entlang der
Oberfläche eines lichtleitenden Elements (4) innerhalb der Reichweite eines evaneszenten elektromagnetischen Feldes (2) geführt wird, wobei das Feld (2) durch Beaufschlagung des Elements (4) mit Laserlicht (5) induzierbar ist und durch den phasenlagenabhängigen Richtungswechsel (2') der Feldstärken auf die
Teilchen beschleunigend, bremsend, vom lichtleitenden Element (4) weg und zu ihm hin ablenkend wirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das lichtleitende Element (4) eine gekrümmte dielektrische Struktur (4', 4", 4"') aufweist, wobei diese zur Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes (2) mittels eines monochromatischen und polarisierten Laserlichts (5) derart ausgebildet ist, daß die zur Phasenlage des Laserlichts (5) bezüglich eines vorgegebenen Zeitfensters (6') ausgewählten Teilchen (6) des Strahls (1 ) im
Bereich maximaler Ablenkung durch das Feld (2) weitere Ablenkungen in Richtung der dielektrischen Struktur (4', 4", 4"') derart erfahren, daß sich die ausgewählten Teilchen (6) entlang der gekrümmten dielektrischen Struktur (4', 4", 4"') in dem Feld
(2) bewegen, wobei eine Blende (7), die nach dem Vakuumkanal
(3) vorgesehen ist, durch ihre Öffnung (7') nur die Teilchen (6) des durch das Zeitfenster (6') gebildeten Pulses (46) hindurchläßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Krümmung der dielektrischen Struktur (4', 4", 4"') und die Periodizität des durch diese Struktur (4', 4", 4"') erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Feldes (2) an die Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen derart angepaßt sind, daß dies zu maximalen Ablenkungen der durch das Zeitfenster (6') ausgewählten Teilchen (6) führt, wobei sich die Ablenkungen auf dem Weg der Teilchen (6) entlang der dielektrischen gekrümmten Struktur (4', 4", 4"')
aufsummieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Krümmung und die Öffnung (7') der Blende (7) so gewählt sind, daß das Zeitfenster (6') weniger als ein Achtel der Periodendauer des Laserlichts (5) beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das lichtleitende Element (4) als gekrümmte dielektrische Struktur (4') eine Gitterstruktur mit einer sich periodisch wiederholenden oberflächennahen räumlichen Strukturänderung (8) aufweist und diese Struktur (4') entlang der Krümmung derart aufgereiht ist, daß die Periode der Gitterstruktur ^ mal der
Wellenlänge (5") des Laserlichts (5) ist oder ein ganzzahliges Vielfaches davon, beziehungsweise bei schräg einfallendem Laserlicht (5) noch um einen Faktor, der den Schrägeinfall berücksichtigt, reduziert ist (v = Geschwindigkeit der Teilchen, c = Lichtgeschwindigkeit), und wobei die Struktur (4') auf einem Grundkörper (9) des lichtleitenden Elements (4) angeordnet ist, der auf der strukturabgewandten (10) oder -zugewandten Seite mit dem Laserlicht (5) beleuchtet wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die räumliche Strukturänderung (8) eine sich entlang der Krümmung
erstreckende Zahnreihe (1 1 ) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gekrümmte dielektrische Struktur (4') mittels einer geeigneten
Linsenanordnung oder mittels eines getaperten Lichtleiterendes (5"') derart mit dem Laserlicht (5) beaufschlagt wird, daß jede Laserlichtwellenfront gleichzeitig auf alle Bereiche der Krümmung der dielektrischen Struktur (4') trifft..
8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das lichtleitende Element (4) als gekrümmte dielektrische Struktur (4") eine kammartige Gitterstruktur mit entlang des Vakuumkanals (3) aufgereihten Enden
(13) von monomoden Lichtwellenleitern (14) aufweist, wobei die Lichtwellenleiter
(14) mindestens einen solchen Abstand aufweisen, daß eine Überkopplung von Laserlicht (5) ausgeschlossen ist und wobei jedem Lichtwellenleiter (14) je eine Vorrichtung zum Phasenschieben (15) und zur Intensitätseinstellung (16) zur phasensynchronen Einstellung des elektrischen Feldes (2) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie einen ring- oder schlaufenförmig geschlossenen Ringresonator (17) aufweist, der in einem ersten Teilbereich (18) als lichtleitendes Element (4) mit der gekrümmten dielektrischen Struktur (4"') entlang des Vakuumkanals (3) geführt ist und in den in einem zweiten Teilbereich (19) mittels Überkopplung von elektrischen Feldern aus dem Laserlicht eines anderen Lichtleiters (20) Laserlichtwellen eingekoppelt werden, die das evaneszente elektromagnetische Feld (2) erzeugen, wobei die Geschwindigkeit der Teilchen an die Phasengeschwindigkeit der Lichtwellen im Ringresonator (17) angepaßt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung zweier entsprechend der Phasenverschiebung der
evaneszenten Felder (2) verschobener Bündel (6", 6"') von Teilchenstrahlen beidseitig des Vakuumkanals (3) zwei divergierend gekrümmte lichtleitende Elemente (4) angeordnet sind, wobei die Blende (7) die entlang des einen lichtleitenden Elements (4) entlanggeführten ausgewählten Teilchen (6) durch eine Blendenöffnung (7') hindurchläßt und die entlang des weiteren lichtleitenden Elements (4) entlanggeführten ausgewählten Teilchen (6) durch eine zweite Blendenöffnung (7").
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gekrümmten dielektrischen Struktur (4', 4", 4"') eine dielektrische Struktur umgekehrter Krümmung (50) derart gegenüberliegt und derart räumlich angeordnet und/oder beleuchtet ist, daß ihr evaneszentes Feld (49) die Ablenkung des evaneszenten Feldes (2) der erstgenannten dielektrischen Struktur (4', 4", 4"') bezüglich der Ablenkung der ausgewählten Teilchen (6) verstärkt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß ihr ein Energiefilter vorgeordnet ist, der nur die Teilchen des Strahls (1 ) hindurchläßt, die annähernd eine gleiche Geschwindigkeit aufweisen.
13. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 d) und e),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pulse (46) der ausgewählten Teilchen (6) des Strahls (1 ) einer weiteren Vorrichtung (22) zur Strahlformung des Strahls ausgewählter Teilchen (6) zugeführt werden, die ebenfalls mittels eines evaneszenten elektromagnetischen Feldes (23) arbeitet, wobei auch diese Vorrichtung (22) eine dielektrische Struktur (24, 24', 24", 24"') zur Erzeugung dieses Feldes (23) aufweist, in dessen Wirkungsbereich die mindestens eine Bahn der ausgewählten Teilchen (6) verläuft, wobei das Laserlicht (25) zur Felderzeugung aus derselben Laserlichtquelle (26) stammt, wie der Laser (5), der der Erzeugung der Pulse (46) ausgewählter Teilchen (6) dient sowie durch einen Strahlteiler (30) abgezweigt wird, oder aus einer Laserlichtquelle stammt, die die gleiche Frequenz wie der Laser (5) hat und zu diesem phasensynchron ist, wobei dieses Laserlicht (25) zur Beleuchtung der dielektrischen Struktur (24, 24', 24", 24"') mittels mindestens eines Phasenschiebers (28, 28') und mindestens einer Intensitätseinstellung (29) derart einstellbar ist, daß die der weiteren Vorrichtung (22) zugeführten Teilchen (6) beschleunigt, abgebremst, bezüglich der
Strahlintensität oder zur Bildung von Pulsfolgen moduliert oder in eine bestimmte oder eine einstellbare Richtung abgelenkt werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pulse (46) mit den Teilchen (6) aus einer der Vorrichtungen gemäß Anspruch 2 bis 1 1 stammen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24') sich periodisch wiederholende oberflächennahe räumliche Strukturänderungen aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24") aus Enden (31 ) von Lichtwellenleitern (32) besteht, deren Feldausbildung durch Phasenschieber (28) und/oder
Intensitätseinstellungen (29) steuerbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24"') mindestens ein ring- oder schlaufenförmig geschlossener Ringresonator ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24, 24', 24", 24"') entlang einer Geraden verläuft.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24, 24', 24", 24"') als gekrümmte dielektrische Struktur zur Ablenkung der ausgewählten Teilchen (6) verläuft.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24, 24', 24", 24"') derart räumlich verteilt ist, daß die ausgewählten Teilchen (6) räumlich verteilte Strahlenbündel (33) bilden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die räumliche Verteilung der Struktur (24, 24', 24", 24"') rotationssymmetrisch ist und die Felderzeugung (23) den Strahlteilchenverlauf (34) einer optischen Rundlinse (35) nachbildet.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die räumliche Verteilung der Struktur (24, 24', 24", 24"') n-fach achsensymmetrisch ist (n = Polanzahl) und eine Felderzeugung (23) mit phasenverschobenen Segmentabschnitten (37) mittels wechselnder Polarisierungen der Segmentabschnitte (37) den Strahlenverlauf eines Multipols nachbilden.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Struktur (24, 24', 24", 24"') derart ausgebildet ist, daß ausgewählten Teilchen (6) eines direkten Strahls (38"") durch Abbremsung und/oder Beschleunigung gegenüber den von einer Probe (38') abgebeugten Strahlen (38"') ein Phasenversatz aufgeprägt wird, wobei eine derartige teilchenoptische Phasenschiebung erzielt ist, daß ein Phasenkontrastbild eines Elektronen- oder lonenmikroskops erzeugbar ist.
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