DE2060503A1

DE2060503A1 - Einrichtung zum Einfangen und Beschleunigen neutraler Teilchen

Info

Publication number: DE2060503A1
Application number: DE19702060503
Authority: DE
Inventors: Arthur Ashkin
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-12-15
Filing date: 1970-12-09
Publication date: 1971-06-24
Also published as: SU657734A3; SE380382B; GB1339733A; JPS4811911B1; US3710279A; DE2065253A1; GB1341683A; CH558201A; CH541213A; FR2073579A5; SE356839B; BE755399A; SU668630A3; NL7017967A

Description

Western Electric Company 2060503

New York

Einrichtung zum Einfangen und Beschleunigen neutraler Teilchen

Die Erfindung bezieht sich auf die gesteuerte Ausnutzung der Wirkungen des Strahlungsdrucks auf Teilchen, welche sich in Bezug auf ihre Umgebung frei bewegen können, insbesondere auf neutrale Teilchen.

Der Strahlungsdruck ist ein physikalisches Phänomen, welches * gelegentlich im Labor untersucht wurde, jedoch grundsätzlich nicht als für die Praxis bedeutsam angesehen wurde, und zwar wegen der unklaren Effekte der thermischen Kräfte. Diese thermischen Kräfte werden durch Temperaturgradienten im Umgebungsmedium eines Objektes hervorgerufen, und werden im allgemeinen als radiometrische Kräfte bezeichnet. Wenn die Gradienten bzw. die Temperaturanstiege speziell durch Licht hervorgerufen werden und die sich ergebende thermische Kraft das gesamte Teilchen bewegt, so spricht man bei diesem Effekt von | Photophorese. Radiometrische Kräfte und insbesondere Photophorese sind gewöhnlich um Größenordnungen stärker als die durch den Strahlungsdruck hervorgerufene Kraft. Selbst be: dem typischen Experiment mit einer Laser-Strahlungsquelle überschattet die Photophorese für gewöhnlich den Strahlungsdruck vollständig. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf den Artikel von A. D. May et al., Journal of Applied Physics, Band 38, Seite 529O (1967) verwiesen» Obwohl es von A. V. Kats et al,

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JETP Letters, Band 9, Seite 192 (1969) bereits postuliert
wurde, daß der Strahlungsdruck sogenannte freie Oberflächen einer Flüssigkeit entgegen den Oberflächenspannungen deformieren kann, wurde bisher die praktische Verwendung
bzw. Ausnutzung des Strahlungsdruckes mit neutralen Teilchen, welche sich bezüglich ihrer Umgebung frei bewegen
können, noch nicht ins Auge gefaßt.

Es sind bereits viele Techniken, z. B. Synchrotron-iechniken, zum Einfangen und Beschleunigen von geladenen Teilchen bekannt; jedoch gibt es bisher noch keine tatsächlich wirksamen Techniken mit ähnlichen Ergebnissen bei neutralen Teilchen.

Es wurde gefunden, daß kleine Teilchen, Moleküle und Atome, welche sich bezüglich ihrer Umgebung frei bewegen können, in stabilen optischen Potentialsenken bzw. -mulden eingefangen oder steuerbar beschleunigt werden können, wobei nur die krafte des Strahlungsdruckes von optischen Strahlenquellen benutzt werden, deren Strahlung eine ausgewählte Frequenz, Form und Intensität hat. Diese Erkenntnis umfaßt die erste Beobachtung der Beschleunigung solcher Teilchen durch die Strahlungsdruckkräfte von sichtbarem Laserlicht. Die an Mikron-großen Teilchen in Flüssigkeiten und Gas durchgeführten Experimente haben neue

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Erkenntnisse in Bezug auf die Eigenart bzw. Natur der Strahlungsdruckkraft gebracht und zur Entdeckung von stabilen optischen Potentialsenken geführt, in denen solche Teilchen durch den Strahlungsdruck allein eingefangen wurden.

Bei diesen Experimenten wurden speziell radiometrische Effekte, z. B. Photophorese, durch Einbringen relativ transparenter Teilchen in relativ transparente Medien oder in Vakuum oder durch Steuerung der Erwärmung von gering absorbierenden Teilchen vermieden. Es wurde eine nahezu vollständige Freiheit von schädlichen thermischen Effekten bei Leistungsdichten erzielt, die dem Tausendfachen der Teilchendichten gemäß dem oben genannten Artikel von A. D. May entsprechen.

Gemäß einer anderen der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis ist es möglich, die Strahlungsdruckeffekte durch Steuerung der Erwärmung des Teilchens oder der thermischen Wechselwirkung des Teilchens mit seiner Umgebung auszunutzen, selbst wenn f thermische Effekte vorhanden sind. So kann z. B. eine hochintensive Schwarzkörper-Punktlichtquelle, wie sie für ein Spektrometer verwendbar iat, in einer erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung vorgesehen werden.

Verschiedene erfindungsgemäß getroffene Maßnahmen sind teilweise ebenfalls auf die Erkenntnis der großen, durch den Strahlungsdruck von einer kohärenten Lichtquelle erzielbaren Kraft

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gestützt, sowie der Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten, wenn störende thermische Effekte vermieden oder geeignet gesteuert werden.

Es wurde insbesondere gefunden, daß es für alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist, die Umgebung des oder der neutralen Teilchen so vorzusehen, daß thermische Effekte die Bewegung des Teilchen wesentlich geringer beeinflussen, als der Effekt des Strahlungsdrucks.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden wenigstens zwei Strahlenbündel von im wesentlichen monochromatischem, kohärentem und divergierendem Licht in einer Zone zum gegenseitigen Überschneiden oder Überlappen gebracht, um das oder die Teilchen in dieser Zone einzufangen bzw. zu lokalisieren.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein anderes Strahlenbündel von im wesentlichen monochromatischem, kohärentem Licht gesteuert und auf das eingefangene Teilchen gerichtet wird, um es aus der Einfangzone in Richtung eines geeigneten Targets zu beschleunigen. Mit einer solchen Teilchenbeschleunigung können die Effekte von Mikrometeoroiden im freien Raum und Mikrometeoriten, welche auf die Erde auftreffen, simuliert werden, um hochenergetische chemische Wechselwirkungen einzuleiten oder gewisse Arten von verwertbaren Signalen zu erzeugen.

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In Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Strahlungsdruck selektiv verwendet wird, um von den Lichtquanten einen Drehimpuls auf die eingefangenen Teilchen zu übertragen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieser Effekt zur Prüfung bzw. Bestimmung der Zugfestigkeit von Stoffen in einer Umgebung benutzt, welche von Kontamination und anderen Störeffekten befreit ist, oder zum Messen sehr geringer Werte der optischen Absorption.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Pig. 1 eine zum Teil schaubildliche und zum Teil als Blockdiagramm gezeigte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer neuen Lichtquellenart für ein Spektrometer;

Fig. 2 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung zum Studium vom simulierten Meteoroiden;

Fig. 3 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Hochenergie-Beschleunigungseinrichtung;

Fig. 4 ein beispielsweises Kraftdiagramm für ein typisches neutrales Teilchen, welches mit den erfindungsgemäßen Mitteln gesteuert wird;

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Fig. 5 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung eines stark bündelnden Neutral-Teilchenbeschleunigers gemäß der Erfindung!

Fig. 6 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung einer Gasphasen-Isotopen trenneinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine teilweise als Scha ubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung einer neuen Laser-Lichtquelle, in welcher die angeregten
Species durch Strahlungsdruck getrennt werden;

Fig. 8 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ablagerungseinrichtung;

Fig. 9 eine teilweise als Sehaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung einer Zugspannungsprüfeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig.10 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm, gezeigte Darstellung einer erfindungsgemäßen AusfUhrungsform zum Einfangen eines Körpers aus neutralem Gas, welches frei von Behälterverunreinigungen istf

Fig.11 eine teilweise als Schaubild und teilweise als Blockdiagramm gezeigte Darstellung einer nach der Erfindung aufgebauten Molekularstrahl-Trenn- und Ablenkeinrichtung;

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Fig. 12 eine Abwandlung der Ausführungsform nach. Fig. für die Verwendung als Beschleunigungsmesser oder als Gasdruckmesser;

Fig. 13 eine Abwandlung der in Fig. 6 dargestellten

Ausführungsform zum Trennen von Makromolekülen, Viren und anderen Teilchen, die bisher mit Hilfe von Ultrazentrifugen getrennt wurden;

Fig. 14 eine abgewandelte Ausführungsform derjenigen nach Fig. 3 zur Erzeugung von Licht mit nach oben verschobener Frequenz; und (

Fig. 15 eine abgewandelte Ausführungsform derjenigen nach Fig. 2, mit der das Beschußteilchen in einer optischen Potentialsanke innerhalb von zwei Laserresonatoren gehalten wird.

Theoretische und experimentelle Grundlage der Erfindung

Eines der typischen Experimente verwendet transparente Polystyrolkugeln von 0,59 Mikron und 1,31 Mikron Durchmessern und Polyvinyltoluol-kugeln von 2,68 Mikron Durchmesser in reinem Wasser in einer geeigneten Zelle mit Glaswänden von 120 Mikron Dicke. Ein TEK - Modenstrahl (TEM = transversale elektromagnetische Feldverteilung; erster Index: Zahl der Null-Linien in azimutaler Richtung, zweiter Index: Zahl der Null-Linien in radialer Richtung) eines Argon-Ionen-Lasers mit dem Radius w =6,2 Mikron und einer Wellenlänge X = 0,5145 Mikron wurde horizontal durch eine der Wände in die Zolle fokussiert.

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Die Ergebnisse wurden durch ein Mikroskop und ein Augenschutzfilter mit dem Auge beobachtet. Der Strahl wurde so behandelt, daß er auf einzelne Teilchen stößt. Wenn ein Strahl mit einer Leistung im Milliwatt-Bereich ein 2,68 Mikron großes Teilchen außerhalb des Zentrums traf, so wurde das Teilchen gleichzeitig zur Strahlachse hingezogen und in der Richtung des Lichtstrahls mit einer Endgeschwindigkeit von Mikron pro Sekunde beschleunigt, bis es eine Wand der Glaszelle traf, wo es im Strahl eingefangen blieb. Wenn der Strahl daraufhin festgehalten wurde, wanderte das Teilchen infolge der Brownschen Molekularbewegung von der Einfangstelle fort. Ähnliche Effekte traten bei kleineren Teilchengrößen auf, erforderten jedoch für die gleiche Geschwindigkeit eine höhere Leistung.

Die Unterschiede in den Beschleunigungen der transparenten Teilchen unterschiedlicher Größe konnten deutlich gezeigt werden, wenn sie innerhalb des Wassers gemischt wurden und der Strahl so gerichtet wurde, daß er eine Vielzahl der gemischten Teilchen bei seinem Durchtritt durch die Zelle traf. Dabei beschleunigte der Strahl vorzugsweise die 2,68 Mikron großen Teilchen, während er die 0,585 Mikron großen Teilchen vorzugsweise zurückließ. Dieses Experiment verdeutlicht die Trennung der Teilchen nach ihrem optischen Querschnitt und unterscheidet sich von der Ultrazentrifugentechnik darin, daß seine Kraft langsamer mit der Teilchengröße abfällt. Das Experiment zeigt ferner, daß der Strahlungsdruck und nicht die Konvektion der treibende Mechanismus iet, da die Teilchen in dieser Weise durch Konvektion nicht getrennt werden könn-

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Die Teilchengeschwindigkeiten und das Einfangen der Teilchen auf der Strahlach.se lassen sich im einzelnen unter Bezugnahme auf das Kraftdiagramm gemäß Fig. 4 zeigen. Es wird angenommen, daß der (Brechungs-) Index n^ des kugelförmigen Teilchens 40 1,58 ist. Die Kurve 41 auf der linken Seite der Fig. 4 stellt die Intensität des sich längs der Achse A ausbreitenden Lichtstrahls für verschiedene Querschnittsstellungen innerhalb des in Vertikalrichtung gezeigten Strahls dar. Es ist zu sehen, daß das kugelförmige Teilchen 40 außerhalb der Strahlachse in Wasser mit dem Index n, = 1,33 angeordnet ist. Zunächst sei der stärkere Strahl a eines typischen Strahlungspaars a und b betrachtet, die symmetrisch zu beiden Seiten des Kugelzentrums auf die Kugel auftreffen. Der Strahl a unterliegt der Besnel-Reflexion und außerdem einer Brechung (im folgenden als "Ablenkung" bezeichnet), und zwar sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsoberfläche des Teilchens 40 längs seines Ausbreitungsweges. Die Reflexionen führen zu Strahlungsdruckkräften F^¹ und F-n⁰ (den Eingangs- und Ausgangs-Reflexionskräften). Es ist I zu erkennen, daß jede dieser Reflexionskräfte den äußeren stumpfen Winkel zwischen den einfallenden und reflektierten Komponenten an der entsprechenden Oberfläche halbiert. Die Ablenkungen führen zu Strahlungsdruckkräften EV»¹» SV.⁰ (Eingangs- und Ausgangs-Ablenkungskräfte). Es ist zu erkennen, daß jede dieser Ablenkungskräfte den äußeren stumpfen Winkel zwischen den einfallenden und abgelenkten Komponenten an der

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entsprechenden Oberfläche halbiert. Es werden hier Zylinderkoordinaten verwendet, und zwar in der Weise, daß die Richtung des Strahls die + ?-Richtung und die Querkoordinate, die radial zur Strahlachse A steht, r ist. Obwohl sich die Größen der durch den Strahl a hervorgerufenen Kräfte mit dem Winkel S (das ist der Winkel zwischen der Einfallrichtung der Ausbreitung und dem den Einfallpunkt treffenden Kugelradius) beträchtlich ändern, sind die Ergebnisse für alle 3 qualitativ ähnlich. Die durch die Koordinate r bestimmten Querkomponenten von F-^ und Fy. sind wesentlich größer als F_R und Ft₁ . Tatsächlich sind sie etwa um das Zehnfache größer für 5 = 25°. All diese Kräfte tragen zur Beschleunigung des Teilchens 40 in Richtung der Strahlausbreitung bei. F-D und F-d° haben Querkomponenten, welche sich angenähert aufheben; F^¹ und F,,⁰ addieren sich in Querrichtung, und zwar in Richtung der Strahlachse, d. h. in Richtung -r; die resultierende Querkraft aufgrund des Strahls a liegt daher in der -r Richtung. Unter analogem Gesichtspunkt ergibt der schwächere symmetrische Strahl b eine resultierende Kraft längs der +z Richtung der Strahlausbreitung und eine nach außen gerichtete, jedoch schwächere Querkraft. Daher wird das kugelförmige Teilchen 40 als Ganzes nach innen und vorwärts beschleunigt. Es ergibt sich also, daß die resultierende Quer-(Radial-)Kraft für den stärkeren Strahl in Richtung der höheren Lichtintensität, nach innen gerichtet ist, wenn n_H größer als der Brechungsindex n. ist.

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§>■-■ ~

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Die Strahlungsdruckkraft ist allgemein gegeben durch

wobei P die gesamte, das Teilchen treffende Strahlungskraft, c die Lichtgeschwindigkeit und q der Teil des Lichts ist, welcher effektiv vom Teilchen reflektiert wird.

Um die z-Komponente der Strahlungsdruckkraft zu berechnen, wenn das Teilchen 40 auf der Strahlachse liegt, integriert man die differenziellen z-Kräfte des eben polarisierten Strahls über die Oberfläche der Kugel. Diese Integration führt zu einer Kraft, für welche die Größe q in der Gleichung (1) in einem typischen experimentellen Fall 0,062 beträgt. Aus dieser Kraft oder dem Wert für q kann man die Grenzgeschwindigkeit ν in einem Medium der Viskosität η durch das Stokes'sehe Gesetz wie folgt ableiten:

ν =

(2) 4

wobei w der Radius der schmälsten Stelle des Strahls ist.

Bei neunzehn Milliwatt Leistung im Laser-Strahl und einem kugelförmigen Teilchen 40 des Radius 1,34 Mikron in Wasser,

—2

bei dem η 1 χ 10 Poise ist, ergibt sich rechnerisch ν = 29/fc/s, während ν = 26 + 5/⁶Zs gemessen wurde. Diese Ergebnisse stimmen ausgezeichnet überein.

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Bei dem oben erläuterten Experiment wirkt das kugelförmige Teilchen 40 als Sammellinse. Eine ähnliche Analyse zeigt, daß das kugelförmige Teilchen zu einer Zerstreuungslinse wird, wenn die relativen Größen der Brechungsindizes der Medien umgekehrt werden, wobei die Vorzeichen der radialen AbIenkungskräfte umgekehrt werden und das kugelförmige Teilchen vom Zentrum des Strahls weg nach außen gestoßen wird. Diese theoretische Voraussage wurde experimentell für den extremen Fall eines kugelförmigen Teilchens mit niedrigem Index in einem Medium mit hohem Index, nämlich einer Luftblase in einer Flüssigkeit mit hohem Index überprüft. Bläschen von etwa 8 Mikron Durchmesser wurden durch Schütteln eines hochviskosen Mediums aus einer 80 Gew.$ - Mischung von Glyzerin in Wasser erzeugt. Es wurde bestätigt gefunden, daß die Bläschen bei ihrer Beschleunigung stets aus dem Lichtstrahl herausgestoßen wurden. In demselben Mischmedium, dessen Index n_T = 1,44 war, verhielten sich die 2,68 Mikron großen kugelförmigen Teilchen des Index n„. = 1,58 noch in fokussierender Weise und wurden einwärts zur Strahlachse gezogen, wenn sie beschleunigt wurden.

Ein weiteres Grundexperiment unter Verwendung von 2,68 - Mikron kugelförmigen Teilchen in Wasser in einer Glaswandzelle zeigte das Einfangen von im wesentlichen lichtdurchlässigen bzw. transparenten Teilchen mit gerade zwei entgegengesetzten Strahbn, welche mit Linsen geformt wurden, die so angeordnet waren,

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daß die Strahleinschnürungen ausreichend weit vor dem Einfangbereich ausgebildet wurden, so daß die Strahlen stark divergierten. Die beiden Strahlen wurden so ausgerichtet, daß sie angenähert kollinear waren. Teilchen, welche nahe einem dar Strahlen trieben, wurden nach innen gezogen, zum Bereich im wesentlichen gleicher und einander entgegengerichteter Strahlungsdrücke beschleunigt, wo sie durch die Gegenwirkung des dem einfangenden Strahl entgegengerichteten Strahls abgebremst und eventuell durch die viskose Dämpfung im Bereich der nahezu gleichen Strahlungsdrücke, der einen t

Bereich stabilen Gleichgewichts darstellt, zur Ruhe gebracht wurden. Die Stabilität eines besonderen Teilchens innerhalb dieses Bereichs wurde geprüft, indem man einen Strahl unterbrach und das Teilchen im anderen Strahl rasch beschleunigte. Sobald der entgegengesetzte Strahl erneut eingeschaltet wurde, kehrte das Teilchen in den Gleichgewichtsbereich langsamer zurück, als es den Bereich unter Einfluß eines einzelnen Strahls verlassen hatte, da es nur unter Einfluß der Differenz der Strahlungsdruckkräfte stand. Wenn man den anderen Strahl unter- a brach, wurde das Verhalten des Teilchens umgekehrt. Diese Teilchen werden durch viskose Kräfte gedämpft und haben eine Grenzgeschwindigkeit im Wasser, die von der Größe der Kraft abhängig ist.

Bei anderen Experimenten wurden von einem Zerstäuber erzeugte Wassertröpfchun mit einem Radius von etwa 2,5 Mikron von einem einzelnen Argon-Ionen-Laserstrahl von 50 Milliwatt Leistung

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beschleunigt. Es konnten G-eschwindigkeiten von etwa 0,25 cm/s beobachtet werden. Solche Bewegungen konnten mit bloßem Auge beobachtet werden. Das Verhalten der Wassertröpfchen stand in qualitativer Übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen.

Aus diesen Experimenten wird klar, daß ein Unterschied gegenüber radiometrischen Kräften, insbesondere Photophorese besteht. Diese Kräfte drücken viel stärker auf heiße Oberflächen und wurden kugelförmige Teilchen und Blasen mit hohem Index aus dem Strahl hinausdrücken, d. h. im Gegensatz zu den experimentellen Beobachtungen wirksam sein, gemäß denen die kugelförmigen Teilchen hohen Indexes in den Strahl hineingezogen werden. Sogar die beobachtete Richtung der Beschleunigung längs der Strahlachse steht derjenigen bei der Einwirkung radiometrischer Kräfte entgegen. Gemäß den Grundsätzen der radiometrischen Effekte konzentriert eine mittelmäßig fokussierende Kugel mehr Wärme auf der Abströmseite (in Bezug auf die Lichtausbreitung) des kugelförmigen Teilchens. Das Teilchen sollte sich daher stromaufwärts in Richtung der Lichtquelle (negative Photophorese) bewegen. Aus ähnlichen theoretischen Betrachtungen und Berechnungen für Wassertröpfchen in Luft wurde bestätigt, daß Photophorese für die beobachteten Ergebnisse nur dann verantwortlich sein könnte, wenn Temperaturgradienten über jedem Wassertröpfchen bestehen, welche tatsächlich nicht erhalten werden können. Demgemäß zeigen die Experimente, daß radiometrische Effekte erfolgreich gesteuert und den Strahlungsdruckeffekten, die bei der

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Erfindung verwendet werden, untergeordnet werden konnten bzw. weniger wirksam waren als die Strahlungsdruckeffekte.

Spektrometer - Lichtquelle

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein kugelförmiges Teilchen 11 aus Wolfram durch den Strahlungsdruck in einer stabilen optischen Potentialsenke bzw. -mulde eingefangen, welche durch divergierende, sich schneidende Strahlen von vierflächig angeordneten Laser-Quellen 12, 13» 14 und 15 gebildet ist. Das Teilchen 11 wird zunächst in die Potentialsenks im Beisein von Gas eingeführt, welches die viskose Dämpfung für dessen Bewegung liefert. Danach wird das Gas abgepumpt. Wenn ein regelmäßiges Tetraeder um das Teilchen 11 angeordnet wäre, könnte das Tetraeder so orientiert sein, daß jeder der Laser-Strahlen orthogonal zu einer (anderen) der Tetraederoberflächen stände. Wenn das kugelförmige Wolfram-Teilchen 11 einen Durchmesser besitzt, der angenähert gleich der Wellenlänge des kontinuierlichen Laser-Lichts von den d Quellen 12 bis 15 ist, z. B. 1,06 Mikron, so reicht eine Leistung von etwa 1 Milliwatt von jeder der Laser-Quellen aus, um das Teilchen 11 auf eine Temperatur nahe seines Schmelzpunkts, also auf etwa 3000° C zu erhitzen. Da das Teilchen 11 nicht dicker als eine Wellenlänge des Lichts ist, wirkt es im wesentlichen als eine punktförmige Hohlraum- bzw. Schwarzkörperstrahlungsquelle, deren Strahlung sich vom langwelligen Infrarotbereich durch den infraroten-, den sichtbaren- und. den ultravioletten Bereich zum kurzwelligen Ultraviolett-Bereich

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des elektromagnetischen Spektrums erstreckt. Solch eine punktförmige Lichtquelle ist für die Verwendung in einem Spektrometer ideal.

Insbesondere in Vakuum, welches durch herkömmliche Mittel hergestellt wird, erwärmt sich das Teilchen 11 eventuell auf die Temperatur, bei der es durch Wärmestrahlung gekühlt werden kann. Bei dieser Temperatur, welche von der Absorption des Teilchens 11 abhängig ist, wird ein stabiles Temperaturgleichgewicht erreicht und eine starke, kontinuierliche und inkohärente Lichtquelle der oben beschriebenen Art geschaffen. Das genaue Band der verfügbaren Hohlraumstrahlung kann durch Steuerung des Anregungsniveaus der Quellen 12 bis 15, durch Änderung des Streuungswinkels der Strahlen oder durch Änderung der Linsen 16, 17, 18 und 19 zur Verschiebung der Strahleinschnürungen in Bezug auf die Potentialsenke gesteuert werden. Eine dünne Inertgas-AtmoSphäre könnte um das Teilchen 11 ebenfalls vorgesehen sein, da sich bei der Anordnung gemäß Pig. 1 die Photophorese-Kräfte im wesentlichen aufheben.

Diese Lichtquelle kann in ein Spektrometer einbezogen werden, indem man einen Teil der Strahlung vom Teilchen 11 durch eine Sammellinse 20, eine Spektrometer-Schlitzvorrichtung 21, ein Monochrometer 22, eine zu untersuchende Probe 23 und einen Spektrometerdetektor 24, die in dieser Reihenfolge hinter-

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einander angeordnet sind, leitet. Das Monochrometer 22 ist ein herkömmliches variables Monochrometer, z. B. ein solches, das ein drehbares Beugungsgitter und einen Ausgangsschlitz aufweist, durch welchen eine unterschiedliche einzelne Lichtfrequenz entsprechend der Einstellung des Monochrometers (G-itterwinkel) durchtritt.

Bei Betrieb wird die Durchlässigkeit der Probe 23, die aus einem unbekannten Kristall bestehen kann, durch alle infraroten, sichtbaren und ultravioletten Frequenzbänder in einer ' kontinuierlichen Spektralabtastung untersucht. Es ist dabei zweckmäßig, das Ausgangssignal des Detektors 24 während der Abtastung aufzuzeichnen, um eine fortlaufende Aufzeichnung zu erzielen. Bezüglich des Betriebs der Lichtquelle selbst sollte außerdem beachtet werden, daß das kugelförmige Wolfram-Teilchen 11 von den vier einander schneidenden Strahlen eingefangen wird, obwohl es keine Strahlung durchläßt und nicht den anhand von Fig. 4 erläuterten Kräften unterliegt. Aus diesem Grunde werden mindestens vier divergierende mono- | chromatische Lichtstrahlen zur Bildung der optischen Potentialsenke anstelle von nur zwei Strahlen dieser Art verwendet, die für eines der oben beschriebenen Experimente mit im wesentlichen lichtdurchlässigen Teilchen ausreichten. In alternativer Ausführung erzeugen zwei einander entgegengerichtete Strahlen jeweils in einem TEMq₁-Raum-Quadratur-Modus (ringrohr- bzw. doughnut-förmiger Modus) Kräfte, die im Sinne eines

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Haltens eines Metallteilchens wirksam sind.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 verdeutlicht außerdem, daß es nur notwendig ist, die thermischen Effekte an dem oder den dem Strahlungsdruck ausgesetzten Teilchen zu steuern. Dabei ist es nicht immer notwendig, die thermischen Effekte auf vernachlässigbare Werte zu bringen. Daher ist bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 der thermische Effekt unter Schaffung einer Hohlraumstrahlung ausgenutzt, während der Strahlungsdruck dazu verwendet wird, das Teilchen 11 stabil in einer Umgebung zu halten, die im wesentlichen frei von Verunreinigungen und von störenden Konvektionskräften ist.

Kanone bzw. Strahlerzeuger für neutrale Teilchen

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird der Strahlungsdruck zum Schießen von neutralen Teilchen auf ein Projektil-Target 26, z. B. ein Target aus rostfreiem Stahl verwendet, das zur Erkundung des Weltraums vorgesehen ist, wo es Mikrometeorideneinschlag unterworfen ist. Zweck dieser Ausführungsform ist die Simulation des Einschlags von Mikrometeoriden auf dem Projektiltarget 26.

Zu diesem Zweck sollte die gesamte Vorrichtung gemäß Fig. 2 vorzugsweise in einer herkömmlichen Vakuumkammer (nicht gezeigt) eingeschlossen sein, um die störenden Effekte von luft zu eliminieren. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann ein kugelförmiges Polyvinyltoluol-Teilchen 27, beispielsweise

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von einem Durchmesser von 3 Mikron - mehrere solcher Teilchen sind zuvor in die Vakuumkammer eingeführt - von sechs kubisch angeordneten divergierenden Laser-Strahlen von Quellen 12' bis .15', 28 und 29 gehalten werden. Die Laser-Quelle 29, die vor dem Teilchen 27 angeordnet ist, ist zur Verdeutlichung der Darstellung nur strichpunktiert angedeutet. Die Einschnürungen der fokussierten Strahlen sind wie bei den zuvor beschriebenen Experimenten vor der Potentialsenke bzw. -mulde angeordnet. Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß die Strahlungsdruckgradienten in den divergierenden Strahlen bei Teilchen 27 von wenigstens einigen Mikron Durchmesser so sind, daß das Teilchen mit nur zwei der Quellen 12· bis 15¹, 28 und 29 gehalten werden kann und die anderen vier Strahlungsquellen fortgelassen werden können. Vorzugsweise wird jede der Quellen 12* bis 15', 28 und 29 kontinuierlich mit 0,1 Watt Leistung bei 0,5145 Mikron betrieben. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird anfänglich zur Dämpfung eine Gasatmosphäre verwendet, und das G-as nachher ausgepumpt. Durch alle sechs in der oben beschriebenen Weise angeordnete Quellen kann jede beliebige Teilchenart, ob lichtdurchlässig oder nicht, in einer stabilen optischen Potentialsenke bzw. -mulde gehalten werden.

Ein impuls-betriebener Laser 30 ist auf einer freien Sichtlinie angeordnet, die sich durch das Teilchen 27 in Richtung des Targets 26 erstreckt, und wird zur Erzeugung eines starken,

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kurzen Lichtstrahls zu bestimmter Zeit gepulst, um das Teilchen 27 auf das Target 26 zu schießen. Es ist zu beachten, daß die Richtungssteuerung bzw. -kontrolle über die Beschleunigungsbahn des Teilchens 27 umso größer ist, je kürzer die Wellenlänge des Lichts der Quelle 30 ißt. Pur das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel geht die Berechnung von einem Einzelimpuls von einem Rubinlaser aus, der bei 0,6943 Mikron betrieben wird, wobei das Teilchen 27 auf eine Endgeschwindigkeit zwischen

1 χ 10 cm/s und 1 χ 10 cm/s beschleunigt wird. Diese Geschwindigkeit entspricht einer hohen Mikrometeoriten-Geschwindigkeit, wie sie auf der Erde bestimmt wurde. Die kinetische Energie des Hochgeschwindigkeitsteilchens 27 wird bei dessen Aufschlag auf das Target 26 vernichtet. Das aufeinanderfolgende Schießen einer ausreichenden Anzahl solcher Teilchen liefert die gewünschte Simulation der Weltraumverhältnisse.

Zu den praktischen Details der Ausführungsform nach Fig.

2 sollte beachtet werden, daß die Teilchen in die Potentialsenke durch einen anfänglich wirksamen Mechanismus eingeführt werden, welcher zu einer Dämpfung führt, so z. B. durch die Gasdämpfungstechnik, wie sie oben beschrieben wurde.

Ein im^resentlichen transparentes bzw. lichtdurchlässiges Teilchen, z. B. das Polyvinyltoluol-Teilchen 27, kann

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leicht in positiver Weise in allen drei Richtungen erragt bzw. gezwungen werden, und zwar durch gerade zwei sich schneidende Zweirichtungslaserstrahlen innerhalb der entsprechenden optischen Resonatoren von zwei Lasern.

Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 15 gezeigt. Der erste Laser 171 umfast ein aktives Medium 172 und den optischen Resonator mit Reflektoren 173 und 174 und die innere Fokussierungslinse 175. Der zweite Laser 176 weist ein aktives Medium 177» einen optischen Resonator mit Reflaktoren 178 und 179 und die innere Linse 180 auf. Die Linsen 175 und 180 sind so angeordnet, daß sie Einschnürungen der ihnen jeweils zugeordneten Laserstrahlen am Schnittpunkt dar Achsen der beiden Laserresonatoren liefern.

Für uin Polyvinyltoluol-Teilchen 27' könnten die aktiven Medien 172 und 177 Argon-Ionen-aktive Medien sein, die für einen Betrieb bei 0,5145 Ai geeignet sind.

Die Ausführungsform nach Fig. 15 fängt das Teilchen 27 ' in einer optischen Potentialmulde mit Hilfe eines auf ein solches Teilchen einwirkenden Zentriereffekts von Gauss'sehen Laserstrahlen ein, die in entgegengesetzten Richtungen laufen. üb wird aus der Beschreibung der Fig. 4 erinnerlich sein, und ist sogar zutreffender, daß der Zentriereffekt auf ein

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Teilchen relativ hohen Brechungsindexes aufgrund des Quergradienten des Strahlungsdruckes auftritt. Befindet sich ein solches Teilchen außerhalb des Punktes maximaler Strahlungsdruckkräfte, so unterliegt es einer Kraft, die es in Richtung des Zentrums des Gauss'sehen Strahls bewegt. In den inneren Strahlen der Laser 171 und 176 wird das Teilchen in keiner Richtung beschleunigt, da die Stärke des Laserstrahlungsdruckes längs jeder Achse durch den Schnittpunkt der Laserachsen in beiden Richtungen längs dieser Achse die gleiche ist. Für jeden dieser zweiseitigen Laserstrahlen sind die zentrierenden Kräfte in zwei orthogonalen Dimensionen quer zur Richtung des Lasersstrahls anwendbar. Daher besitzt die Anordnung nach Fig. 15 gewisse überflüssige Effekte bezüglich der Zentrierwirkung in einer Richtung orthogonal zu beiden Laserstrahlen. Jedoch ist diese stärkere Zentrierwirkung in dieser Dimension bzw. Richtung kein Nachteil für die praktischen Anwendungsfälle.

Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Teilchen 27 mit Hilfe eines Dämpfmechanismus, z. B. einer Gasdruckdämpfung in die optische Potentialmulde eingeführt, worauf das Gas entfernt bzw. abgezogen wird.

Wenn das Teilchen 27' daraufhin aus der optischen Potentialsenke entsprechend der Ausführung nach Fig. 2 herausgeschossen werden soll, kann die Richtung des unabgeglichenen Strahlungsdrucks so gewählt werden, daß die Bahn des Teil-

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chens physikalische Behinderung durch die optischen Resonatoren vermeidet; es kann auch ein geeignetes Loch bzw. eine geeignete Öffnung in einem der Reflektoren vorgesehen werden.

In dem zuletzt genannten Fall können kleine Störungslichtimpulse, die durch einen der ßndreflektoren eingeführt werden und das Teilchen 27* treffen, eine Phasenmodulation des Lasers längs der Achse hervorrufen, auf der die Störungstrahlung ausgerichtet ist, und ferner eine Amplitudenmodulation des orthogonal angeordneten Lasers, wobei beide Modulationen ' durch die Bewegung des TeilehenB 27' erzeugt werden.

Hochenergie-Teilchenbeschleuniger für neutrale Teilchen

Die anhand des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 erläuterten Grundsätze können auf das als Mehrstufenbeschleunigung bezeichenbare Gebiet ausgedehnt werden, indem man gemäß Fig. 3 eine beschleunigende Laserquelle 30' verwendet, welche im wesentlichen kontinuierlich betrieben wird oder wenigstens ä einen ausreichend langen optischen Impuls liefert. Der sich ergebende Beschleunigungslichtstrahl wird dann durch Lochlinsen 31, 32 und 33 periodisch refokussiert, um auf das neutrale Teilchen, z. B. die Polyvinyltoluolkugel 34 einen dreistufigen Beschleunigungseffekt auszuüben. Die Kugel 34 wird gemäß Darstellung vor dem Einschalten der Quelle 30' mit Hilfe der kontinuierlich arbeitenden Laserlichtquellen

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- 24 - 2Ö6Ö5Ö3f

28 iind 29 in stabilem Gleichgewicht gehalten* Die i/i entquellen 28 Und 29 können entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig* Argen-IoHen-Laöer sein* die bei 0/5145 Mikroir mit einer Leistung von jeweils 0*1 Watt betrieben weröetu

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung kann Geschwindigkeiten der neutralen Teilchen in der Größenordnung von 1 χ 10 cm/s erzeugen, die mit den derzeit bekannten Geschwindigkeiten von Mikrometeoriten oder Mikrometeoridenteilchen vergleichbar sind ^

Unter Ausdehnung der anhand der Ausführungsform nach Fig. 3 aufgezeigten Gesichtspunkte sollte beachtet werden, daß ein Reflektorteilchen oder ein Teilchen mit einer flachen Oberfläche, das auf die oben genannten Geschwindigkeiten beschleunigt wird, eine ausnutzbare Doppler-Verschiebung der Lichtfrequenz hervorrufen kann, wobei das Licht von einem derartigen Teilchen an einer Stelle längs seiner Flugbahn reflektiert werden kann. Eine solche modifizierte Ausführungsform ist in Fig. 14 dargestellt. Das Teilchen 34 wird durch dieselbe Anordnung wie in Fig. 3 eingefangen gehalten, und durch die Quelle 30', wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3, beschleunigt. Nachdem das Teilchen 34 eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10 cm/s erreicht hat, wird kohärentes Licht von einer Laserquelle 162 unter einem Winkel 0 schräg auf die Bahn des Teilchens 34 gericltet. Von dem

109826/1539 omqinal inspected

Teilchen unter einem Winkel -Θ bezüglich der Teilchejibahn reflektiertes Licht, das durch die Dopplerverschiebung nach oben frequenzverschoben ist, wird an einem Detektor 163 empfangen. Wenn das Teilchen 34 an diesem Punkt noch beschleunigt wird und wenn der Laserstrahl von der Quelle 162 ausreichend breit und die Detektoröffnung des Detektors 163 genügend groß ist, wird die Frequenz des vom Detektor aufge-r nommenen Lichts "gezwitschert" (chirped).

Es ist zu berücksichtigen, daß die Strahlungsdruckkräfte '

nicht nur von der Teilchengröße sondern auch von der Teilchenform abhängig sind. Kurz gesagt, übt der Strahlungsdruck etwa einen "Wetterfahneneffekt" auf längliche Teilchen derart aus, daß die Längsrichtung längs der Richtung der Strahiungsdruckkraft ausgerichtet wird, wobei die Schwingungsenergie des Teilchens unterdrückt wird. Solch eine Qrientierung der Teilchen, die mit Hilfe von sehr schwacher Gas-Viskosedämpfung stabil und nicht schwingend gehalten werden kann, kann sehr zweckmäßig bei der Beschleunigung eines λ Teilchens, z. B. des Teilchens 34 der modifizierten Ausführungsform nach Fig. 14 ausgenutzt werden. So könnte beispielsweise zur iilrzielung einer größeren Reflexionswirkung diejenige Seite des Teilchens, von der das Licht reflektiert und Doppler-vjrschoben wird, flach gemacht werden. Diese flache Seite würde orthogonal zur Richtung der Teilchen-Längsorstrückung sein.

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Es ist klar, daß der G-rad der vorgesehenen Dämpfung die maximale Teilchengeschwindigkeit begrenzen würde. Daher ist ein ungedämpftes, kugelförmiges Teilchen, welches in Vakuum beschleunigt wird, vorzuziehen, wenn die höchstmögliche Teilchengeschwindigkeit angestrebt wird.

Stark fokussierender Beschleuniger

Die anhand der Ausführungsform nach Fig. 3 entwickelten Grundsätze werden in Fig. 5 der-gestalt erweitert, daß ein dielektrisches neutrales Teilchen 51 beschleunigt wird, welches entweder zu klein oder zu wenig durchlässig für das beschleunigende Laserlicht ist, um durch die die Kräfte nach Fig. 4 erzeugenden Strahlungsdruckgradienten gehalten werden zu können. In der Tat kann das Teilchen 5^ ein Atom oder ein Molekül sein, wenn es geeignet ausgewählt ist, oder - mit äquivalentem Ergebnis - die Frequenzen der einfangenden und beschleunigendan Laserstrahlen geeignet gewählt sind.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen Merkmale zum Beschleunigen oder Einfagen von Atomen oder Molekülen viele neue Möglichkeiten eröffnen. Obwohl allgemein Atome und Moleküle ziemlich durchlässig für Licht sind, hängt die erfolgreiche Anwendung der Erfindung in diesem Zusammenhang ab von der Resonanzwechselwirkung zwischen dem Atom oder Molekül und dem Licht. Daher werden Las3rlicht-

109826/153·

52 und 53 verwendet, welche auf «inen besonderen

üqö Teilöhöne 51 abgestimmt

se das der Wechselwirkungsquerschnitt erheblich, größer gig der göömrerigöhö Queriefanitt wifd. 00 weist bei-^ ein Natritiffiatoin einen geometrischen Querschnitt

1fr von 1,1 £ 10 ^ ca auf, während der Absorptionsquerschnitt a* m feei der Ügiaperatur T für die Dg Resonanalinie von h m 0,5890 μ bei 1,6 χ 10 ³ om oder etwa bei der Hälfte des Wellenlängettquadrates für eine !Temperatur gerin- , ger als 40° K liegt» wobei in deffl ssulet2t gönannten Fall die Doppler-VerbreiteruHg Vernachlässigbar ist. Die Absorption und isotrope Bückstrahlung durch spontane Emission von Resonanzstrahlung in Abhängigkeit von einer solchen ein Atom treffenden Strahlung führt zu einer mittleren Antriebskraft in Richtung des einfallenden Lichts.

Für die Zwecke der Ausführung nach Fig. 5 ist die Angabe hier ausreichend, daß beträchtliche Beschleunigungen aufgrund des vergrößerten Querschnittes des Atoms oder Mole- " küls aufgrund der Wechselwirkung mit der Resonanzstrahlung hervorgerufen werden. Trotzdem ist das Teilchen so klein, daß das Kraftediagranm gemäß Fig* 4 nicht anwendbar ist, da kein Strahlungsdruckgradient an dem winzigen Teilchen in Erscheinung tritt und keine zentrierenden oder fokussierenden Kräfte von dem beschleunigenden Laserstrahl - ob divergierend oder nicht - ausgeübt werden. Aus diesem Grunde kann die

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impulsbetriebene Laserquelle 54 ausschließlich zum Einleiten der Beschleunigung des Atoms oder Moleküls 51 benutzt werdenj dessen weitere Beschleunigung wie auch die erneute Zentrierung kann durch schräg einwirkende Strählungsdruckkräfte erfolgen, die durch Einweg-Laserstrahlen in Ringlasern 55» 56, 57 und 58 längs der Bahn des beschleunigten Teilchens in Richtung des letzten Target 59 hervorgerufen werden. Es ist zu beachten, daß Ringlaser nicht unbedingt erforderlich sind und daß die gewünschten Strahlen aus einem Laser mit Hilfe von Strahlteilern und Spiegeln erzeugt werden können. Die Ringlaser 55 bis 58 werden gemeinsam um die Beschleunigungsachse so gedreht, daß die fiesultierende der Strahlungsdruckbeschleunigungen in Querrichtung ihrer Strahlen verschwindet. An jeder geneigten Schnittstelle eines dieser Strahlen mit dem zu beschleunigenden Teilchen 51 erhält das Teilchen 51 einen weiteren Stoß in Vorwärtsrichtung; d.h. eine weitere Beschleunigung in Richtung des Targets 59. Als Ergebnis der rotierenden Querkräfta der geneigten Ringlaserstrahlen, die auch in Resonanz mit einem Übergang des Teilchens 51 stehen, wird die Bewegung des Teilchens 51 auf die gewünschte spiralförmige Beschleunigungsbahn begrenzt. Diese seitliche Begrenzung ist analog zu elektronischen oder optischen stark fokussierenden Anordnungen. Der physikalische Effekt liegt in diesem Falle selbstverständlich in einer Kombination von neutralen Atom- und optischen Wechselwirkungen und ist weder rein optisch noch rein elektronisch im Sinne der bekannten Fokussierungstechnik.

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Die Vorrichtung nach Fig. 5 kann auch zu einer gekrümmten Bahn des !Teilchens 51 führen, indem die Orientierungen dar Lichtstrahlbahnen allmählich winkelverschoben werden. Insbesondere kann eine kreisförmige Bahn erzielt werden. Der Durchmesser der kreisförmigen Bahn kann verringert werden, indem man auf jedes Teilchen 51 eine Ladung aufbringt oder ein magnetisches Moment für jedes Teilchen 51 vorsieht und danach die anhand der Fig. 5 beschriebene Technik durch bekannte elektrische oder magnetische Fokussierungstechniken j ergänzt.

Molekulare Gasphasen-Isotopentrennanlage

Mit den Prinzipien der oben beschriebenen Strahlungsdruckwechselwirkung mit Atomen und Molekülen bei Resonanz kann eine echte optische Gaspumpe geschaffen werden, welche gegen beträchtliche Gasdrücke arbeitet und die meisten modernen bekannten Ultrazentrifugen- und Diffusionstechniken für die Isotopentrennung überholt. Eine solche Isotpentrennanlage, welche auch allgemeiner als Gaspumpe bezeichnet werden könnte, ist in Fig. 6 gezeigt.

In diesem Ausführungsbuispiel ist die Konfiguration einer Vakuumkammer gezagt, doren Form so gewählt ist, daß das ausgewählte Isotop in einem Ausgangs- bzw. Quellenbereich 61 dor Vakuumkammer 60 gehalten wird, liin Ausgangs- bzw. Quellen-

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gemisch 62 aus zwei molekularen Gasen mit unterschiedlichen Isotopen desselben Elements, z. B, Kohlenstoff¹-oder Wasserstoffisotopen in zwei Spezies bzw. Arten von CH^P ist ursprünglich durch den Bereich 61, z. B. mittels eines nicht gezeigten Ventils über den ersten Halsabschnitt 63 begrenzt, der leicht geöffnet werden kann, wenn die Laserquelle 64 eingeschaltet wird. In nachfolgenden erweiterten Abschnitten der Vakuumkammer 60, d. h. in Bereichen 65, 66, 67 und 68 sind Linsen 65' bis 68* angeordnet, welche den Resonanzstrahlungsstrahl von der Quelle 64 so fokussieren, daß er im wesentlichen die Halsabschnitte zwischen diesen erweiterten Abschnitten ausfüllt. Die Frequenz des Lichts von der Quelle 64 ist so gewählt, daß das Licht mit einem ResonanzStrahlungsübergang der Kohlenstoff- oder Wasserstoffmoleküle eines Isotops, z. B. G in Wechselwirkung tritt, dessen Frequenz von derjenigen des vergleichbaren Übergangs des anderen Iso-

12

tops, ζ. B. G abweicht, ßs ist zu beachten, daß der Unterschied dieser Frequenzen durch das Vorhandensein von Isotopen in Molekülen verstärkt wird. Die Quelle 64 könnte beispielsweise ein Kohlendioxidlaser sein, der bei y,6 Mikron arbeitet. Mit einem abstimmbaren Laser können in diesem Bereich das Spektrums einige der Drehniveaus der ausgewählten jrten von CH^F zur Erhöhung des Wirkungsgrades gleichzeitig gepumpt worden. Nach einer Betriebsperiodo sind alle Moleküle der einen Art noch auf den Bereich 61 beschränkt, während die Moleküle der anderen Art durch den Strahl und um die

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Linsen diffundiert sind, um von einer ßvakuierungspumpe .69 abgesaugt zu werden. In ähnlicher Weise könnten mit dieser Ausführungsform Wasserstoffisotope mit gewöhnlichem Wasserstoff, Deuterium oder Tritium getrennt werden, wobei CH^F und ein 9,6 Mikron - COp -Laser od-er ein abstimmbarer Laser in diesem Besieh des Spektrums verwendet werden.

Um die Lebensdauer der oberen Zustände der Resonanzstrahlungsübergänge durch Kollision mit den Wänden ohne Einführung eines Puffergases zu verkürzen, kann eine metallische Mehrkanal-Vorrichtung (nicht gezeigt) in den dem Bereich 61 vorhergehenden Halsbereich eingesetzt werden. Diese Vorrichtung ist so angeordnet und ausgebildet, daß sie den größten Teil des Lichtstrahls durchläßt. Vgl. hierzu den Artikel "Moleeular-BeamSources Fabricated from Multichannel Arrays, I. Angular Distributions and Peaking Factors", von R. H. Jones et al, Seite 4641, Journal of Applied Physics, Band 4O, Nr. 11, Oktober 1969.

Als weiteres Beispiel für die Verwendung einer solchen Vorrichtung als Gaspumpe sind alle Bereiche bzw. Abschnitte der Kammer 60 anfänglich mit Natriumdampf bei T = 510° K. gefüllt, wobei der Anfangsdruck ρ = 10 Torr ist (3,4 x 10 Atome pro cm ) und ein Heliumpuffergas bei 30 Torr. Eine lichtdurchlässige Pumpröhre der Länge 1 = 20 cm mit einem Dureh-

—p
messer 2w = 10 cm wird gleichmäßig mit Laserlicht, das auf die D₂ -linie von Natrium abgestimmt ist, von links be-

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strahlt. Es sei zunächst der einfachere Fall mit niedriger optischer Gesamtleistung P, niedrigem Natriumdruck und ohne Puffergas betrachtet. LichterSchöpfung und Sättigung kann dann vernachlässigt werden. Die meisten Atome sind im Grundzustand. Die mittlere auf ein Atom wirkende Kraft ist Pi"_T/cirw und ist im wesentlichen längs des Pumplichtstrahls konstant, χ wird als kritische Entfernung bezeichnet. Diese ist

diejenige Entfernung, die von einem Atom zurückgelegt wird,

ο während es seine kinetische Energie 1/2 mv verliert.

2 —·
D.h.: Fx = i/2mv = kT. Die Druckänderung in einem Gas mit einer konstanten Kraft ist exponentiell. Daher gilt:

P(x) = P_oe-^PxA^T = _Poe-^xA_cr (3)

nw ckT

fe

<♦>

Als nächstes wird der Fall hoher Leistung und hohen Drucks

von Na betrachtet. Dabei setzt Sättigung ein. Gleiche Besetzung auf

tritt/ zwischen den oberen und unteren Niveaus für die Atome der durch Doppler-Effekt verbreiterten Linienbreite ^V innerhalb der EigenlinienbreiteaVjf des Linienzentrums. Das heißt, ein "Loch" wird in die Absorptionslinie gebrannt und der Strahl tritt tiefer in die Röhre bzw. das Gefäß ein. Es ergibt sich aufgrund der stets vorhandenen spontanen Emission aus dem oberen Energieniveau eine Absorption, und zwar selbst bei Sättigung. Die mittlere Kraft pro Atom wird ebenfalls ge-

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sättigt und ist entlang der Röhre konstant, ausgenommen bei Leistungsverbreiterung, welche den Nettopumpeffekt bei erhöhten Leistungsniveaus vergrößert» Der gesättigte Kraftwert ist (ii/tκτλ) (aVπ/Α? j}) wobei χ,, die natürliche Lebenszeit des oberen Niveaus ist.

Schließlich soll der Effekt des Puffergases eine Stoßverbrei terung einführen. Mit Stoßen ersetzt man 1/"Tm- durch (Vlra· + Ve τ) und AV_n durch (dV^+AVy) bei der mittleren gesättigten Hraft, wobei 4Vt = V²TTt die Lorentz-Breite ist. Es ergibt sich

Für die oben angegebenen Anfangsdrücke für Natrium und Helium

ergibt sich bei X_n = 1,48 χ 10 s und δ^ = 155&V_N (bei T =

51O⁰IO und A^ = 3OaV_n, x_qt = 1,5 cm und I= 20 cm = 13,3 x

Daher ist p(e) = 2p_Qe~¹³'³ = 2 χ 10"³ χ 1,7 χ 10"⁶ = 3,4 χ 10~⁹ i iorr. ds trat also im wesentlichen vollständige Trennung ein. Dies erfordert eine Gesamtzahl der Photonen/s = 2tTw_ x_ov, η / (Vv-Vt₁) = ¹»7 x 10^{19 photonen} pro Sekunde, d. h. etwa 6 V/att. Unter Sättigungsbedingungen ist der Strahlungseinfang dos Streulichts gering. Die einfallende Energie verläßt das Gas im wesentlichen vollständig, ohne zu einer Erwärmung zu führen. Die oben beschriebene !Technik ist für jedes Gasgemisch anwendbar. Selbst unterschiedliche Isotope desselben Atoms könnten wogen der Isotopenverschiebung der Resonanzlinien getrennt werdcm.

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ORIQlNAt INSPECTED

Das Puffergas verringert wirksam die Lebensdauer des oberen Niveaus des ResonanzStrahlungsübergangs des Natriums und führt zu einer beträchtlich erhöhten mittleren Kraft pro Atom.

Isotopentrennung durch Strahlungsdruck ist ebenso bei Vorliegen der Isotope in Atomform möglich, wie bei der oben anhand des Kohlenwasserstoffmoleküls beschriebenen Molekularform. Ein gutes Beispiel für die Möglichkeit der Isotopentrennung von Atomsorten ist durch die Isotope des Kaliums,

■?q αϊ το

K und K gegeben; insbesondere das gemeinsame Isotop K hat ResonanzStrahlungslinien bei 0,7699^ und 0,7665,0/, von denen jede für den Zweck verwendbar ist, d. h. kohärentes Licht einer dieser Wellenlängen wird einer Vorrichtung wie derjenigen nach Fig. 6 zugeführt, um die gemeinsamen Isotopensorten im Bereich 61 der Trägermischung zu halten, während das seltenere Isotop K wegen der Frequenzverschiebung seiner entsprechenden ResonanzStrahlungslinie aus dom Bereich austritt und an der Vakuumpumpe 69 oder unmittelbar vor der Pumpe 69 gesammelt wird. Die typische Verschiebung solcher ResonanzStrahlungslinien für K^J und K liegt in der Größenordnung von einigen Gigahertz. Diese Verschiebung in dar Resonanzstrahlungslinie reicht aus, um die auf da3 seltenere Isotop (geringere Konzentration) wirkende Strahlungsdruckkraft zu verringern. Zur Verbesserung einer solchon Ausführungsform ist es selbstverständlich sehr erwünscht, daß eine abstimmbare kohärente optische Quelle zur Erzeugung der gowünsch-

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ten Wellenlänge dss kohärenten Lichts verwendet wird. Zu diesem Zweck wird ein atogtiaajabarer parameliischer Oszillator mit einem aktiven K#iirfea)4· SöWp Barixp-JJatrium-Niobat durch einen Argon-iönen-La$©r bei 0,5156 gepumpt. Wenn eine kontinuierliche Sehwing&ng nicht möglieh ist, kann ein rascher Impulsbetrieb ausreichend sein»

Eine weitere Ausdehnung der anhand der Ausführung nach Fig. 6 entwickelten Prinzipien und Merkmale ist in der Ausführungsform nach Fig. 13 gezeigt. Hier wird der Strahl einer kontinuierlich arbeitenden Laserquelle 151, die auch mit wiederholten Impulsen betrieben werden kann, durch eine Linse 153 in einen mit Glaswänden versehenen optischen Leiter 152 fokussiert und führt Makromoleküle oder Viren aus dem Quellenmaterial 154, das am Eingang des optischen Leiters 152 angeordnet ist, mit sich. Die kleineren Teilchen bewegen sich nur gering längs des Leiters 152; die Teilchen mittlerer Größe wandern im Leiter 152 weiter. Die größten Teilchen und Makromoleküle folgen dem optischen Leiter bis in die Sammelkammer " 155. Es ist zu sehen, daß die Flüssigkeit, in der die Teilchen mitgeführt werden, den Leiter 152 füll ; sie ha . vorzugsweise einen wesentlich höheren Brechungsindex als die Glaswände des Leiters 152, um das kohärente Laserlicht zu führen und so dessen Stahlungsdruck weitgehend auf den gewünschten Bereich zu beschränken.

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Die Ausnutzung der Ausführungsform nach Fig. 15 zum {Trennen von Makromolekülen, Viren und anderen großen ieilöheii ton kleineren (Teilchen hat sich als erheblich günstiger als die Verwendung moderner ültragentrifHigen zu diesem Zweck erwiesen*

ßg ist zu beaöhtin, daß die Ausführung Mäch Fig, 13 nicht von den HeöonsnzötrahlUiigsWechöelWirkungen mit dein bewegten Seilöhen abhängig ist, Obwohl ResonöilsSötfaliiüngsWeöhselWirkungen mit solchen feilchen ausgenutzt Werden könnten, indem man die kohärente Lichtquelle auf Resonanz einstimmt* könnten durch Strahlungsdruck der ausgestrahlten ResonanzStrahlung sogar Atome und Ionen in einer Flüssigkeit selektiv durch die Flüssigkeit bewegt Werden.

L,aggr-;jäuelle

Die beträchtliche Erhöhung des Querschnitts eines Atoots für eine Resonanzwechselwirkung mit einem Laserstrahl von Phötonenenergie, die an einen Übergang des Atoms angepaßt ist, macht die Verwendung des Strahlungsdrucks zur Erleichterung der Besetzungsumkehr in relativ kurzwelligen Gassystemen möglich.

Solch ein System ist in Fig. 7 gezeigt. Ein Gefäß 17 für ein gasförmiges Medium 72, das kurzwellige Übergänge im wesentlichen oberhalb des Grundzustands besitzt, ist mit einer Vakuumkammer 73 verbunden, die mittels einer Vakuumpumpe 74 evakuiert wird.

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Das gasförmige Medium 72 wird durch eine Gleichstromentladung von einer elektrischen Quelle 75 angeregt. Die Quelle 75 ist mit einer Anode 76 und einer Kathode 77 verbunden, die aneinander gegenüberliegenden Enden eines Reservoirs bzw. Gefäßes 71 angeordnet sind. In alternativer Ausführung.können thermische, chemische oder andere Mittel zur Erzeugung einer hohen Temperatur im Medium 72 im Reservoir 71 verwendet werden, ohne notwendigerweise eine Besetzungsumkehr hervorzurufen.

Zur Erleichterung einer Besetzungsumkehr im Medium 72 wird ein Strahlungsdruck-Pumpen des Teils des Mediums 72 durch eine kontinuierlich arbeitende Laser-Quelle 78 geschaffen, dessen Besetzung nicht umgekehrt ist (im Grundzustand befindlicher Teil) Die Laserquelle 78 wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch einen auf wesentliche Übergänge (ResonanzStrahlungsübergänge) vom Grundzustand abgestimmten Laser gebildet. Der Strahl von der Laserquelle 78 wird durch eine Linse 79 derart fokussiert, daß er effektiv die Querschnittsfläche des Halsabschnitts 73a der Vakuumkammer 73 ausfüllt.

Der Teil des Mediums 72 mit Besetzungsumkehr erfährt keine Resonanzwechsclwirkung mit dom Strahl der Quelle 78 und diffundiert nach außen in Richtung dor Linse 79. An einer optimalen axialen Stelle in Thermen der Dichte der invertierten Zustände und ihrer erwarteten Lebensdauer wird ein optischer Resonator quer zum Bertiich 73a angeordnet. Nur der Rück-

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reflektor 80 dieses Resonators ist zur Verdeutlichung der Darstellung gezeigt. Der Frontreflektor (nicht gezeigt) kann teilweise durchlässig ausgeführt werden, so daß ein brauch-· barer Hochleistungsstrahl in einer Richtung austritt, die aus der Zeichenebene der Darstellung gemäß Fig. 7 weist. Beispielsweise können Besetzungsumkehrungen bei relativ kurzen Wellenlängen, so z.B. ultravioletten Wellenlängen auf diese Weise erreicht werden.

Die Moleküle werden entweder in das Reservoir bzw. Gefäß 71 durch Strahlungsdruck zurückgepumpt oder durch die Vakuumpumpe 74 entfernt. Einige Moleküle können erneut durch die Quelle 78 auf das obere Laserniveau angeregt werden, während sie sich noch im Resonator befinden, und werden Teil der dort erfolgenden Besetzungsumkehr.

Durch Strahlungsdruck unterstützte Vakuumablagerung

Die in Fig. 8 gezeigte Vakuum-Ablagerungsvorrichtung macht von der bei der Ausführungsform nach Fig. 1 benutzten gesteuerten Erwärmung Gebrauch. Während in Fig. 1 die kontrollierte Erwärmung eines gering absorbierenden Teilchens in einer optischen Potentialmuldo eine starke Schwarzkörpar-(300O⁰G)-Lichtquelle bildete, wird das Teilchen 81 bei dor Ausführungsform nach Fig. 8 in der durch al3 divergierenden Strahlen von den Laserquellen 82 und 83 gebildete Potential-

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mulde durch eine impulsförmige Leistungsztmahme der von den Lasern 82 und 83 gelieferten Strahlen verdampft. In federn Fall sollte die Leistungsstunahme symmetrisch erfolgen, tun eine feilehenbewegung zu verhindern. Die Gesamtanordnung ist in einer mit flüssigem Helium gekühlten Vakuumkammer 86 angeordnet, welche durch eine Vakuumpumpe 87 evakuiert wird.

Das in der Zeichnung dargestellte Werkstück 85 könnte beispielsweise ein ultrareines Siliziumteil sein, auf dem eine sehr dünne Schicht Siliziummonoxid (SiO) abgelagert worden f soll. Die laser 82 und 83 können beliebige laser sein, die im wesentlichen monochromatisches Licht liefern,, für welches das leuchen 81 im wesentlichen durchlässig, jedoch mt# gering absorbierend ist, so z. B. Licht von 1,06 Mikron von einem leodym-Laser (Υ^ΑΙ^Ο^ Wirtstoff). Die Dampfmoleküle und feilchen zerstäuben und bedecken das Werkstück 85 mit einem dünnen Film 88, der ultrarein ist, da er während des Verdampfungsvorgangs'nicht mit einem verunreinigenden Gefäß in Berührung gestanden hat» !Tatsächlich gibt es keine gto- a rende Äusgasung von den Wänden der Kammer 86, da diese auf der Temperatur flüssigen Heliums gehalten werden.

mit Hilfe,des Strahlungsdrucks

Die reibungslose Bewegung eines kleinen bzw. kugelförmigen Materialkörpers in Vakuum in einer stabilen optischen Potential mulde, die durch Strahlungsdruck gebildet ist, ist für viele

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Aüwendungsfälle von Interesse* so z* B. für die Zugespan— nungsmeßvorriGhtung geffiäß Fig* 9*

In der Ausführungeform nach Fig. 9 WiM eiiie 91 mit Hilfe siner Vakuumpumpe 92 auf ein hohes Vakuiiiö evakuiert. Innerhalb der Vakuumkammer 91 Sind zirkulär polarisierte Laöerquöllen 93 und 94 angeordnet^ Welche einerseits im Zusammenwirken mit Linsen 95 und 96 zur Bildung der st&Mlgm optise&öii fetitttiälfiuldö Αϋηκο* Sie 4ivef* gierenden Strahlen schneiden Sich hinter ihren Einsohnür-Steilen und überlappen sich in einem Zentralen Bereich, in welchem die stabile optische Potentialmulde gebildet ist.

Ein sphärischer Körfer 96 des Materials, dessen geprüft werden soll _t Wird beispielsWeise mit IiIfe i&t beS0hriebenen ieoMikön in diesen Bereich

Obwohl in dembesehriebenen i^sführungsbeisfiel ier 97 aas einem im wesentlichen transparent eis imä mxt getitigfügig absorbierenden Material* wie ^tiara (öi©^) öäetf SiIizituß (Si) besteht, dessen Zugfestigkeit zi* tinteröwöieö i könnte er auch aus hoohreflektSendern wää gering rende» Material bestehen, sofern ander© ,· öiöht polarisierte Laser in kubischer Anoränung mit den Laserii und 94 zur Bildung der optischen Potentialsenke verwendet werden.

108*26/1*3$

Der Schlüssel zu dieser Ausführungsform liegt in der gleichmäßigen Winkelbeschleunigung des Körpers 97 aufgrund optischer Absorption des zirkulär polarisierten Lichts, wobei die Dreher momente von der zirkulär polarisierten Strahlung der Quellen 93 und 94 additiv wirken. Ein Photon bzw. Lichtquant besitzt einen Drehimpuls; bei zirkulär polarisiertem Licht haben alle Drehimpulse dieselbe Richtung. Die Drehimpulse werden durch Adsorption der Photonen übertragen. Es ist zu erkennen, daß das Licht aus der Quelle 93 links drehend Zirkular polarisiert und das Licht von der Quelle 94 rechts drehend zirkulär polarisiert ist. Der Körper 97 dreht an der Oberseite vom Betrachter fort und an der Unterseite zum Betrachter hin. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Leistung der die optische Potentialmulde bildenden Quellen ausreichend niedrig gehalten, damit die Bruchspannung des Körpers erreicht wird, bevor der Körper verdampft. Die Winkelgeschwindigkeit bei zu Bruch gehen des Körpers ist direkt auf dessen Zugspannungsfestigkeit bezogen, während alle anderen Faktoren im Hinblick darauf gleich sind, daß die Zugkräfte innerhalb des Körpers 97 % Zentrifugalkräfte sind, welche direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit sind. Die Winkelgeschwindigkeit kann durch Dopplerverschiebung des vom Körper 97 in Abhängigkeit zum schräg einfallenden Licht zerstreuten Lichts gemessen werden.

Diese Technik ermöglicht auch eine sehr empfindliche Messung der Absorption, da die Winkelgeschwindigkeit des Körpers 97 proportional zum Zeitintegral der Absorption ist.

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jüs wird daher die Verwendung der Ausführungsform nach Fig. 9 zur Messung sehr kleiner optischer Absorptionen vorgeschlagen'. Die Messung der Winkelgeschwindigkeit wird vor dem zu Bruch gehen des Körpers beendet. Tatsächlich können Absorptionen extrem genau gemessen werden, welche so klein sind, daß zum Beschleunigen des Teilchens Tage vergehen.

.Einfangen von neutralem Gas

In vielen Fällen der Molekular physikalischen Forschung wäre es erwünscht, über eine hochreine Gasprobe zu verfügen, die auf eine kleine Zone im Vakuum beschränkt ist, wo sie frei von störenden Verunreinigungen ist und trotzdem als Target für den Beschüß mit von herkömmlichen oder den oben beschriebenen Beschleuniger.n ausgestrahlten hoch- oder niederenergetischen Teilchen zugänglich ist.

In Fig. 10 ist eine Gas-Einfangvorrichtung ohne die zugehörige Vakuumvorrichtung gezeigt, um die Zeichnung nicht unnötig zu belasten. Der eingefangene neutrale Gaskörper oder das Target 101 wird in einer stabilen optischen Potentialmulde durch sechs kontinuierlich arbeitende, im wesentlichen monochromatische inkohärente Laserquellen 102, 103, 104, 105, 106 und 107 gehalten. Ein Teilchen von einem Beschleuniger 108 herkömmlicher Bauart wird auf das neutrale Gastarget 101 geschossen. Die sich ergebenden Strahlungs-Zerfallsprodukte breiten sich in Richtung der verlängerten Flugbahn des vom

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Beschleuniger 108 ausgestrahlten geladenen ieilchens aus* Diese Reaktionsprodukte werden an geeignet angeordneten Detektoren, z.B. dem Beaktionsproduktdetektor 109 gemessen.

Strahlijngadruok-tJfolekulajatrEÜil-yereohiebbing und ^

Fig« 31 zeigt eine Anwendung der Erfindung, die oben bereits einige Male erwähnt wurde, jedoch für Holekul&rstrahllaeer, die Grundlagenforschung und anderer Zwecke flo zweckmäßig ist, daß in Fig. 11 eine besondere apparative Ausführungafona dar* gestellt ist «

Bei dieser Ausführungsform beruht die Ablenkung einer Komponente eines Molekularstrahlg oder eines von mehreren sich kollinear ausbreitenden Molekül ar strahl en auf dem großen Hesonanzquerschnitt eines kohärenten Lichtstrahls für eine besondere Sorte von Seilchen innerhalb des Molekularstrahl« oder der Molekularstrahlen.

Ein Beservoir bzw. Gefäß 111, das ein Molekulsrgas 112 enthalt, bildet eine MolekularBtrahlquelle. Bas Gefäß 111 ist mit einer Vakuumkammer 113 über eine Öffnung 114 an einer Seitenwand des Gefäßes 111 verbunden.

eine Vielzahl von angeregten Spezies bzw. Sorten in demvom Reservoir bzw. Gefäß 111 ausgehenden Molekularstrahl 115 zu erzeugen, wird das Gas 112 durch eine an eine Anode 117 und.eine

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_ 44 -

Kathode 118 angeschlossene Spannungsquelle 116 erzeugten elektrischen Entladung unterworfen odor in anderer Weise erwärmt. Der Molekularstrahl 115 wird ferner durch eine Schlitzvorrichtung 119 kollimiert und tritt zwischen ein transparentes Fenster 120 in einer Wand und einem Absorptionsabschluß ((reflexionsfreier Abschluß) 121 auf der gegenüberliegenden Wand der Vakuumkammer 113. Licht von einer schmalbandigen Laserquelle 123, für welches der Abschluß 121 absorbierend wirkt, wird durch das Fenster 120 zugeführt und tritt mit einer Teilchensorte im Molekularstrahl, z. B. dem Teilchen im energetisch niedrigsten Zustand eines optischen Übergangs in Wechselwirkung, der eine Photonenenergie hat, die gleich der Photonenenergie der Laserquelle 123 ist. Solche Teilchen, die das Laserlicht absorbieren und bestrahlen, erfahren eine Nettobeschleunigung, durch die sie zu einer Nutζvorrichtung 124 gelenkt werden. Ihr optischer Endzustand bei Erreichen der Nutzvorrichtung 124 hängt von ihrer Laufzeit zwischen ihrem Ablenkpunkt und ihrem Einlauf an der Vorrichtung 124 ab. Diese Laufzeit kann so gewählt werden, daß die Teilchen im unteren Zustand des oben erwähnten optischen Übergangs ankommen. In ähnlicher Weise kann die Laufzeit des restlichen, nicht abgelenkten Teils des Strahls zu einer zweiten Nutzvorrichtung 125 so gewählt werden, daß alle Teilchen dieses Teils im oberen Zustand des optischen Übergangs an der Vorrichtung 125 ankommen.

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Wenn daher der untere Zustand das obere Niveau eines Mikrowellenlaser-Übergangs wäre, so könnte die Vorrichtung 124 ein Mikrowellenlaser der Molekularstrahlart sein. In ähnlicher Weise könnte die Vorrichtung 125 ein Laser sein, welcher Licht derselben Wellenlänge wie die Quelle 123 erzeugt, das jedoch bei der Verwendung eines aktiven Mediums, welches ein klar definierter Molekularstrahl ist, ungewöhnlich ist.

Strahlungsdruck-Beschleunigungsmesser für Trägheitslenkung oder Messungen bei niedrigem Gasdruck

In der Ausführungsform nach Fig. 12 wird von der extremen Empfindlichkeit von kleinen Teilchen in optischen Potentialsenken auf kleine Störungen Gebrauch gemacht. In der Ausführung nach Fig. 12 liegt ein hochdifuchlässiger bzw. -transparenter Körper 131 aus einem optischen Quarz geringer Dämpfung und hoher Güte mit einem Durchmesser von etwa 3 Mikron in einer optischen Potentialsenke, welche durch 6 Laserlicht- J quellen 132, 133, 134, 135, 136 (Rückseite) und 137 (Vorderseite, nicht gezeigt) gebildet ist. Geeignete Linsen, z.B. die Linsen 149, 138, 139 und 140, die beiden anderen Linsen sind in der Zeichnung nicht dargestellt, geben den Laserstrahlen eine divergierende Form.

Es ist zu beachten, daß diese optische Potentialsenke überflüssig ist, wie dies für die im folgenden beschriebenen Steuerzwecke erwünscht ist. Eine für das transparente Teilchen 131 ausreichende optische Potentialsenke könnte durch zwei

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dieser Quellen gebildet werden, welche aneinander gegenüberliegend auf derselben Achse angeordnet sind. Die gesamte zuvor beschriebene Vorrichtung ist in einer Vakuumkammer Hl eingeschlossen, welche durch eine Vakuumpumpe 142 evakuiert ist.

Optische Radarsignale werden von drei externen Quellen, von denen zwei, 143 und 144, gezeigt sind, auf das Teilchen gerichtet. Das kohärente Licht von diesen Radarquellen wird durch geeignete Fen-ster 145 und 146 der Vakuumkammer galenkt. Das vom Teilchen 13I reflektierte Licht wird in den Radargeräten 143 und 144 empfangen und zur Erzeugung eines Signals aufgrund der Doppler-Verschiebung verwendet. Das Signal gibt in impliziter Form die Lage und Geschwindigkeit des Teilchens 131 in einer Koordinate längs der Achse des Radars an. Drei solcher Dopplersignale werden einem Digitalrechner 147 herkömmlicher Bauart zugeführt. Diese Signale umfassen das Signal für die Bewegung des Teilchens 131 in die und aus der Zeichenebene. Dieses Signal ist durch den Pfeil I48 angegeben. Aus diesen Eingangssignalen entwickelt der Digitalrechner eine Ausgangsstellung und Geschwindigkeit für das Bezugsgehäuse, in welchem das Teilchen 131 angeordnet ist. Ein solches Ausgangssignal ist so, wie es als Ausgangssignal eines Beschleunigungsmessers zur Verwendung in Trägheitslenksystemen verwendet wird. Außerdem liefert der Digitalrechner 147 sechs Ausgangssignale, welche die Intensitäten bzw. Stärken der Strahlen der Laser 132 bis 137 im Sinne einer Erhöhung derjenigen Kräfte zu steuern gestatten, die das Teilchen 131

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in seine Gleichgewichtslage zurückführen. Mit Hilfe dieser Rückführkräfte, welche das Teilchen 131 in der Nähe der zentralen Stellung halten, wird die höchste Genauigkeit ,erzielt. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Digitalrechner 147 so programmiert werden kann, daß die ungedämpften (oder nur gering gedämpften) Bewegungskomponenten des Teilchen oder die Leistungsschwankungen der Einfangstrahlen kompensiert werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit im wesentlichen gleichem Aufbau wie diejenige nach Fig. 12 verwendet die Vorrichtung zum Messen sehr kleiner Gasdrücke innerhalb der Kammer 141. In diesem Fall ist der Digitalrechner 147 so programmiert, daß er ein Ausgangssignal liefert, welches den Gasdruck innerhalb der Kammer 141 angibt.

Eine solche Vorrichtung wäre auch zum Messen extrem niedriger Gasdrücke auf die Ränder des äußeren Raums anwendbar, wobei eine Vakuumvorrichtung nicht nötig sein würde.

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Claims

Patentansprüche

1„ Einrichtung zum Einwirken auf einen Körper mit Hilfe von Strahlungsdruck mit einer ein optisches Strahlungsbündel liefernden Vorrichtung, deren Strahlung zur Wechselwirkung mit dem der wirksamen Feldzone des Strahlungsbündels zugeführten Körper geeignet ist, und mit einer Vorrichtung zur Ausnutzung bzw. Auswertung der Wirkung des Strahlungsdrucks auf den Körper, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Umgebung des Körpers(11) in der Zone des Strahlungsbündels beeinflussende Vorrichtung (13 bis 15) vorgesehen ist, die thermische Effekte auf die Bewegung des Körpers wesentlich geringer werden läßt, als die Wirkung des Strahlungsdrucks, und daß der Körper ein bezüglich dieser Umgebung frei bewegliches Teilchen ist«

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Strahlungsbündel liefernde Vorrichtung wenigstens zwei Strahlen von im wesentlichen monochromatischem und kohärentem Licht ausstrahlende Quellen aufweist, die so angeordnet sind, daß sich ihre Strahlen in der Zone schneiden, der das Teilchen zugeführt wird; daß das Material und die Größe des Teilchens so gewählt sind, daß es durch die Strahlen in der Zone einfangbar ist; und daß Mittel zum Dämpfen der Bewegung des Teilchens nach dessen Eintritt in die Zone vorgesehen sind.

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3« Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Target für das !Teilchen vorgesehen ist, und daß die das Strahlungsbündel liefernde Vorrichtung eine einen dritten Strahl von im wesentlichen monochromatischem und kohärentem Licht ausstrahlende dritte Quelle aufweist, die so gesteuert ist, daß ihr auf das Teilchen gerichteter Strahl das eingefangene Teilchen aus der Zone in Richtung des Targets beschleunigt»

4. Einrichtung nach Anspruch 1, welche die Bewegung eines teilweise absorbierenden hochschmelzenden Teilchens zur Bildung einer hochintensiven Schwarzkörper-Punktlichtquelle steuert, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kontinuierliche, im wesentlichen kohärente, divergierende Lichtetrahfen liefernde Lichtquellen derart angeordnet sind, daß sie eine optische Potentialsenke für das Teilchen bilden, wobei die Strahlungsleistungen der Quellen so gewählt sind, daß sich eine Gleichgewichtstemperatur des Teilchens einstellt, bei der eine teilweise im siehtbaren Bereich liegende Schwarzkörperstrahlung von den Teilchen entwickelt wird, und daß eine Vorrichtung zum Auffangen und Nutzbarmachen der Schwarzkörperstrahlung vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Beschleunigung eines im wesentlichen transparenten Teilchens, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahlen von im wesentlichen mono-

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chromatischem und kohärentem Licht erzeugende Lichtquellen so angeordnet sind, daß sie eine optische Potentialmulde für das Teilchen bilden; daß wenigstens ein Teilchen für die Lichtstrahlen im wesentlichen durchlässig ist; daß Mittel zum Zuführen des einen Teilchens zur Potentialmulde unter Dämpfung seiner Bewegung, eine Einrichtung zum Beseitigen dieser Dämpfung und eine gepulste Lichtquelle zur Erzeugung eines im wesentlichen monochromatischen und kohärenten Lichtstrahls vorgesehen sind, der auf das in der Potentialmulde befindliche Teilchen gerichtet ist, wobei die Wellenlänge und Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Strahls so gewählt sind, daß das Teilchen unbeschädigt aus der Potentialmulde heraus beschleunigt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere mit Öffnungen versehene Vorrichtungen zum Fokussieren des Beschleunigungsstrahls hinter der Potentialmulde und zum Durchlassen des aus der Potentialmulde beschleunigten Teilchens vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchen in einer starken Fokussieranordnung nacheinander durch mehrere kohärente, optische 1-Richtungsstrahlen schräg zu seiner Bahn hinter der Potentialmulde abgefangen wird.

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δ. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Trennung von Teilchensorten, gekennzeichnet durch ein eine Vielzahl dieser Teilchen enthaltendes Gefäß bzw. Reservoir (61), eine im wesentlichen monochromatisches und kohärentes Licht auf das Reservoir richtende Lichtquelle (64), eine Vakuumkammer (60), die in einem Bereich bzw. Abschnitt (63) zwischen der Quelle und dem Reservoir so ausgebildet ist, daß der Lichtstrahl mit nur vernachlässigbar geringem Zwischenraum durchtreten kann, und durch eine nahe der Quelle angeordnete Vorrichtung (69) zum Entfernen der bis in die Nähe der Quelle vordringenden Teilchensorten, wobei die Wellenlänge und Intensität des von der Quelle erzeugten Lichtstrahls so gewählt sind, daß von einer im Reservoir enthaltenen Teilchensorte wesentlich mehr Teilchen als von der oder den anderen Teilchensorten wirksam eingefangen werden.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer dieser Körper mit dem monochromatischen, ko- λ härenten Licht in Resonanzwechselwirkung steht, wobei die Resonanzwechselwirkung den Querschnitt von Teilen dieser Körper für den Strahlungsdruck des Lichts vergrößert, und daß die anderen dieeer Körper in wesentlich geringerer Resonanzwechselwirkung mit dem Licht stehen, so daß sie zu der die Teilchen entfernenden Vorrichtung diffundieren.

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10. Einrichtung nach Anspruch 1 zum Erzwingen von Strahlungsemission, wobei in einem gasförmigen Medium ein Teil mit invertierter Besetzung von einem Teil mit nicht-invertierter Besetzung getrennt wird, gekennzeichnet durch ein das gasförmige Medium (72) enthaltendes Reservoir (71), eine auf das Medium wirkende Einrichtung (75 Ms 77), welche das Medium zur Besetzung der Energieniveaus oberhalb des Grundzustandes anregt, eine einen im wesentlichen monochromatischen und kohärenten Lichtstrahl auf das Reservoir richtende Lichtquelle (78), wobei das Licht eine Photonenenergie hat, die einem Übergang in dem Medium angepaßt ist, bei dem das untere Niveau von dem Teil mit nicht-invertierter Besetzung besetzt ist, ferner durch eine Vakuumkammer, die zwischen der Quelle und dem Reservoir ohne wirksamen Zwischenraum zum Strahl ausgebildet ist, durch eine nahe der Quelle angeordnete Vorrichtung zum Entfernen von Gasen aus der Kammer zur Beschleunigung der Diffusion des gasförmigen Mediums in Richtung der Quelle, wobei die Quelle eine Diffusion des Teils des gasförmigen Mediums mit nicht-invertierter Besetzung verhindert, und durch eine Resonatoranordnung (80), welche zwischen der Quelle (78) und dem Reservoir (71) die Strahlung des Teils mit invertierter Besetzung quer zum Lichtstrahl auf Resonanz bringt.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, zum Vakuum-Ablagern von dünnen Filmen von einer durch Strahlungsdruck eingefangenen Teilchenquelle, gekennzeichnet durch eine Vakuumkammer (86)

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und mehrere Quellen (82, 83) voneinander schneidenden optischen Strahlen zum Einfangen des Teilchens (81) in einer zentralen Zone der Vakuumkammer, wodurch das Teilchen während des At)IagerungsVorgangs von Behälterverunreinigungen freihaltbar ist, ferner durch ein in der Kammer (86) mit gewähltem Abstand von den Teilchen angeordnetes Bauteil (85) und durch eine Vorrichtung zum Erwärmen und Zerstäuben des Teilchens.

12. Einrichtung nach Anspruch 1 zum Rotationsbeschleunigen eines Körpers aus teilweise optisch-absorbierendem Material, gekennzeichnet durch durch wenigstens zwei Quellen voneinander schneidenden, im wesentlichen monochromatischen und kohärenten, zirkular-polarisierten Lichtstrahlen mit/einander entgegengesetzt drehender zirkularer Polarisation und durch Mittel, mit denen die Strahlen auf den Körper zum Halten desselben in einer optischen Potentialmulde gerichtet werden, wobei dem Körper von den absorbierten zirkular-polarisierten Photonen des Strahls ein Drehmoment mitgeteilt wird, f das ihm eine Drehbeschleunigung erteilt.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, zum Einfangen eines Körpers aus neutralem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere im wesentlichen monochromatische und kohärente, einander schneidende Resonanzstrahlungs-Strahlen erzeugende Quellen zur Bildung einer optischen Potentialmulde für das Gas kubisch angeordnet sind, und daß ein Körper dieses Gases dem Strah-

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lungsdruckeinfluß von wenigstens einem der ResonanzStrahlungs-Strahlen zugeführt wird, wodurch der Gaskörper zur optischen Potentialmulde wandert.

14. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Trennung von Molekularstrahlen, gekennzeichnet durch ein ein molekulares Gas enthaltendes Reservoir, eine Vakuumkammer, die mit dem Reservoir über eine dem Durchtritt von Molekularstrahlen des Gases zulassende Öffnung mit dem Reservoir verbunden ist, ferner durch ein mit dem Gas im Reservoir in Verbindung stehende Vorrichtung, welche das Gas derart anregt, daß es sich kollinear ausbreitende Strahlen unterschiedlicher Anregung durch die Öffnung aussendet, durch eine einen Strahl von im wesentlichen monochromatischem und kohärentem Licht quer zu den Molekularstrahlen aussendende Quelle, deren Licht eine Photonenenergie hat, die mit wenigstens einem der Molekularstrahlen in Resonanzwechselwirkung tritt, wodurch diese Molekularstrahlung durch Resonanzstrahlungsdruck abgelenkt und von einem anderen Molekularstrahl getrennt wird, und durch eine wenigstens einen der getrennten Molekularstrahlen verwendende Vorrichtung.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Teilchen ein durch den Strahlungsdruck der optischen Strahlung eingefangener Körper und die Umgebung des Teilchens ein Vakuum ist, in dem der Gasdruck unterhalb des Meßbereichs

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üblicher Druckmeßgeräte liegt, und daß die Einrichtung .optische Mittel zum Messen der Bewegung des Körpers bezüglich der Strahlquelle und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines von der gemessenen Bewegung abhängigen Signals aufweist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Berechnen der Lage und Geschwindigkeit der Einrichtung aufweist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungsvorrichtung eine Einrichtung zum Berechnen des Gasdrucks aufweist.

18. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahl liefernde Vorrichtung einen kontinuierlichen optischen Hohlleiter (152) aufweist, welcher den

ι Strahl zusammen mit einem Teilchen eines ersten Querschnitts ^ für eine wirksame Stahlungsdruckkraft längs der Leiterachse begrenzt, wobei andere Teilchen geringeren Querschnitts hinter dem Teilchen zugeführt werden, und daß eine Sammelkammer (155) an den Hohlleiter angeschlossen ist, der das Teilchen mit dem ersten Querschnitt bevorzugt vor den anderen Teilchen zugeführt Wird.

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20605D3

19. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnutzungsvorrichtung vorgesehen ist, die eine Quelle von kohärentem Licht, das von den Teilchen reflektiert durch Dopplereffekt frequenzverschoben wird, und Mittel zur Bestimmung des Doppler-verschobenen Lichts aufweist.

20. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden kohärente Strahlungsbündel liefernden Quellen zwei Laser mit sich gegenseitig schneidenden optischen Resonatoren aufweisen, entlang denen sich die Strahlung in beiden Richtungen in jedem der Resonatoren ausbreitet, wobei die Laser so ausgeführt sind, daß sie Strahlen liefern, in deren Schnittzone das Teilchen zentrierende Quergradienten des Strahlungsdrucks gebildet sind.

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