DE69116961T2

DE69116961T2 - Optischer begrenzer mit optischem konvergenz- und absorptionskörper mit inhomogener verteilung von umkehrbarem saturierbarem material

Info

Publication number: DE69116961T2
Application number: DE69116961T
Authority: DE
Inventors: Stephen Mccahon; Lee Tutt
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1990-03-29
Filing date: 1991-03-05
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2011-03-06
Also published as: EP0474828B1; WO1991014411A1; EP0474828A1; DE69116961D1; IL97527A0; US5080469A; IL97527A

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Optik und genauer gesagt auf den Schutz von Augen, Sensoren und anderen Objekten gegenüber hochintensivem Licht.
Hochintensive Lichtquellen, wie etwa Laser, elektrische Lichtbogen-Schweißgeräte und direktes Sonnenlicht sind potentiell schädigend für das menschliche Auge als auch für optoelektronische Sensoren und andere Geräte, die in technischen Umgebungen verwendet werden. Arbeiter in solchen Umgebungen haben üblicherweise Augenschutzgläser oder Schutzbrillen getragen, darunter Linsen, die aus einem Material mit einem hohen Grad an optischer Absorption für alle Werte der einfallenden Lichtintensität bestehen. Die Linsen bei Schweißerbrillen und Kopfplatten z.B. absorbieren so viel Licht unter normalen Bedingungen, daß praktisch nichts durch sie zu sehen ist, bis der Schweißbogen erzeugt wird, was es erfordert, sie ständig in ihre Schutzposition und daraus heraus vor den Augen des Arbeiters zu bewegen.
Optische Begrenzer, deren Absorptionsgrad mit zunehmender Intensität des einfallenden Lichtes zunimmt, wurden unter Verwendung von Materialien entwickelt, die eine umgekehrt sättigbare Absorption (RSA) aufweisen. Diese Materialien wurden in herkömmlicher Weise in einer Flüssigkeit aufgelöst oder mit einer gleichbleibenden Konzentration von Molekülen in einen Festkörper integriert. Die Prinzipien von RSA sind in einem Artikel mit dem Titel "An analysis of pulse propagation through a saturable absorber having excited-state absorption", von K. Reddy, in Optical and Quantum Electronics 19 (1987), Seiten 203-208 erläutert.
Eine optische Begrenzerwirkung kann verstärkt werden, indem ein einfallender Lichtstrahl in das Material konvergiert wird, wie in einem Artikel beschrieben mit dem Titel "PASSIVE BROADBAND HIGH DYNAMIC RANGE SEMICONDUCTOR LIMITERS", von D. Hagan et al, in SPIE Vol. 1105 Materials for Optical Switches, Isolators, and Limiters (1989), Seiten 103-113. Das angegebene Material war ein Halbleiter, polykristallines ZnSe.
Optische Begrenzer unter Verwendung von umgekehrt sättigbaren Absorbern haben in der Vergangenheit alle eine gleichförmige Konzentration von Molekülen über die Ausdehnung des absorbierenden Materials besessen. Ob der einfallende Lichtstrahl in das Material nun konvergiert wird oder nicht, besteht der Nachteil dabei darin, daß sich viele der Moleküle außerhalb des Brennbereiches (Hochflußbereich) befinden und als normale lineare Absorber wirken werden und nicht zu der optisch begrenzenden Wirkung beitragen. Dies liegt daran, daß der lokale Fluß oder Energiefluß pro Einheitsfläche in dem Material außerhalb des Brennbereiches unterhalb des Grenzwertes liegt, bei dem sich die umgekehrt sättigbare Absorption "einschaltet" und die Beteiligung der Tripletpegel beginnt aufzutreten, wie oben diskutiert wurde.
Die gegenwärtige Erfindung gibt einen verbesserten optisch begrenzenden Körper und einen verbesserten optischen Begrenzer an, mit einem Material, das eine umgekehrt sättigbare Absorption aufweist, und mit einer optischen Konvergenzlinse zum Konvergieren eines in das Material einfallenden Lichtstrahles, dessen Intensität oder Energie begrenzt werden soll. Das absorbierende Material besitzt einen inhomogenen Konzentrationsgradienten oder eine inhomogene Verteilung, die gemäß der optischen Verstärkung der Konvergenzlinse ausgewählt wird, um die nicht linearen Eigenschaften des Materials für optisch begrenzende Anwendungen effektiver zu nutzen, indem die Leistungsverarbeitungsfähigkeiten durch die selbstschützende Wirkung vergrößert werden, die durch die Konzentrationsverteilung verbessert wird.
Die Konzentrationsverteilung vergrößert die Leistungsaufnahmefähigkeiten des Materials, was seinerseits eine verbesserte Begrenzerwirkung ermöglicht. Dies ist auf die nicht lineare Absorption zurückzuführen, die auf eine solche Weise wirkt, daß die Bereiche des Materials, die die höchste Konzentration an Molekülen aufweisen, und die ohne die geeignete Verteilung von nicht linearen absorbierenden Molekülen katastrophalen Flußwerten ausgesetzt wären, gegen Schaden geschützt werden. Die Kontrast- und Schaltgrenzwerte werden verbessert, da mehr von dem nicht linearen Material in Bereichen von hohen Flüssen vorkommt und deshalb für eine gegebene Eingangsenergie mehr aktiviert oder in den hoch absorbierenden Zustand geschaltet wird.
Genauer gesagt bündelt die Linse einen Lichtstrahl in einen lichtabsorbierenden Körper mit einem Material, das eine umgekehrt sättigbare optische Absorption aufweist und das darin nicht gleichmäßig verteilt ist. Die Konzentration ist am Brennpunkt des konvergierenden Lichtstrahles maximal und nimmt zur Linse hin mit einer Verteilung ab, die gemäß der Art der verwendeten Moleküle und der optischen Verstärkung des konvergierenden Lichtstrahles ausgewählt ist, um den lokalen Einfluß des sich durch den absorbierenden Körper fortpflanzenden Lichtstrahles und die Ausgangsenergie des Lichtstrahles auf vorgegebene Maximalwerte zu begrenzen. Die nicht lineare Konzentration erzeugt ferner einen selbstschützenden Effekt, indem der Bereich des maximalen Flusses des konvergierenden Lichtstrahles zu der Linse hin verschoben wird, wodurch der Bereich der höchsten optischen Verstärkung und der höchsten Molekülkonzentration geschützt wird, wenn die Einfallsenergie des Lichtstrahles zunimmt.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden für die Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit der zugehörigen Zeichnung, bei der sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Teile beziehen, deutlich.
Fig. 1 ist eine Darstellung, die die umgekehrt sättigbare Absorption verdeutlicht, wie sie bei der gegenwärtigen Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die einen optischen Begrenzer gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt;
Fig. 3a ist eine Graphik, die die Ausbreitung eines kollimierten Lichtstrahles durch ein Material mit umgekehrt sättigbarer Lichtabsorption zeigt, mit der linearen und abgeschalteten umgekehrten Sättigung und mit einem optischen Verstärkungsfaktor von 10;
Fig. 3b ist eine der Fig. 3a ähnliche Darstellung, jedoch zeigt sie die Ausbreitung mit eingeschalteter linearer und umgekehrter Sättigung;
Fig. 4a und 4b sind der Fig. 3b ähnliche Darstellungen, zeigen jedoch optische Verstärkungsfaktoren von 500 bzw. 900;
Fig. 5a ist eine Graphik, die einen Konzentrationsgradienten oder eine Konzentrationsverteilung eines umgekehrt sättigbaren Materials gemäß der Erfindung zeigt, was mit einem Eindiffusionsverfahren erreichbar ist;
Fig. 5b zeigt eine umgekehrt sättigbare Absorption für ein Material, das eine Konzentrationsverteilung gemäß Fig. 5a und einen optischen Verstärkungsfaktor von 900 aufweist;
Fig. 6a ist eine Graphik, die eine bevorzugte Konzentrationsverteilung gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt;
Fig. 6b ist eine Graphik, die eine umgekehrt sättigbare Absorption für das Material gemäß Fig. 6a mit einem optischen Verstärkungsfaktor von 5000 zeigt;
Fig. 7 ist eine Darstellung, die einen optisch begrenzenden Körper zeigt, der gemäß einem Beispiel der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 8 ist eine Graphik, die experimentelle Daten zeigt, die mit dem Körper gemäß Fig. 7 erhalten wurden; und
Fig. 9 ist eine Darstellung, die die chemische Struktur eines in dem Körper gemäß Fig. 7 verwendeten Materials zeigt.
RSA in organo-metallischen Verbindungen, wie etwa die zuvor erwähnten Metall-clusterverbindungen, umfassen vier Energiezustände, darunter zwei Singletzustände oder -level mit Molekülkonzentrationen N&sub1; und N&sub2; und zwei Tripletzustände oder -level mit Molekülkonzentrationen N&sub3; und N&sub4;, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Bei Bestrahlung mit Licht einer geeigneten Wellenlänge werden einige der Moleküle durch lineare Absorption auf höhere Singletzustände N&sub2; angehoben, von wo sie entweder auf den ursprünglichen Grundzustand N&sub1; oder auf den niedrigeren Tripletzustand N&sub3; herabfallen können. Der Tripletzustand N&sub3; besitzt eine langsamere Abfallgeschwindigkeit zurück zu dem Singletzustand N&sub1; als von dem Singletzustand N&sub2; auf N&sub1;, und ein deutlicher Anteil der Moleküle akkumuliert sich in dem Zustand N&sub3;, wenn die einfallende Strahlung zunimmt.
Falls der Absorptionsquerschnitt &sub2; zwischen den Tripletzuständen N&sub3; und N&sub4; größer als der Absorptionsquerschnitt &sub1; zwischen den Singletzuständen N&sub1; und N&sub2; ist, dann kann die Bedingung N&sub3; &sub2;> N&sub1; &sub1; auftreten, und die größere Tripletabsorption beginnt die Absorption in dem Material zu dominieren. Wenn die einfallende Strahlung über den Zustand hinaus zunimmt, bei dem die Tripletabsorption zu dominieren beginnt, wird die einfallende Strahlung durch den zunehmend besetzten Tripletzustand absorbiert, und der Pegel der Ausgangsenergie wird auf einem bestimmten Wert begrenzt. Dieses nicht lineare Verhalten ist als optische Begrenzung bekannt.
Dieses System mit vier Zuständen kann mathematisch durch die folgenden linearen Differentialgleichungen beschrieben werden, für eine einfallende Lichtintensität I(z,t) und N(z,t), wobei N der Anteil der Gesamtzahl von Molekülen in einem bestimmten Energiezustand ist:
dN&sub2;/dt = &sub1;(I/h ) (N-N&sub2;-N&sub3;-N&sub4;)-N&sub2;/τ&sub2;(1+1/BR)
dN&sub3;/dt = - IN&sub3;-N&sub3;/τ&sub3;+N&sub4;/τ&sub4;+N&sub2;/τ&sub2;&sub3;
dN&sub4;/dt = &sub2;IN&sub3;-N&sub4;/τ&sub4;
N = N&sub1;+N&sub2;+N&sub3;+N&sub4;
und in einer Differentialabsorptionsgleichung:
dI/dz = &sub1;I(N-N&sub2;-N&sub3;-N&sub4;)- &sub2;IN&sub3;,
wobei h die Plancksche Konstante, die Frequenz des Lichtstrahles, τ&sub1; bis τ&sub4; Relaxationszeitkonstanten und BR eine Teilungsrate τ&sub2;/τ&sub2;&sub3; ist.
Es sei nun auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen, worin ein optischer Begrenzer gemäß der gegenwärtigen Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet ist, der eine optische Konvergenzlinse 12 und einen lichtabsorbierenden Körper 14 aufweist. Die Linse 12 ist dazu geeignet, einen einfallenden Lichtstrahl 16 von einer Lichtquelle 18 wie etwa einem Laser zu einem Brennpunkt oder einer Brennzone 20 in dem Körper 14 zu bündeln. Die Brennweite der Linse 12 wird ausgewählt, um einen optischen Verstärkungswert in dem Körper 14 zu erzeugen, der einer nicht linearen Verteilung von darin enthaltenen Molekülen eines umgekehrt sättigbaren Materials entspricht.
Die Lichtquelle 18 muß keinen speziellen Aufbau aufweisen und kann aus Licht bestehen, das von einem Objekt reflektiert wird. Falls gewünscht, kann eine zusätzliche Konvergenzlinse 22 vorgesehen sein, um den Lichtstrahl, der in den Körper 14 durch die Linse 12 gebündelt wurde, wieder zu kollimieren. Obwohl nicht dargestellt, liegt es ferner im Rahmen der Erfindung, zusätzliche Linsen und lichtabsorbierende Körper an gewünschten, dem Körper 14 nachgeordneten Punkte, vorzusehen.
Gemäß der gegenwärtigen Erfindung weist das umgekehrt sättigbare Material in dem Körper 14 einen nicht linearen Konzentrationsgradienten oder eine nicht lineare Konzentrationsverteilung auf, die unter Bezugnahme auf die Fig. 3a und 6b beschrieben wird. Dies sind computergenerierte Graphiken auf der Basis der Eigenschaften von Eisentrikobalt-Deca-Carbonyl- Bistrimethylphosphin, einem beispielhaften organo-metallischen RSA-Material. Jedoch versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung irgend eines bestimmten Materials begrenzt ist und unter Verwendung jeder geeigneten Zusammensetzung von Materie ausgefünrt werden kann, die eine nicht lineare Absorption durch umgekehrte Sättigung oder irgend einen anderen Mechanismus aufweist.
Die Figuren 3a und 3b zeigen die Auswirkungen von nicht linearer Absorption auf die Energie in einem konvergierenden Lichtstrahl in einem umgekehrt sättigbaren Material mit einer gleichförmigen Konzentration von Molekülen. Fig. 3a gibt die lokale Energie (die proportional zum Fluß ist) als eine Funktion der Tiefe im Material an für fünf verschiedene Eingangsenergiepegel mit abgeschalteter linearer und nicht linearer Absorption. Dies gibt eine Referenz und entspricht der Ausbreitung eines Lichtstrahles im leeren Raum. Die optische Verstärkung, die durch die Strahlenkonvergenz erzeugt wird, wird mit einem Faktor von 10 angenommen. Somit ist der Fluß am Brennpunkt oder in der Brennebene im Zentrum des Materials zehnmal so groß wie der Fluß an der Eingangskante. Die lineare Absorption des Materials, die die gesamte Absorption bei geringen Lichtpegeln mit abgeschaltetem Material darstellt, wird mit 50 % angenommen.
In Fig. 3b ist die nicht lineare Absorption bei derselben optischen Konfiguration eingeschaltet. Während die Eingangsenergie von 1 mJ/cm² auf 10 J/cm² zunimmt, konvergiert die Ausgangsenergie bei einem gehaltenen oder begrenzten Wert von ungefähr 75 mJ/cm². Dies ist auf den optisch begrenzenden Effekt zurückzuführen. Es sei jedoch darauf hingeweisen, daß der gehaltene Wert ungefähr 1,5 % des Wertes in Fig. 3a für die lineare Absorption ausmacht. Ferner überschreitet der maximale Energiewert an keinem Punkt innerhalb der Probe 10 J/cm², und zwar obwohl die Verstärkung von 10 zu einer Energie von 100 J/cm² ohne Absorption führen würde und zu 75 J/cm² mit linearer Absorption.
Der ungefähre Schädigungsgrenzwert für das in Lösung befindliche Material beträgt 10 J/cm². Die Figuren 4a und 4b zeigen die Auswirkung einer Zunahme des optischen Verstärkungsfaktors auf 500 bzw. 900. In Fig. 4a wird der Schädigungsgrenzwert von 10 J/cm² in der Nähe des Zentrums des Materials leicht überschritten und wird bei Fig. 4b deutlich überschritten. Für den optischen Verstärkungsfaktor von 500 ist der gehaltene Ausgangswert unterhalb von 10 mJ/cm². Dies ist zu vergleichen mit dem Fall des Verstärkungsfaktors von 10, der zu einem Grenzwert von ungefähr 75 mJ/cm² führt.
Der gehaltene Wert der Ausgangsenergie nimmt ab, während die optische Verstärkung zunimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine Zunahme der optischen Verstärkung zu einer Zunahme des lokalen Flusses in dem Material führt, was bewirkt, daß mehr Moleküle eingeschaltet werden und an der optischen Begrenzung durch nicht lineare Absorption teilnehmen. Die Grenze der Abnahme der Ausgangsenergie durch eine einfache Zunahme der optischen Verstärkung ist dann erreicht, wenn entweder der Maximalfluß innerhalb des Materials einen katastrophischen Wert erreicht oder die Anzahl von Molekülen, die an der nicht linearen Absorption teilnehmen, auf einen Wert absinkt, der nicht genug Abschwächung erzeugen kann. Der letzere Effekt tritt auf, wenn der Strahl so eng fokussiert ist, daß der lokale Fluß oberhalb des nicht linearen Absorptionsgrenzwertes so eng ist, daß eine ungenügende Anzahl von Molekülen in diesem Raum vorhanden ist, die angeregt werden können, um die notwendige Energiemenge von dem Lichtstrahl zu absorbieren.
Bis zu diesem Punkt wirkt der optische Begrenzer auf selbstschützende Weise, indem der maximale Fluß innerhalb der Probe begrenzt wird. Dies beruht auf der nicht linearen Absorptionsverschiebung von dem Brennpunkt zu der Konvergenzlinse, wenn die Eingangsenergie zunimmt. Die Verschiebung in dem Bereich des maximalen Flusses resultiert aus einer zunehmenden Anzahl von Molekülen zwischen dem Brennpunkt und der Konvergenz linse, die angeregt werden, wenn der Gesamtflußpegel innerhalb des Materials als Reaktion auf eine zunehmende Eingangsenergie vergrößert wird.
In Fig. 4a tritt an der Vorderseite des Materials zu viel nicht lineare Absorption auf, und nicht genügend in der Mitte. Dies zeigt, daß eine weitere Zunahme der optischen Verstärkung nicht möglich ist, um einen niedrigeren gehaltenen Ausgangswert zu erreichen. Der Grund hierfür ist der, daß wie oben erläutert, der Bereich nicht linearer Absorption infolge des hohen optischen Verstärkungsgrades und der resultierenden Strahlenkonvergenz so eng geworden ist, daß der nicht lineare Absorptionseffekt des Materials eine Sättigung erreicht hat. Eine weitere Zunahme der optischen Verstärkung führt, wie in Fig. 4 dargestellt, nicht zu einem niedrigeren, sondern zu einem höheren maximalen Fluß in dem Material, da der Gesamtpegel nicht linearer Absorption abgenommen hat.
Diese Begrenzung im Stand der Technik wird gemäß der gegenwärtigen Erfindung überwunden, indem das umgekehrt sättigbare Material in einem Absorptionskörper mit nicht gleichförmiger Konzentration verteilt wird, die in dem Höchstflußbereich des Körpers um den Brennpunkt des konvergierenden Lichtstrahles am höchsten ist und zur konvergierenden Linse hin abnimmt. Falls gewünscht, kann die Konzentration von dem maximalen Flußbereich aus zur Konvergenzlinse hin weiter abnehmen. Diese nicht lineare Konzentrationsverteilung oder dieser Gradient vergrößert die Anzahl von Molekülen, die bei einem bestimmten optischen Verstärkungswert angeregt werden, ermöglicht, daß die optische Verstärkung deutlich über den Grenzwert einer gleichförmigen Verteilung hinaus angehoben wird, und begrenzt dadurch den maximalen Fluß in dem Material und die Ausgangsenergie auf niedrigere Werte als mit einer gleichförmigen Verteilung von Molekülen erreichbar ist.
Ein Beispiel für eine solche Verteilung, das unter Verwendung bekannter Technologie erreicht werden kann, ist in Fig. 5a dargestellt. Die Zeichnung zeigt ein "Eindiffusionsprofil", das hergestellt werden kann, indem man Moleküle eines umgekehrt sättigbaren Materials von einem porösen oder "durstigen" Glas wie etwa ein Sol-Gel absorbieren läßt. Die Konzentration ist gleich N&sub0; in der Mitte des Materials und nimmt auf N&sub0;/e an den Kanten ab (wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist). Ein Vergleich mit den Fig. 4a und 4b zeigt in Fig. 5b, daß die Schadensgrenze von 10 J/cm² nicht überschritten wird, und daß die Ausgangsenergie auf ungefähr 1 mJ/cm² begrenzt wird, im Vergleich zu einem Wert, der näher bei 10 mJ/cm² bei der gleichförmigen Verteilung liegt. Die Verschiebung in dem maximalen Flußbereich zu der Konvergenzlinse hin ist sogar größer bei einer nicht gleichförmigen Konzentrationsverteilung als bei einer gleichförmigen Verteilung, was den dynamischen Bereich und die Wirksamkeit des gegenwärtigen optischen Begrenzers verbessert.
Obwohl die exponentielle Konzentrationsverteilung gemäß den Fig. 5a und 5b den optischen Begrenzungseffekt deutlich gegenüber einer gleichförmigen Verteilung verbessert, wird das beste Ergebnis erzielt, indem die Molekülkonzentration in dem umgekehrt sättigbaren Material so verteilt wird, daß sie der lokalen optischen Verstärkung in dem Material entspricht. Dies wird erreicht, wie in Fig. 6a dargestellt ist, indem eine Konzentrationsverteilung gemäß der Funktion verwendet wird
N(Z) = N&sub0;/[1+((d-Z)/Z&sub0;)X]
wobei Z&sub0; = d/(G-1)1/2
für 0< Z< d
wobei N&sub0; der maximale Wert der Molekülkonzentration in dem Material ist, N die lokale Konzentration, G die optische Verstärkung des konvergierenden Lichtstrahles, d die Lage des Punktes, an dem die Konzentration gleich N&sub0; ist (in dem maximalen Flußbereich am Brennpunkt des konvergierenden Lichtstrahles), Z&sub0; das effektive Tiefenschärfefeld des konvergierenden Lichtstrahles, Z die Verschiebung von der konvergierenden Linse nach d ist, und X eine Konstante ist, die vom Material und der optischen Verstärkung G abhängt. Dies ist die gleiche Funktion, die die optische Verstärkung in dem Material angibt, mit X = 2.
Soweit es ferner gewünscht ist, daß die Konzentration symmetrisch von dem maximalen Wert von der Konvergenzlinse aus weg abnimmt, wird die Dicke des Materials D = 2d, und die Konzentration gemäß der obigen Funktion verteilt, wobei die Verschiebung Z von der Konvergenzlinse nach d gemessen wird.
Die Computersimulation für die obige Funktion für das beispielhafte Material Eisentrikobald-Deca-Carbonyl-Bistrimethylphosphin mit N&sub0; = 10¹&sup9; (gewählt für 50 %ige lineare Absorption) und X = 1,5 ist in Fig. 6b dargestellt. Die lokale Energie überschreitet die Schädigungsgrenze von 10 J/cm² selbst bei einer optischen Verstärkung von 5000 nicht. Der gehaltene Ausgangswert ist ungefähr 35 µJ/cm², was einen dynamischen Bereich von ungefähr 55 dB ergibt. Dies ist zu vergleichen mit ungefähr 30 dB für die gleichförmige Verteilung. Die verbesserte selbstschützende Wirkung ist klar zu ersehen, da sich mit zunehmenden Werten der Eingangsenergie der maximale Fluß deutlich zur Quelle hin verlagert.

BEISPIEL

Obwohl eine optimale Wirksamkeit mit einem kontinuierlichen Konzentrationsgradienten erreicht wird, der wie oben beschrieben, der lokalen optischen Verstärkung entspricht, kann die gegenwärtige Erfindung vorteilhaft unter Verwendung einer Konzentrationsverteilung ausgeführt werden, die sich in einer stufenweisen Art verändert. Eine nicht lineare lichtabsorbierende Probe 30 gemäß Fig. 7 wurde mit einer maximalen Konzentration von umgekehrt sättigbarem Material am Brennpunkt einer Konvergenzlinse 32 hergestellt, mit einer effektiven Rückbrennweite von 7,25 mm. Das Material war Cyclopentadienyl-eisencarbonyltetramer, was auch als King-Komplex bekannt ist, ein bevorzugtes Material für die Ausführung der Erfindung.
Cyclopentadienyl-eisencarbonyl-tetramer ist eine bekannte Verbindung, die in zahlreichen Publikationen wie etwa R. B. King, "Organometallic Chemistry of the Transition Metais, XVI, Polynuclear Cyclopentadienyl Metal Corbonyls or Iron and Cobalt", Inorganic Chemistry, Vol. 5, No. 12, Dezember 1966, Seiten 2227- 2230, beschrieben ist und dessen Struktur in Fig. 9 der gegenwärtigen Anmeldung dargestellt ist. Ein Verfahren zur Herstellung des Tetramers ist in dieser Publikation beschrieben, jedoch ein bevorzugtes Verfahren ist in White and Cunningham, "Synthesis and Electrochemistry of Cyclopentadienyl-carbonyliron Tetramer", J. Chemical Education, Vol. 57, No. 4 (1980), Seite 317 beschrieben.
Das Material wurde in Polymer-Polymethyl-Methacrylat (PMMA) eingebracht, was auch als Luzit oder Plexiglas bekannt ist. Scheiben a bis g mit einer Dicke von 1 mm und unterschiedlichen Molekülkonzentrationen wurden zusammengeschmolzen, um die abgestufte Probe 30 mit 7 Schichten zu erzeugen. Die Durchlaßwerte für die Scheiben waren a = 100%, b = 100%, c = 93%, d = 82%, e = 78%, f = 70% und g = 100%. Die berechnete Durchlässigkeit durch die Probe war 42%, während die gemessene Durchlässigkeit 45% betrugt.
Die einzelnen Scheiben wurden von Stücken mit 1 cm Durchmesser und 1 cm Länge abgeschnitten, und jede Fläche wurde unter Verwendung von herkömmlichen optischen Poliertechniken poliert. Die Durchlässigkeit für jede Probe wurde einzeln gemessen, und die Scheiben wurden zusammengeschmolzen, indem ein dünner Film von nicht polymerisiertem PMMA aufgebracht wurde und der Film ausgehärtet wurde.
Wie in Fig. 8 dargestellt, wurden die optischen Begrenzereigenschaften der stufenkonzentrierten Probe gemessen und mit den optischen Begrenzereigenschaften einer homogenen Verteilung von Molekülen in Flüssigkeit verglichen. Für die homogene Lösung wurden die Moleküle in Methylenchlorid aufgelöst und in eine 1 cm dicke Quarz-Spektrometerzelle eingesetzt. Die Durchlässigkeiten für die Lösung und die Probe waren innerhalb des Fehlerbereiches des Versuches gleich 45%. Die optischen Begrenzermessungen wurden gleichzeitig unter Verwendung praktisch identischer Versuchsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 dargestellt, was deutlich zeigt, daß die abgestufte Verteilung bei niedrigeren Grenzwerten von Eingangsenergien begrenzt und niedrigere gehaltene Ausgangsgrenzenergien aufweist. Die Ausgangsgrenzenergien für die abgestufte Verteilung waren in der Nähe der minimalen Empfindlichkeit der Versuchsvorrichtung. Deshalb sind die Daten leicht gestreut im Vergleich zu den Daten für die homogene Lösung.
Während verschiedene beispielhafte Ausführungen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß zahlreiche Abwandlungen und alternative Ausführungen möglich sind, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie dieser durch die zugehörigen Ansprüche definiert ist. Demnach ist es beabsichtigt, daß die gegenwärtige Erfindung nicht nur durch die speziell beschriebenen beispielhaften Ausführungen begrenzt ist. Es sind zahlreiche Abwandlungen vorstellbar, die ohne vom Geist und Rahmen der Erfindung, wie dieser durch die zugehörigen Ansprüche definiert ist, abzuweichen, hergestellt werden können.

Claims

1. Optisch begrenzender Körper mit einem Material, das eine umgekehrt sättigbare optische Absorption aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine nicht gleichförmige Konzentration mit einem maximalen Wert an einem vorbestimmten Punkt in dem Körper (14) aufweist, der zu einer Licht empfangenden Oberfläche des Körpers (14) hin abnimmt.

2. Körper nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration von dem Maximalwert an dem vorbestimmten Punkt mit zunehmender Entfernung von der Licht empfangenden Oberfläche weiter abfällt.

3. Körper nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration in einer Weise abnimmt, die einer optischen Verstärkungsfunktion von Licht angenähert ist, das sich durch den Körper ausbreitet.

4. Körper nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration im wesentlichen gemäß der Funktion N(Z) = N&sub0;/[1+((d-Z)/Z&sub0;)X], mit Z&sub0; = d/(G-1)½, wobei N&sub0; der Maximalwert ist, N die Konzentration ist, G die optische Verstärkung des Lichtstrahles in dem Körper, d die Lage des Punktes ist, Z&sub0; der effektive Schärfebereich des Lichtstrahles in dem Körper ist, Z der Abstand von der Konvergenzlinse nach d ist und X eine Konstante ist, die sich mit dem Material und der optischen Verstärkung G ändert.

5. Körper nach Anspruch 4, bei dem das Material Eisentrikobaltdeca-carbonyl-bistrimethylphosphin aufweist, X ungefähr 1,5 ist und N&sub0; ungefähr 10¹&sup9; ist.

6. Körper nach Anspruch 1, bei dem das Material Cyclopentadienyl-eisencarbonyl-tetramer umfaßt.

7. Optischer Begrenzer umfassend: einen Körper (14) gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 6 und ein optisches Konvergenzmittel (12) zum Konvergieren eines Lichtstrahles in den absorbierenden Körper, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einen Maximalwert seiner Konzentration in einem Bereich (20) des Körpers (14) hat, in dem der Fluß des konvergierenden Lichtstrahls maximal ist.

8. Optischer Begrenzer nach Anspruch 7, bei dem das Konvergenzmittel geeignet ist, den Lichtstrahl zu einem Brennpunkt in dem Bereich des Körpers (14) konvergieren zu lassen.

9. Optischer Begrenzer nach Anspruch 7, bei dem die Konzentration von dem Maximalwert in dem Bereich (20) des Körpers (14) aus zu dem Konvergenzmittel (12) hin abnimmt.

10. Optischer Begrenzer nach Anspruch 9, bei dem das Konvergenzmittel (12) geeignet ist, den Lichtstrahl gemäß einer vorbestimmten Verstärkungsfunktion konvergieren zu lassen, wobei die Konzentration in einer Weise abnimmt, die der optischen Verstärkungsfunktion angenähert ist oder dieser entspricht.

11. Optischer Begrenzer nach Anspruch 7, bei dem der Punkt der Brennpunkt des konvergierenden Lichtstrahles (16) ist.

12. Optischer Begrenzer nach Anspruch 7, bei dem das Konvergenzmittel (17) eine Konvergenzlinse umfaßt.

13. Optischer Begrenzer nach Anspruch 7, bei dem das Material, die nicht gleichförmige Konzentration und die optische Verstärkung ferner ausgewählt sind, um die Ausgangsenergie des Lichtstrahles auf einen vorbestimmten Maximalwert zu begrenzen.