DE2735985A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutz vor der wirkung elektromagnetischer strahlung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor-
• richtung zum Schutz des menschlichen Auges oder empfindlicher optischer Elemente vor der Wirkung elektromagnetischer Strahlung hoher Intensität, beispielsweise eines Lasers, mit Hilfe eines im Strahlengang des zu schützenden Objektes angeordneten, die Strahlung zumindest schwächenden Mediums.
• Aus der US-PS 32 66 370 ist ein Filtersystem zur Begrenzung der Strahlungsleistung einer intensiven Strahlungsqueile bekannt, das beispielsweise dem Schutz des Auges gegen Atomblitze dient, die bei thornionukiearon Explosionen auftreten.
• Die Schutzwirkung beruht dabei auf chemischen Prozessen, die bestenfalls in Zeitintervallen von Millisekunden und dunit viel zu langsam ablaufen, um menschliche Organe oder empfindliche optronische Geräte vor Schädigungen durch extrem kurzzeitige, intensive Strahlungseinwirkungen wirksam zu schützen.
• Aus der DT-AS 12 53 824 ist sodann ein steuerbares optisches Absorbermodium bekannt, das neben seiner komplizierten Zusammensetzung für den vorgesehenen Zweck ebenfalls viel zu lange Schaltzeiten aufweist.
• Aus der gattungsgemäßen DT-PS 15 89 721 ist es aber auch 8 bekannt, Schaltzeiten <10 sec zu erzielen. Hierbei wird die Streuung von Laserlicht hoher Intensität bzv. die Änderung des Brechungsindex in verschiedenen durchstrahlten Schichten ausgenutzt1 wobei davon ausgegangen wird, daß bei kleinen Lichtintensitäten gleiche und bei hohen Lichtintensitäten verschiedene Brechungsindizes in den verschiedenen Schichten auftreten. Da bei der Durchstrahlung dieser Schichten eine Streuung des Lichts eintritt, erfährt ein Laserstrahl je nach seiner Intensität clne entsprechende Schwächung. Diese zweifel los prinzipielle Erkenntnis hat aber noch den Nachteil, daß zum damaligen Zeitpunkt nicht hinreichend Medien bekannt waren, mit denen sich eine Realisierung ohne weiteres durchführen lief Die Aufgabe der Erfindung hesteht in dem Auffinden geeigneter Stoffklassen und ihrer Anwendung, damit in Zeitintervallen von einigen 10 9sec abgegebene Pulsleistungen von mehreren 10 EI Watt für menschliche Organe oder empfindliche Geräte mit größtmöglicher Sicherheit unschädlich gemacht werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlung mit hilfe von optisch nichtlinearen Substanzen mit großen nichtlinearen optischen Konstanten (z.B.Kerr konstante) geschwächt oder durch Selbstfokussierung unterdrückt wird. Obwohl für diese Substanzen Eigenschaften wie die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Lichtintensität (Feldstärke) und z. B. Brechung bzw. elektrischer Polarisation charakteristisch sind, interessieren im anstehenden Zusammenhang nur die in der Substanz selbst erzielbaren Änderungen des Ausbreitungsverhaltens der Strahlung, weniger die sie verändernden Effekte wie Frequenzänderungen und dgl..
• Zu den internen Veränderungen zählt vor allem die Selbstfokussierung, die bei sich änderndem Brechungsindex während der Durchstrahlung der Substanz eintreten kann. Hierbei ändert sich der Verlauf des Brechungsindex innerhalb des durchstrahlten Kanals von außen nach innen mit zunehmender Tendenz bis hin zum Eintritt des Fokussierungseffekts, so daß ein Laserstrahl geschwächt bis völlig unterdrückt werden kann.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird darin gesehen,daß die Strahlung in der Substanz durch Doppelbrechung in Teilstrahlen zerlegt und anschließend mittels einer z. B.
• durch ein externes elektrisches oder magnetisches Feld veränder barer Phasendifferenz gelöscht wird. Der Löschungseffekt kommt hierbei in einfacher Weise dadurch zustande, daß sich über die von außen zugeführten elektrischen oder magnetischen Felder der Gradient des Brechungsindex einstellen läßt.
• Was nun die#tatsächlich in Frage kommenden einzelnen Substanzen anbetrifft, so eignen sich für den vorliegenden Zweck in erster Linie Flüssigkristalle mit nematischer, smektischcr oder cholesterischer Struktur oder auch Mischungen aus Flüssigkristallen mit mindestens zwei unterschiedlichen Strukturcn. Vorrangig kommen Schiff'sche Basen oder Azoyverbindungen in Frage. Sie besitzen nichtlineare optische Konstanten, die um wenigstens zwei bis drei Zehnerpotenzen über dem Wert von Quarz liegen und eignen sich daher in besonderem Maße für ein schnelles Umschalten von guter Transmission bei kleinem Lichtpegei zu starker Absorption bei hoher Strahlungsintensität. Eine solche Konzeption gewährleistet aber auch eine gute Wechselwirkung zwischen den Fensteroberflächen und den Flüssigkristallon hinsichtlich einer guten Eigentransmission sowie einer möglichst geringen Bautiefe. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil sich eine Vorrichtung dieser Art beispielsweise auch im Strahlengang vor dem menschlichen Auge unterbringen lassen soll.
• Mit einer Mischung verschiedener Flüssigkristalle kann der Fokussierungseffekt noch gesteigert werden, so daß eintnal die Eigentransmission, zum anderen aber auch die Baulänge der hierfür zur Anwendung gelangenden Ausführungsformen günstig beeinflußt, d. h. verkürzt werden können. Dieser Vorteil sowie eine Verbesserung der Eigentranamission wird außerdem noch dadurch untersützt, daß sich die Flüssigkristalle - bei geeigneter Behandlung der begrenzenden Oberflächen - günstig orientieren lassen.
• Um das erfindungggemäße Verfahren in der Praxis anwenden zu können, müssen die vorstehend näher erläuterten Substanzen in einer Küvette eingeschlossen sein, die wenigstens in den Bereichen des Strahlenein- und des Strahlenaustrittes mit Je einem optisch polierten, elektrisch leitende Schichten zur Erzeugung eines externen elektrischen Feldes aufweisellden Fenster versehen sind. Da die optischen Größen temperaturabhängig sind, ist es von Vorteil, daß die Küvette mit Hilfe eines Thermostats temperierbar ausgebildet oder in einem temperierten Behälter untergebracht ist. Im anstehenden Zusamznonhang kann es darüberhinaus vorteilhaft sein, wenn die be##ßten Substanzen in einem externen elektrischen oder magnetischen Feld angeordnet sind und durch Behandlung der Oberflächen geeignet orientiert werden. Bei der Überlagerung des Laserstrallls durch ein solches Feld kann die effektive Fokuslängo erheblich verkürzt worden. Zweckmäßigerweise läßt sich ein magnetisches Feld dieser Art mittels einer vorzugsweise an den Außenflächen aufgebrachten Spulenwicklung erzeigen.
• Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Substanz bzw. die sie enthaltende Küvette zwecks Itedusicrung des Ansprechpegels der Selbstfokussierung in einer Brennebene des Strahlenganges eines zu schützenden optischen Gerätes angeordnet sein.
• Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Unterdrückung intensiver Lichtstrahlung und Fig. 2 eine Küvette zur Aufnahme von Substanzen mit optisch nichtlinearen Eigenschaften.
• In Fig. 1 ist mit der Bezugszahl 1 eine Substanz mit optisch nichtlinearen Eigenschaften bezeichnet, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein flüssiger Kristall ist. An wenigstens zwei einander gegenüberliegenden Seiten ist dieser Kristall mit je einem optisch polierten Fenster 2 versehen, das den jeweiligen Bedingungen entsprechend auszuwählen ist; so kommen z. B. für eine Infrarotstrahlung in diesem Bereich transparente Gläser in Frage. Dieselben sind an denjenigen Stellen vorgesehen, wo der Laserstrahl 3 in den Kristall ein-und auch dort, wo er aas demselben wieder austritt. Mit seinen beiden Schmalseiten ist der Kristall in dem Thermostat 4 gehaltert. Letzterer kann dabei z. B. aus einer iieizfolie bestehen.
• Der Aufnahme solcher optisch nichtlinearer Substanzen 1 kann die aus Fig. 2 ersichtliche Küvette 5 dienen. An ihren Schmalseiten ist wie oben der Thermostat 4 befestigt, während die beiden einander gegenüberliegenden Langsseiton an der Strahleneintritts- und der Strahlennustrittsstelle das optisch polierte Fenster 2 enthalten, das außenseitig jeweils mit einer optisch transparenten elektrisch leitenden Schicht 6 zur Erzeugung eines externen elektrischen Feldes und innenseitig jeweils mit vorbehandelten Oberflächen 7 zur weitreichenden Orientierung von flüssig-kristallinen Phasen versehen ist.
• Darüberhinaus trägt der Thermostat 4 die Spulenwicklung 8, die der Erzeugung eines externen Magnetfeldes dient.
• Diese oder eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung wird im Bedarfsfall in den Strahlengang des zu schützenden Organs oder auch eines empfindlichen Gerätes, z. B. eines Detektors oder einer Optik oder dgl. eingebracht, wo sie je nach Auslegung und Bedarf unschädliche Strahlung geringer Intensität hindurchläßt und Strahlung höherer bis höchster Intensität schwächt oder auch völlig unterdrückt.
• L e e r s e i t e

Claims (9)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Schutz vor der Wirkung elektromagnetischer Strahlung PATENTANSPRÜCIIE 1.) Verfahren zum Schutz des menschlichen Auges oder empfindlicher optischer Elemente vor der Wirkung elektromagnetischer Strahlung hoher Intensität, beispielsweise eines Lasers, mit Hilfe eines im Strahlengang des zu schützenden Objektes angeordneten, die Strahlung zumindest schwächenden Mediums, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strahlung (3) mit Hilfe von optisch nichtlinearen Substanzen (1) mit großen nichtlinearen optischen Konstanten geschwächt oder durch Selbstfokussierung unterdrückt wird.
2. 2. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z c i r h n e t , daß die Strahlung (3) in der Substanz v1) durch Doppelbrechung in Teilstrahlen zerlegt ~imid anschließend mittels einer z. B. durch ein externes elektrisches oder magnetisches Feld veränderbarer Phasendifferenz gelöscht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c#W c n n -z e i c h n e t ,daß die Substanzen (1) aus Flüssigkristallen mit nematischer, smcktischer oder cholesterischer Struktur oder auch aus Mischungen von Flüssigkristallcn mit mindestens zwei unterschiedlichen Strukturen bestehen.
4. 4. lrerfallren nach Anspruch 3, d a d u r c h g c k o n n -z e i c h n c t , daß als Flüssigkristalle Schiff'sche Basen oder Azoxyvelzbindunsen verwendet werden.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Vorfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c 11 g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Substanzen (1) in einer Küvette (5) eingeschlossen sind, die wenigstens in den Bereichen des Strahlenein- und des Strahlenaustrittes mit je einem optisch polierten, elektrisch leitende Schichten (6) zur Erzeugung eines externen elektrischen Feldes aufweisenden Fenster (2) versehen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g c k e n n -z e i c hn e t , daß die Küvette (5) mit Hilfe eines Thermostats (4) temperierbar ausgebildet oder in einem temporierton Behälter untergebracht ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Substanzen (1) in einem externen elektrischen oder magnetischen Feld angeordnet sind und durch Behandlung der Oberflächen geeignet orientiert werden.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das externe magnetische Feld mittels einer vorzugsweise an den Außenflächen aufgebrachten Spulenwicklung (8) erzeugt wird.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d n -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Substanz (1) bzw. Küvette (5) zwecks Reduzierung des Anspruchpegels der Selbstfokussierung in einer Brennebene des Strahlenganges eines zu schützenden optischen Gerätes angeordnet ist.