DE2112575A1

DE2112575A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Musters unterschiedlichen Brechungsindexes in einem lichtdurchlaessigen Koerper

Info

Publication number: DE2112575A1
Application number: DE19712112575
Authority: DE
Inventors: Ghandross Edwin Arthur; Tomlinson Iii Walter John; Fork Richard Lynn; Kaminow Ivan Paul
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-03-19
Filing date: 1971-03-16
Publication date: 1971-09-30
Also published as: FR2083418B1; CA952855A; SE361951B; GB1304153A; FR2083418A1; US3689264A; BE764400A

Description

3-5-/0-2

WESTERN ELECTRIC COMPANY ^'

INCORPORATED

New York 2112575

Verfahren zum Erzeugen eines Musters unterschiedlichen Brechungsindexes in einem lichtdurchlässigen Körper

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Musters unterschiedlichen Brechungsindexes in einem im wesentlichen lichtdurchlässigen Körper; insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von Lichtleitern und anderen Mustern erhöhten Brechungsindexes in lichtdurchlässigen bzw. transparenten Körpern, vor allem mit optischen Verfahren zum Erzeugen solcher Lichtleiter und Muster.

Es ist bekannt, Änderungen des Brechungsindexes in transparenten bzw. lichtleitenden Körpern zur Ausbildung von Leitungswegen dadurch zu erzeugen, daß man den Körper quer zum vorgesehenen Leitungsweg in unterschiedlicher Zusammensetzung ausführt, und daß man ihn durch Hochenergieverfahren, z. B. durch Neutronenstrahlung beschädigt bzw. stört. Diese Techniken sind jedoch in der Praxis schwer zu realisieren und erwiesen sich als unzweckmäßig. Die mit dem Einbringen bzw. Einschreiben von Lichtleitern in dielektrische Materialien verbundenen Probleme sind in einem Artikel von S.E. Miller in"Bell System Technical Journal", Band 48, Seite 2063 (September 1969) erläutert.

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Durch die Erfindung wird ein optisches Verfahren zur Herstellung von Lichtleitern und anderen Mustern erhöhten Brechungsindexes in geeignet sensibilisierten lichtdurchlässigen Körpern durch Bestrahlung des Körpers mit gebündeltem ultraviolettem Licht angegeben.

Insbesondere wird durch die Erfindung festgestellt, daß ultraviolette Strahlung von einem Quecksilberlichtbogen bei 3650 X oder von einem HeIium-Cadmium—lonenlaser bei 3250 X, beide im ultravioletten Bereich, deutlich feststellbare irreversible Änderungen des Brechungsxndexes in Poly(Methylmetrfacrylat), das durch Hinzufügen eines eine lichtinduzierte Vernetzung ermöglichenden Bestandteils sensibilisiert ist, hervorruft· Die Sensibilisierungsmaterialien werden bei höheren Temperaturen offenbar unwirksam, so daß der Effekt der nachfolgenden Bestrahlung in solchen Proben nicht beobachtet werden konnte, die bei wesentlich höheren Temperaturen polymerisiert oder auf solche Temperaturen erwärmt wurden.

Außerdem kann einer der zu behandelnden Proben eine geeignete Menge (5 bis 25mg auf 100 ml) eines ausgewählten Initiators zur Erleichterung der Polymerisation zugefügt werden, soweit dies die Sensibilisierung nicht verschlechtert. Der Initiator und seine Produkte sollten die belichtende Strahlung nicht absorbieren; dagegen wird die belich-

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tende Strahlung von dem sensibilisierenden Bestandteil bzw. Ingredienten oder dem Polymeren absorbiert. Einige ohne einen Initiator hergestellte und sensibilisierte Polymere von Methylmetacrylat zeigen einen vergleichbaren Effekt, indem ultraviolette Strahlung den Brechungsindex vergrößert.

Während optische Änderungen des Brechungsindexes in dielektrischen Körpern, wie Lithiumniobat, bei sichtbarer oder ultravioletter Lichtstrahlung bereits früher beobachtet werden konnten, umfaßt der vorliegende Effekt ein grundlegend anderes Phänomen, das viel größere und irreversible Teiländerungen des Brechungsindexes hervorruft. Darüberhinaus wird eine nachfolgende Vervollständigung bzw. Erhöhung des Brechungsindexgradienten bewirkt, wie sie bei den bisher verwendeten optischen Störungsarten unbekannt war. Diese Vervollständigung ist wahrscheinlich ein Nachlassen einer Verformungsspannung, die durch die Spannungen bei der lichtinduzierten Vernetzung der Polymere hervorgerufen wird, so daß die anfängliche Belichtung im Sinne einer Einleitung der Änderung des Brechungsindexes wirksam ist, während die Größe und der Gradient bzw. Zuwachs der Indexänderung durch einen geeigneten Schritt^ wie Alterung nachfolgend noch beträchtlich erhöht werden. Vorzugsweise wird das Altern fortgesetzt, bis ein stabiler Zustand erreicht ist.

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Die erfindungsgemäße Charakteristik der Brechungsindexänderung wird der durch ultraviolettes Licht hervorgerufenen Vernetzung der Polymerenketten zugeschrieben, wobei sich die Dichte des Materials ändert. Außerdem werden bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung Peroxide als Sensibilisierungsbestandteile verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Genauigkeit der versuchsweise gegebenen Erläuterung der ursächlichen Zusammenhänge abhängig.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung naher erläutert. In der Zeichnung zeigt: ■

Fig. 1 eine teilweise in Blockform dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Belichtungsschrittes nach einem erfindungsgemäßen Verfahrensbeispiel ;

Fig. 2 eine Probe, in die zwei Lichtleiter unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens derart "geschrieben" wurden, daß an ihrer Kreuzungsstelle keine Kopplung auftritt;

Fig. 3 eine teils bildlich und teils in Blockform dargestellte Vorrichtung, in welcher erfindüngsgemäß hergestellte Lichtleiter als Richtungskoppler verwendet werden können;

Fig. 4 eine teils bildlich und teils in Blockform dargestellte Vorrichtung zum Durchführen des Belichtungsschrittes nach einem zweiten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

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Fig. 5 eine teils bildlich und teils in Blockform dargestellte Vorrichtung zum Durchführen des Belichtungsschrittes nach einem dritten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 ein Flußdiagramm der grundsätzlichen Schritte bei den erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 7 eine teils bildlich und teils in Blockform gezeigte Vorrichtung zum Belichten einer Probe zwecks Herstellung eines Reflektors; und

Fig. 8 eine Abwandlung der Darstellung gemäß Fig. 7.

Fig. 1 zeigt eine Quelle 11, die ultraviolettes Licht in Richtung eines für ultraviolettes Licht durchlässigen Mikroskopobjektivs 12 ausstrahlt. Das Mikroskopobjektiv 12 fokussiert das ultraviolette Licht auf einen gewünschten Bereich innerhalb (oder gegebenenfalls auf der Oberfläche) einer geeigneten sensibilisierten Probe 13, die durch einen Antrieb 14 quer zum fokussierten ultravioletten Strahl verschoben wird.

Die Strahlquelle 11 ist beispielsweise ein Cadmium-Ionen laser, der bei 3250 % betrieben wird; in einigen Experimenten wurde dieser Laser durch eine bei 3650 8 arbeitende Quecksilberlichtbogenlampe ersetzt. Die Quelle 11 kann geeignete Linsen zum Kollimieren des Strahls enthalten. Das Mikroskopobjektiv 12 ist von herkönunlicher Ausführung und weist · ein mit einer Öffnung versehenes reflektierendes Element 1$

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und ein konvexes reflektierendes Element 16 auf, die gemeinsam den gesamten Strahl an einer Stelle scharf bündeln, die angenähert doppelt so weit vom Reflektor 15 entfernt ist, wie der Reflektor 16. Ein Quarzglas-Brechungsobjektiv wäre ebenfalls geeignet.

Die Probe 13 wird durch den fokussierten Strahl mit Hilfe der Antriebsvorrichtung 14 bewegt, zu der ein Zahnstangentrieb gehören kann, der die Probe 13 in drei orthogonalen Richtungen bewegen kann. Dabei kann ein Teil der Antriebs-r vorrichtung 14 fest mit der Probe 13 verbunden sein,um die vorgegebene Bewegung auf die Probe 13 zu übertragen. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung wurde zum Durchführen des BelichtungsSchrittes bei einem ersten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet. Der Ablauf dieses Verfahrens war dabei wie folgt: Zunächst wurde die Probe 13 in einer evakuierten Kapsel durch Polymerisieren von Methylmetacrylat unter Beifügung von sensibilisierenden Peroxiden bei niedrigen Temperaturen etwa um 50 ° C mit Azobisisobutyronitrid, (CH₃)₂C(CN)-N-N-C(CN)(CH₃)₂, als Polymerisationsinitiator (5-25 mg pro 100 ml) und ohne Additive zur Stabilisierung des Poly(Methylmetacrylat) gegen ultraviolette Störung bzw. Beschädigung hergestellt. Dieser Initiator wird zuweilen AIBN genannt. Die Probe wurde dann auf den· passenden Teil der Antriebsvorrichtung 14 montiert und im Brennpunkt des ultravioletten Mikroskopobjektivs 12 angeordnet. Der

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optische Leiter wurde z. B. unter Bewegung der Antriebsvorrichtung 14 durch den Probenkörper "geschrieben" und bis zu zwei Seitenflächen des Körpers fortgesetzt. Um einen Leiter dieser Art zu schrdben, wurde die Antriebsvorrichtung 14 so gesteuert, daß sie die Probe 13 über bestimmte kontinuierliche Bahnen bewegt« Während in den der Anmeldung vorhergehenden Experimenten die Steuerung der Servomotoren der Antriebsvorrichtung 14 manuell durchgeführt wurde, könnte sie selbstverständlich auch mit Hilfe eines programmierten Digitalrechners durchgeführt werden. Noch vor dem Alterungsschritt wurde in der Probe 13 ein fortlaufender optischer Leitungsweg für einen Lichtstrahl von vergleichbarer oder niedrigerer Frequenz erhalten, der an einem Ende des Leitungsweges mit Hilfe einer geeigneten Linse kollinear einge leitet werden konnte. Der Leitungsweg ist als optischer Leiter 17 teilweise in der Probe 13 geschrieben, in Fig. 1 dargestellt.

Nach Beendigung der Bewegung der Probe 13 wurde sie aus dem Brennpunkt des ultravioletten Laserstrahles entfernt und zur Alterung beiseite gelegt. Nach Ablauf von einigen Stunden wurde festgestellt, daß sich der Wert und der Gradient der Änderung des Brechungsindexes beträchtlich erhöht hatten. Die durch diesen Alterungsprozeß hervorgerufene zusätzliche Änderung verringert sich mit der Zeit bis zu einem stabilen Zu£and. Die erwünschte Alterungszeit hängt von den Abmessungen

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der bestrahlten Zone ab· Die durch dieses Verfahren hervorgerufene Gesamtänderung des Brechungsindexes war ausreichend groß, um Biegungen mit einem Radius von einem Zentimeter, die für alle Anwendungsfälle klein genug sind, zu ermöglichen.

Unter Verwendung von interferometrischen Techniken wurde festgestellt, daß bei Bestrahlung mit 3650 S ultraviolettem Licht von dem Quecksilberlichtbogen die erzeugte Änderung des Brechungsindexes etwa Δη = _ χ 10~ E, wobei E

2 die Beleuchtungsstärke in Joules pro Quadratzentimeter ist.

Bei einer Bestrahlung mit 3250 A* Licht von einem Cadmiumionenlaser beträgt der Brechungsindex zumindest ^n = 1 χ 10~ E;

_3 und diese Beziehung scheint bis zu Werten Δη = 3 χ 10 zu reichen. Auflösungen bis zu 5000 Linien pro Millimeter konnten beobachtet werden. Die Untersuchungen der Anmelderin haben erwiesen, daß eine Vielzahl anderer Kunststoffe, insbesondere anderer Acrylate ähnliches Verhalten zeigen dürften, und daß andere sensibilisierende Bestandteile verwendbar sind, einschließlich derjenigen, welche das Vernetzen fördern.

Bei einigen dieser anderen Substanzen oder bei einer dieser Substanzen mit verschiedenen Sensibilisierungsstoffen kann auch eine Strahlung bei Wellenlängen außerhalb des ultravioletten Bandes die Brechungsindexänderung hervorrufen.

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Bezüglich anderer Ausgangsmaterialien für die Probe 13 scheinen eine geeignete Sensibilisierung der Probe vor der Belichtung und in einem geringerem Umfang die Vervollständigung des Brechungsindexgradienten nach der Belichtung von Bedeutung und können auch bei Verfahren zum Schreiben optischer Leiter, z« B. bei solchen Verfahren, die eine Teilchenbestrh^lung mit Elektronen oder Neutronen verwenden, zweckmäßig sein.

Unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 wurde auf experimentellem Wege gezeigt, daß feine (etwa 1-22 Mikrometer dicke) Lichtleiter im Inneren oder auf der Oberseite des Kunststoffes durch Fokussieren des ultravioletten Lichts in der in Fig. 1 gezeigten Weise und Bewegen der Probe entlang einer vorgegebenen Bahn erzeugt werden können. Die Probe wird sodann, wie oben erläutert wurde, gealtert. Sowohl geradlinige als auch gekrümmte Leitungswege, welch letztere einen Krümmungsradius von etwa einem Zentimeter hatten, wurden hergestellt und dienten zum Führen eines roten 6328 S-Strahls eines Helium-Neonlasers. Im Prinzip kann irgendein Licht einer Frequenz, die sich beträchtlich von den Frequenzen unterscheidet, auf welche die Probe sensibilisiert wurde, im Leiter geeignet geführt werden, nachdem es in eine Stirnfläche des Leiters in der Probe 13 fokussiert worden ist. Außerdem kann Licht derselben Wellenlänge wie das während des Belichtungsschrittes ver-·

wendete Licht im Leiter geführt werden, wenn das Umgebungsmaterial zuvor gegen weitere Belichtung ausreichend unempfindlich gemacht worden ist»

Wenn sichtbares Licht in den der Anmeldung vorhergehenden Experimenten in die Leiter fokussiert wurde, so wurden in dem durch den Leiter übertragenen und abgenommenen Licht optische Wellenleiter-Schwingungsamster beobachtet. Bei einem ein Zentimeter langen geradlinigen Leiter wurde wenigstens 90 % des einfallenden Lichts im übertragenen Hauptwellentyp beobachtet. Ein großer Teil der Verluste ergibt sich aus dem Einkopplungs— und AuskopplungsVerlusten, die entsprechend verringert werden können.

Für die drei anhand der Fig. 1 erläuterten Verfahrensschritte scheinen die folgenden Parameter von Bedeutung zu sein.

Während des Sensibilisierungsschrittes wird das Methylmetacrylat entweder langsam selbst oxidiert oder im Beisein von Sauerstoff einer diffusen ultravioletten Strtjalung von einer Quecksilber-Niederdrucklampe ausgesetzt. Das sich dabei ergebende Monomer kann sodann mit oder ohne Initiator polymerisiert werden, soweit das Sensibilisierungsbestandteil nicht beeinträchtigt wird. Es ist offensichtlich erwünscht, daß das PpIy(Methylmetacrylat) bei Temperaturen polysaerissiejft wird, die beträchtlich unterhalb von

100° C liegen, da der durch die Erfindung ausgenutzte Effekt bei Proben nicht beobachtet werden konnte, welche bei 100° C polymerisiert oder kurzzeitig (1 Stunde) auf 110° C erwärmt wurden, Die beste Polymerisationstemperatur liegt offenbar um 40 bis 50° C; sie kann jedoch auch in der Nähe von 25° C liegen, ohne den Prozeß übermäßig zu verlangsamen und ohne beträchtliche Sensibilisierungseinbußen auch etwa bei 75° C.

Es ist ferner möglich, die Proben durch den Zusatz von Peroxiden, Zo B«, Dicumylperoxid oder Tertiär»Butylperbenzoat zu sensibilisieren· Bevorzugt werden diese Peroxide vor der Polymerisation zugesetzt; bei ausreichend dünnen Proben könnten sie jedoch auch nach der Polymerisation zugesetzt werdenο

Beim Beiichtungsschritt dürfte es zweckmäßig sein, den Lichtstrahl so scharf wie möglich oder zumindest bis zu einem solchen Grad zu fokussieren, daß der gewünschte Brechungsindexgradient über den Leiter automatisch durch die Querschnittscharakteristiken des Lichts an der Strahl-Fokusstelle und durch die Strahlkonvergenz und -divergenz an der Fokusstelle geschaffen wird. Selbstverständlich kann der Durchmesser und die axiale Ausdehnung der engsten Stelle des Strahls (Fokusstelle) durch Änderung des Konvergenzwinkels des einfallenden ultravioletten Strahlbündels eingestellt werdenο Wenn daher die Querschnittsabmessungen eines Leiters vergrößert werden sollen, so kann der Konvergenzwinkel

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verkleinert werden, so daß der Durchmesser an der Einschnürungsstelle (Brennebene) anwächst.

Bei dem Alterungsschritt scheinen die Parameter nicht kritisch zu sein. Es wurden gute Ergebnisse dadurch erzielt, daß die belichteten Proben an einer dunklen Stelle bei einer Temperatur unterhalb von etwa 60° C für einige Tage abgestellt wurden· Die erwünschte Mindestdauer der Alterung kann bei kleinen bestrahlten Zonen sehr klein sein; die Maximaldauer der Alterung scheint bei einer Woche zu liegen; danach tritt eine vernachlässigbare Änderung auf.

Bei der Verwendung des auf diese Weise hergestellten ^eI-ters sollte berücksichtigt werden, daß die Wellenlänge des durch den Leiter zu führenden Lichts vorzugsweise außerhalb des Lichtempfindlichkeitsbereiches liegen sollte, der die Wellenlänge des zur Belichtung der Probe 13 verwendeten ultravioletten Lichts umgibt, damit eine weitere Änderung der Querschnittsverteilung des Brechungs indexes innerhalb des Leiters vermieden wird. Bei PoIy-(Methylmetacrylat) sollte die Wellenlänge des durch den Leiter zu führenden Lichts größer als 4000 A sein.

Ein typisches nach dem anhand Fig. 1 beschriebenen Verfahren hergestelltes Produkt ist in Fig_o 2 gezeigt. Die

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zunächst sensibilisierte und darach belichtete Probe 21 hat durch das erfindungsgemäße Verfahren geschriebene optische Leiter 22 und 23, die einander nicht schneiden. Die Leiter 22 und 23 haben bei einem typischen Ausführungsbeispiel einen Brechungsindexgradienten über ihre Quer-

_3

schnitte von etwa 3 χ 10 und einen effektiven Durchmesser von 2 Mikrometer, Die Leiter 22 und 23 erstrecken sich beide zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der Probe 21 und sind an ihrer Kreuzungsstelle, d.h. im Bereich minimalen gegenseitigen Ahstands voneinander getrennt. Dieser minimale Abstand bzw. die minimale Trennung zwischen ihren durch die effektiven Durchmesser definierten Grenzen beträgt wenigstens 10 Mikrometer, also z. B. 50 Mikrometer. Diese Trennung ist nicht-koppelnd, d.h. daß nur ein vernachlässigbarer Austausch von Lichtstrahlungsenergie zwischen den beiden Leitern 22 und 23 stattfindet, wenn die Wellenlänge des durch die Leiter laufenden Lichts kürzer als 1 Mikrometer ist.

Ein anderes mit dem anhand Fig. 1 beschriebenen Verfahren hergestelltes typisches Produkt ist in Fig. 3 gezeigt. Die sensibilisierte und belichtete Probe 31 aus Polymethylmetacrylat ist mit Leitern 32 und 33 versehen, deren Parameter ähnlich denjenigen der Leiter 22 und 23 gemäß Fig. 2 sind. Der grundsätzliche Unterschied gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Probe besteht darin, daß die Lichtleiter 32 und bei der Probe 31 gemäß Fig. 3 voneinander um weniger als

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10 Mikrometer, ζ. B. um 1 Mikrometer getrennt sind, so daß eine beträchtliche Lichtkopplung zwischen den Leitern auftritt, wenn die Lichtwellenlänge wenigstens 0,4 Mikrometer (4000 X) beträgt.

Es ist zu erkennen, daß diese Kopplung zwischen den Leitern 32 und 33 eine Richtkopplung ist, wobei von einer ersten Quelle 34 an einem Ende des Leiters 32 eingeleitetes Licht derart in den Leiter 33 eingekoppelt wird, daß es sich in Richtung einer ersten Weiterverwendungsvorrichtung durch den ^Leiter ausbreitet. Andererseits würde von einer zweiten Lichtquelle 36 in das entgegengesetzte Ende des Leiters eingeleitetes Licht bei Fehlen der Lichtquelle in den Leiter 33 derart eingekoppelt werden, daß es aus dem Leiter in Richtung einer zweiten Weiterverwendungsvorrichtung 37 austritt.

Die SchaltungsmÖglich^keiten bei der Verwendung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkten werden im einzelnen in Artikeln von E. A. J. Marcatili in Bell System Technical Journal, Band 48 Seite 20 71 (September 1969) und Band 48 , Seite 2103 (September 1969) diskutiert.

Ein zweiter besonderer Belichtungsschritt als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit der in Fig. 4 ge-

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zeigten Vorrichtung durchgeführt.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 wird ein in einer Quelle entwickeltes dickes ultraviolettes kohärentes Strahlbündel durch ein zuvor belichtetes und entwickeltes Hologramm 42 geleitet, das das ultraviolette Strahlbündel der Quelle 41 nach bekannten holografischen Techniken in Form eines Musters in einer sensibilisierten Probe 43 abgebildet. Das von dem Hologramm in Abhängigkeit von der Bestrahlung in der Probe 43 erzeugte Muster ergibt sich daraus, daß in einigen Bereichen der Probe 43 das Licht fokussiert und von gewiesen anderen Bereichen der Probe ferngehalten ist, Dieses Netzwerk umfaßt die Leiter 44A, 44B und 44C. Die Leiter 44A bis 44C können ähnliche Eigenschaften wie die anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Leiter haben.

Der Belichtungsshritt der Fig. 4 kann als holografischer Belichtungsschritt charakterisiert werden; d.h.j die sensibilisierte Probe wird holografisch belichtet, um ein Leiternetz 44A, 44B und 44C auszubilden, das durch die Originalformation des Hologramms 42 bestimmt ist.

In einem typischen Beispiel wird ein fotografischer Film mit Interferenzlicht-Wellenfronten oder als Gegenstandsstrhjal und Referenzstrahl bezeichneten Strahlbündeln belichtet und danch zur Herstellung Hologramms 42 entwickelt.

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Die Herstellung des Hologrammbildes erfolgt durch bekannte Verfahren, die keiner genaueren Erläuterung bedürfen. So wurden beispielsweise fokussierende Hologramme, wie das Hologramm 42, bisher benutzt, um zwei-dimensionale fotografische Abzüge von Hologrammen mit dreidimensionaler Information herzust&len. Insbesondere werden fokussierande Hologramme, wie das Hologramm 42, dadurch hergestellt, daß man einen geeigneten fotografische η Film mit einem durch ebene Wellen gebildeten Referenzstrahl und einem winkelmäßig versetzten Gegenstandsstrahl bestrahlt, die das gewünschte Muster simulieren bzw. wiedergeben, um beispielsweise den Gegenstandsstrahl die Leiter 44A bis 44C ausbilden zu lassen. Die Möglichkeit einer dreidimensionalen Fokussierung mit Hologrammen ist im Artikel von T.J. O'Hara et al im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 11, 1168 (Februar 1969) aufgezeigt.

Die Erfindung, und vorteilhafterweise das anhand Fig. 4 besprochene Verfahren, kann zur Herstellung optischer Speicher verwendet werden, sofern die Probe 43 in der zuvor erläuterten Weise sensibilisiert und nach ihrer Belichtung in der ebenfalls beschriebenen Weise gealtert wird. .

Die Belichtungstechnik nach Fig. 4 sollte nicht mit der Herstellung eines Hologramms in der Probe 43 verwechselt werden. Solche Möglichkeiten sind weiter unten angeführt.

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In einer dritten Variation kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden» Auch die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung ist hauptsächlich für die Durchführung des Belichtungsschrittes zweckmäßig, während die Sensibilisierungs- und Alterungsschritte die gleichen bleiben wie die bei den zuvor beschriebenen Beispielen.

Zum Zwecke des Belichtens weist die Vorrichtung nach Fig. 5 einen mit einer Flüssigkeit 52 gefüllten Behälter 51 auf. Die Flüssigkeit 52 ist gemäß einem typischen Beispiel ein klares Öl, dessen Index einer Faser bzw. einem Faden 53 aus Poly(Methylmetacrylat) angepaßt ist, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem optischen Leiter gemacht werden solle Der Faden 53 aus Poly(Methylmetacrylat) mit einem Durchmesser von 2 Mikrometer wird sensibilisiert und wie bisher bei etwa 50⁰C polymerisiert und danach auf eine Vorratsspule 54 gewickelt. Die Faser bzw. der Faden läuft von der Vorratsspule, die mit einer an ihrem Umfang angreifenden Spannungs-Einstellvorrichtung versehen ist, über eine erste Führungsrolle 55 aus lichtdurchlässigem Material mit angepaßtem Brechungsindex und eine zweite Antriebs- und Führungsrolle 56 aus lichtdurchlässigem Material mit ebenfalls angepaßtem Brechungsindex auf eine Aufwickelspule 57, auf der die Faser bzw.» der Faden in der erfindungsgemäß vorgesehenen Weise gealtert wird. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, sind die Führungsrollen

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55 und 56 in die Flüssigkeit 52 eingetaucht, so daß der sich zwischen den Rollen erstreckende Fadenabschnitt zentral in dem flüssigkeitsgefüllten Körper liegt.

In der linken Wand des Behälters 51 ist eine ultraviolette Linse 58 eingebaut, welche ultraviolettes Licht von einer geeigneten Laserquelle 59 in der Mitte zwischen den Rollen 55 und 56 auf den Faden 53 richtet, um ihn zu belichten. Dadurch wird der Brechungsindex in einer für einen Leiter geeigneten Weise in Querrichtung geändert.

Wie bei den zuvor erläuterten Belichtungsschritten hat das intensive ultraviolette Licht an der Fokusstelle des gebündelten Strahls eine ausreichende Intensität, um eine Brechungsindexänderung derart hervorzurufen, daß der Brechungsindex im Zentrum des Fadens am größten und am Rand des Fadens am niedrigsten ist, wobei die Gesamtdifferenz der Brechungsindizes zumischen dem Zentrum

—4 und dem Randbereich etwa 5 χ 10 ist, oder allgemeiner nach den Definitionen des elektrischen Feldes ausgedrückt, etwa 1 χ 10" χ E ist, wobei E die ultraviolette Energie bei einer Bestrahlung mit 3250 S Licht von einem · Cadmiumionenlaser ist. Bei Bestrahlung mit 3650 S. Licht von

1 6 einem Quecksilberlichtbogen ist der Wert y χ 10 E.

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Dieser Belichtungsschritt unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Belichtungsschritten dadurch, daß das sensibilisierte Medium bei seiner Belichtung axial zum ultravioletten Strahl bewegt wirdo Diese kolliniare oder axiale Bewegung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung wirksam, da das ultraviolette Licht außerhalb des'Fokusbereiches eine zu geringe Intensität hat, um einen wesentlichen Einfluß auf den Brechungsindex des Fadens entsprechend den oben beschriebenen, angenähert linearen Beziehungen zwischn der Brechungsindexänderung und der ultravioletten Energie nehmen zu können«, Der Durchmesser der Ein3±türungsstelle des Strahls ist der Minimaldurchmesser bei einer Intensität von e der zentralen oder axialen Intensität, welcher am theoretischen Brennpunkt der Linse 58 auf der Faser 53 auftritt.

Wenn sich die Faser 53 der Fokusstelle des Strahls von links aus nähert, so erfährt sie eine sehr kleine Indexänderung, bis sie in eine Zone eintritt, die sich zu beiden Seiten der Fokusstelle des Strahls über einige Mikron erstreckt. Danach wird sie axialsymmetrisch belichtet bzw. beleuchtet. Die Faser bzw. der Faden wird sodann aus der Fokusstelle des Strahls abgezogen und unterliegt wiederum einem geringen Effekt derart, daß eine sehr glatte und axialsymmetrische transversale Änderung des Indexes hervorgerufen wird, die dem Gradienten der Lichtintensität an der Fokusstelle des Strahls sehr nahe kommt.

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. Der Faden 53 wird sodann auf die Aufwickelspule gewickelt und auf dieser gealtert. Danach kann der Faden als optischer Lichtleiter für Licht verwendet werden, dessen Wellenlänge außerhalb des lichtempfindlichkeitbereichs des Fadens liegt.

Eine unbeabsichtigte Änderung oder Zerstörung des Indexgradienten wird durch einen Absorber 60 für ultraviolettes Licht verhindert, welcher nahe der der Linse 58 gegenüberliegenden Wand des Behälters 51 angeordni ist und eine Reflexion von ultraviolettem Licht auf den Faden 53 verhindert.

Dieser Belichtungsschritt kann im einzelnen mathematisch beschrieben werden; die anderen Belichtungsschritte können durch eine etwas abgewandelte Berechnungsweise beschrieben werden.

Nimmt man an, daß das ultraviolette Licht von einem Helium-Cadmium-Ionenlaser in dem Gauss'sehen ^Grundtyp bei 3250 R erzeugt wird, so ist es möglich., die sich aus verschiedenen Strahlung anwendenden Verfahren ergebende effektive integrierte Strahlungsdichte innerhalb des Poly4Methylmetacrylat) zu beschreiben. Unter der weiteren Annahme, daß die Änderung des Brechungsindexes an einem beliebigen Punkt direkt proportional zu der integrierten Strahlungsintensität an dieser Stelle ist, kann man den Gleichgewichtsradius des Lichtstrahls

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.abschätzen, der sich in einem durch ultraviolette Bestrahlung nach jedem der unterschiedlichen Belichtungsschritte gebildeten lichtleiter bewegt.

Ein axialsymmetrischer gauss¹scher Strahl kann durch seine Leistungsdichte an einem Punkt z, r wie folgt beschrieben werden, wobei ζ der Abstand von der Einschnürungs- bzwo Fokusstelle des Strahls und r der radiale Abstand von der Strahlachse ist:

2r²
ρ (z,r) = p(z,O)e w _z (1)

Hierbei ist p(z,0) die Leistungsdichte auf der Achse bei ζ und w der sogenannte Strahlradius bei z, d.h. der Abstand, bei dem die Amplitude der Strahlung e der Strahlungsamplitude auf der Achse ist. Der Faktor 2 in der Gleichung (1) trägt der Tatsache Rechnung, daß die Intensitäten und nicht die Amplituden behandelt werden.

w_z ist durch die folgende Gleichung gegeben:

W^ = wj|l + zfj (2)

wobei Wq der Strahlradius an der Fokus- bzw. Engstelle ist und Z durch

7-7 . X C\\

£· — Zi · ρ V ~> I

mit λ ist gleich die Wellenlänge im Medium.

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Ohne Verluste im Medium ergibt sich nach dem Energieerhaltungsprinzip :

p(z,0) = Wq P₀, (4)

wobei p^die Leistungsdichte auf der Achse an der Engbzw. Fokusstelle ist, die die höchste Leistungsdichte im Strahl ist.

Es kann leicht gezeigt werden, daß P, die Gesamtleistung im Strahl, durch

¹ 2
P = ₇fwj p₀ (5)

gegeben ist. Führt man eine andere dimensionslose Variable

r
R =— ein, so läßt sich die Leistungsdichte an irgendeiner

^w0 p(z,r) Stelle im Strahl durch eine dimensionslose Zahl D=

wie folgt beschreiben:

η— 1 7 — 1

D = (Ϊ + Z²J exp - (2R² [l + Z²J ). (6)

Ein gauss'scher Strahl mit dieser Intensitätsverteilung im Medium, in dem der Brechungsindex proportional zur einfallenden Strahlung ist, ruft eine Verteilung des Brechungsindexes mit identischen Proportionen' hervor, vorausgesetzt, daß die Indexänderung sehr klein ist.

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Es wurde experimentell beobachtet, daß im wirksamen Bereich der Belichtungsstärken bzw.-Intensitäten die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorgerufene Änderung des Brechungsindexes angenähert proportional zur integrierten einfallenden Strahlung (oder ultravioletten Energie) ist. Demzufolge scheint die Gleichung (6) auf die Verteilung der Brechungsindexänderung anwendbar zu seine

Bei vielen erfindungsgemäßen Verfahrensbeispielen ergibt sich eine relative Bewegung zwischan dem Strahl und dem Medium; wenigstens zwei dieser Relativbewegungen wurden in Verbindung mit den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 5 beschrieben. Eine dritte verwendbare Bewegung wäre die Rotation des Mediums um eine die Strahlachse schneidende, zu ihr senkrechte Achse. Diese Bewegungsform kann bei der Ausführungsform nach Fig. 5 erreicht werden, wenn der Abstand zwischen den Rollen 55 und 56 zu Null gemacht würde, d.h. nur eine einzige Führungsrolle verwendet wird. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die in den Fig. 1 und verwendeten Relativbewegungen zu kombinieren.

Eine weitere mathematische Ableitung der in Fig. 1 verwendeten Querbewegung kann benutzt werden, um das relative Leistungsdichteverhältnis zu beschreiben, das bei der Erzeugung einer entsprechenden linear bezogenen Änderung des Indexes ^n wirksam ist. Es gilt für das Leistungsdichte verhältnis D^

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^WO - 2x²

1 ■ — 1

_z ²)~ exp -pX² (I₊Z²) ], (8)

_2£ _ j

wobei X =w_n und Z = =4r ist. wie zuvor.

Tw₀

Die Verbindungslinien von Punkten gleicher Leistungs dichteverhältnisse zwischen null und neun Zehnteln ähneln Ellipsen, wenn sowohl X als auch Z klein sind. Man kann in diesem Falle Gleichung (8) mit X und Z wie folgt erweitern:

^z - ^{2X +} ■§■ ^z + ^x + 2X +...., (9)

wobei angenommen wird, daß die Brechungsindexänderung proportional zur Intensität des elektrischen Feldes ist.

Die Gleichung (9) zeigt, daß das bestrahlte Medium bei den Beispielen gemäß Fig. 1 oder 4 für genügend kleine Vierte von X und Z gleich einem linsenartigen optischen Leiter ist, obwohl es kein rotationssymmetrischer Leiter ist, wie er auf dem Gebiet der optischen Wellenleiter gewöhnlich verwendet wird. Dieses Fehlen der normalen Rotationssymmetrie bedeutet, daß ein optischer Wellentyp, der sich in einem solchen Leiter ausbreitet, statt der Kreissymmetrie

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elliptische Symmetrie hat. Die quasi elliptischen Linien gleicher Leistungsdichte können durch ihre Achsen wie folgt beschrieben werden:

■fl

X₀ = W₀ -M4? (l-D) (10)

Z₀ »-j—£ ."^2(1-D₁) ! (11)

daher ist

^X0 h . (12)

An dieser Stelle ist es zweckmäßig, sich zu vergegenwärtigen, daß der halbe Konvergenzwinkel 9~ eines gauss'sehen Strahls durch die Gleichung

gegeben ist, so daß man durch Einsetzung in Gleichung (12) erhält

ζ ~ 2
ο

Es ist nicht überraschend, daß man einen Strahl mit sehr großen Konvergenz- Halbwinkeln verwenden muß, wenn man

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einen Leiterquerschnitt nach den anhand Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren miir Proportionen bzw. Verhältnissen erzielen will, die nicht zu verschieden von 2:1 sind.

Der Unterschied in der Brechungsindexverteilung in einem Leiter mit elliptischer Symmetrie besteht im Gegensatz zu einem Leiter mit eher kreisförmiger Symmetrie hauptsächlich darin, daß man zumindest für die gemäß Fig. 1 und 4 verwendeten Belichtungsschritte Strahlachsen getrennt in zwei orthogonalen Koordinaten zu berücksichtigen hat.

Die durch die Bestrahlung hervorgerufene Brechungsindexverteilung sei wie folgt beschrieben:

n(x,z) = H

₊4ü ⁿ0

(15)

wobei Δη die Maximaländerung an der Fokus- bzw. Engstelle des Strahlbündels ist. Eine Näherungsgleichung für den Gleichgewichtsstrahlradius w_Q in der z-Richtung ist wie folgt gegeben:

-, 2

Tw,

(16)

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so daß sich

a W,

0 ' _λ ^n , (17)

ergibt, wobei λ die Wellenlänge des geführten Lichts ist.

Andererseits gilt als Näherungsgleichung für den Gleichgewichtsstrahlradius in der x-Richtung:

Ein besseres Ergebnis bezüglich dieser Parameter könnte eine Lösung der Wellengleichung aus der tatsächlichen Brechungsindexverteilung liefern, vielleicht mit Hilfe der Rechenmethode von Pox und Li, die in dem bekannten Artikel über "Fokussierungslinsen-artige Medien "Resonant Modes in a Maser Interferometer", Bell System Technical Journal, 40, 443 (1961) abgehandelt ist.

Für die axiale Verschiebung einer ^robe 53 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 in Bezug auf den die Belichtung bewirkenden ultravioletten Laserstrahl können ähnliche Berechnungen durchgeführt werden, welche eine Lösung für die relative oder normierte Leistungsdichte gemäß folgender Gleichung liefern:

A = e~^R I₀ (R^) , (19)

¹¹ BAD

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r
wobei R=- und die anderen Größen gemäß obiger efini-

tion beibehalten werden.

Wenn R ^- 1, go ergibt sich

Δ_1Ί »1- R² +|x⁴- ..., ( 20 )

2 dies zeigt erneut, daß für kleine Werte von R ein Medium, in welchem der Brechungsindex proportional zur Intensität des angelegten ultravioletten Lichts ist, ähnlich/einem linsenartigen Medium wirkt. Im Gegensatz zu der oben für die Fig. 1 und 4 durchgeführten Ableitung ist die in diesem Falle erzielte radiale Intensitätsverteilung kreissymmetrisch und erheblich stärker derjenigen Art der Indexverteilung angenähert, welche eine Leiterwirkung in einem gasförmigen optischen Leiter hervorruft, d.h. die radiale Intensitätsverteilung kommt der gewünschten quadratischen Verteilung sehr nahe.

Es sollte beachtet werden, daß die oben beschriebenen IndexVerteilungen für optische Leitungszwecke sehr zweckmäßig sind und nur relativ geringe Mischung bzw. Umwandlung von Schwingungsformen hervorruft. Die bisher au f experimentellem Wege beobachtete Modenmischung bzw. -umwandlung rührt in erster Linie von den Oberflächeneffekten an den Eintritts- und Austrittsstellen des Leiters und nicht von umformenden oder verzerrenden Einflüssen der transver-

BAD

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seilen Brechungsindexverteilung im Leiter her. Daher kann davon ausgegangen werden, daß mit den oben beschriebenen Verfahren hergestellte optische Leiter für die Zwecke der Leitunc; sichtbarer Lichtstrahlen geeigneter Wellenlänge in der au vor beschriebenen Weise besonders zweckmäßiqj sind.

Es i ~>t ferner darauf hinzuweisen, daß aufgrund von Effekten an der Eintritts- und Austrittsseite des Leiters hervorgerufene Modenumwandlungen durch Verbesserung der Qualität der Eintritts- und Austrittsoberflachen reduziert werden können, da diese Oberflächen sorgfältig behandelt und dann poliert und mit einem Antireflexbelag versehen werden können. Modenurnwandlungen können auch durch Verwendung anderer Verfahren zum Einkoppeln in die Lichtleiter verringert werden.

Die obigen Erläuterungen zeigen, daß alle oben beschriebene Verfahrensbeispiele unter ein allgemeines Verfahren fallen, wie es im Flußdiagramm gemäß Fig. 6 dargestellt ist. In einem ersten Verfahrensschritt wird die ^robe für die bei der Belichtung verwendete ultraviolette Strahlung sensibilisiert. In einem typischen Beispiel umfaßt der Sensibilisierungsschritt das Zusetzen von Peroxiden zu einem Acrylat, um eine

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lichtinduzierte Vernetzung irn Poly(Acrylat) zu ermöglichen. Vorzugsweise schlieft .<_;ich an diesen Schritt der Polymerisationsschritt an, obwohl die Reihenfolge dieser Schritte nicht wesentlich ist.

Bei dem Belichtungsschritt 6 2 wird die sensibilisierte Probe mit fokussiertem ultraviolettem Licht bestrahlt, das seine größte Intensität an der Stelle hat, wo der Leiter auszubilden ist. Das ultraviolette Licht ist so gewählt, daß es die Weiterbildung komplexer Moleküle, wie die Vernetzung einiger der Moleküle in der sensibilisierten Probe fördert.

Im letzten Verfahrensschritt G3 wird der optische Leiter oder das Muster von optischen Leitern in der Probe sodann

•τ

vorzugsweise durch Alterung fertiggestellt. Die Alterungs— zeit hängt von der besonderen Sensibiliserung und der Belichtung der Probe ab.

Im folgenden werden versuchsweise theoretische Erläuterungen gegeben, die den experimentellen Beobachtungen entsprechen, die Erfindung jedoch nicht beschränken oder festlegen sollen·

Während des Belichtens wird vermutlich das ultraviolette Licht von den Peroxiden zur -Bildung aktiver Radikale absorbiert, welche die Vernetzung der Polyraerenketten fördern.

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Hs -ist su erkennen, daß der molekular-strukturelle Vorgang der Vernetzung die Dichte in den belichteten Bereichen erhöht.

Es wird ferner angenommen, daß die Vernetzung anfänglich Zugspannungen hervorruft, die die Polymerenketten zusammenzuziehen suchen. Das Material sucht diesen Spannungen zu widerstehen, so daß während der Belichtung Druckspannungen in der ^robe aufgebaut werden. Durch Material f luß von der Umgebungszone in die bestrahlte Zone können diese Druckspannungen abgebaut und die Zugspannungen reduziert werden; jedoch tritt dieser Materialfluß zum großen Teil nicht sofort ein. Daher ist die anfängliche Vergrößerung der Dichte den Vernetzungen zuzuschreiben und der sofortigen Materialverschiebung zugeordnet.

Auf jeden Fall erhöht sich während der Belichtung die Dichte des Materials in dem belichteten Bereich und zeigt eine komplexere Struktur an.

Während des AlterungsSchrittes ruft die zuvor beschriebene Vernetzung oder eine andere Strukturänderung Druck- und Zugspannungen in der Probe an der Stelle hervor, wo sie belichtet wurde. Ein Abbau der Druckspannungen und eine dementsprechende Verminderung der Zugspannungen könnte sodann dadurch stattfinden, daß Material über eine entsprechende eitspanne in die bestrahlten Zonen fließt.

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* Es ergibt sich eine weitere Erhöhung der Dichte und des Brechungsindexes in diesen Zonen, sowie ein steilerer Gradient bzw, Zuwachs dieser rößen.

Aus der vorhergehenden Erläuterung ergibt sich, daß die Peroxide während der Belichtung bedeutungsvoll sind und der Inititator keine Rolle spielt. Es scheint wünschenswert zu sein, das gesamte verbleibende stabile Initiatorbeiprodukt, das außerhalb der Leiter bleibt, in eine Form umzuwandeln, bei der es auf eine spätere Belichtung mit ultravioletter Strahlung nicht mehr ansprechen kann. Dieser Zweck kann teilweise dadurch erreicht werden, daß man in der Ausgangsprobe nur gerade eine solche Menge des Initiators verwendet, wie zur Erzeugung der oben beschriebenen Ergebnisse erforderlich ist·

Zu deü für das in Fig. 6 dargestellte allgemeine Verfahren geeigneten Ausgangsmaterialien gehören eine große Zahl von Kunststoffen, die sich für eine optische Übertragung eignen und deren Brechungsindex auf fotochemisehern Wege geändert werden kann. Hierfür kommen vor allem Polymethymetacrylat und andere Metacrylate und Acrylate sowie einige Alternativen infrage. Bei einigen dieser Substanzen könnte eine Strahlung bei einer Wellenlänge außerhalb des ultravioletten Bandes ebenfalls zu einer Indexänderun£ führen. In diesen Faallen wird die zu führende Strahlung vorzugsweise eine

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größere Wellenlänge als die Belichtungsstrahlung haben, obwohl auch eine kürzere, nicht-schädigende Wellenlänge geeignet sein könnte«.

Außerdem kann der Belichtungsschritt bei einigen dieser Materialien auch durch Teilchenstrahlung, z. B. Elektronen- oder Neutronenstrahlung durchgeführt werden; vorzugsweise geht dem Belichtungsschritt bei Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Sensibilisierungsschritt voraus und nach dem Belichtungsschritt folgt der Alterungsschritt.

Das neue Verfahren kann auch zur Herstellung eines optischen Speichers verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines optischen Speichers unterscheidet sich von auf der Grundlage einer optischen Störung in Lithiumniobat arbeitenden Verfahren dadurch, daß die Probe sensibilisiert und danach die durchgeführten Indexänderungen in der oben beschriebenen Weise gealtert werden. Der Belichtungsschritt unterscheidet sich nicht wesentlich von den bisher bekannten Verfahren zum Herstellen optischer Speicher, die Indexänderungen in transparenten Medien verwenden. Selbstverständlich können solche Indexänderungen in drei Dimensionen vorgenommen werden, wodurch ein sehr großes Gesamtvolumen und eine sehr hohe Dichte des Informationsspeichers geschaffen werden·

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Außerdem kann das neue Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Hologramme zu allgemeinem Verwendungszweck benutzt werden. In diesem Falle werden interferierende Gegenstands- und Referenzstrahlen aus kohärentem ultraviolettem Licht zur Belichtung der sensibilisierten Probe verwendet·

Eine weitere Abwandlung der Erfindung liegt darin, daß der Wellenlängenbereich für die Belichtung des sensibilisierten Poly(Methylmetacrylats> sich über den größten Teil des weichen ultravioletten Bereichs erstreckt der ^ wie festgestellt wurde, im Bereich von etwa 4000 Α* bis etwa 2800 R liegt. Andere Materialien haben selbstverständlich einen etwas anderen Belichtungsempfindlichkeitsbereieh· Außerdem können andere Sensibilisatoren dem PoIy-(Methylmetacrylat) und anderen Kunststoffen, Poly(Acrylaten) und polymerisierbaren Materialien zugefügt werden, um den Belichtungsschritt anstatt bei ultraviolettem Licht bei sichtbarem Licht durchführen zu können.

Weitere Anwendungsfälle der Erfindung sind in Fig» 7 und β gezeigt»

Es ist häufig notwendig, Resonanzreflektoren - eine Vorrichtung zum Reflektoren von Licht einer besonderen WeI-lenlänge - für optische Wellenleitung oder andere Anwen-

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dungsfälle herzustellen. Vgl· S. E. Miller's oben genannten Artikel in Bell System Technical Journal; ferner H. Kogelnik, Bell System Technical Journal, 48, 2909 (1969). Eine derartige Reflektion kann durch Bildung einer Reihe paralleler Ebenen von abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex mit dem Abstand d zwischen Squivalejten Ebenen hervorgerufen werden (Lippmann-Bragg-Reflektor). Die Vorrichtung zum Erzeugen der erforderlichen Indexänderung in Poly(Methylmetacrylat) ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt, wo zwei ultraviolette Strahlen, welche aus demselben Laser durch Strahlaufteilung abgeleitet sind, sich unter einem Winkel 2 θ schneiden. Der interplanare Abstand wird durch die Bragg-Formel bestimmt:

2η sin θ

wobei λ. die Wellenlänge der bestrahlenden Strahlen von den Quellen 71 und 72 oder Öl und 82 und η der Brechungsindex des Mediums 73 oder 83 sind. Der Winkel 0 wird auf der Innenseite des Mediums 71 oder 83 gemessen und die Brechung anöer Oberfläche muß berücksichtigt werden. Wenn θ kleiner als der Grenzwinkel für totale innere Reflexion ist, so gilt

cos

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Claims

mit θ =48 für Poly(Methylmetacrylat). Danach müssen die Eintrittsebenen in Fig. 7 unter einem zu den Reflexionsebenen geneigten Winkel poliert werden. Der von unten einfallende Strahl kann gemäß einem alternativen Beispiel eliminiert werden, wobei der interferierende Strahl durch Totalreflexion des oberen Strahls an der unteren Fläche erzeugt wird. Bei der Ausführung gemäß Fig. 7 können die Oberflächen der Probe schräg zu den Reflexionsebenen stehen. Auf diese Viel se können z. B. Beugungsgitter hergestellt werden. Fig. 8 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 7 dadurch, daß die parallelen Ebenen des hohen und niedrigen Indexes nicht, mit Oberflächen der Proben zusammenfallen. Diese Figur zeigt, daß die Oberflächen von den reflektierenden paralleler/Ebenen beträchtlich entfernt sein können. Solche parallelen Ebenen mit hohem und niedrigem Index können auch als eindimensionale Leiter für Licht dienen, das (z· B· von links) zwischen ihnen unter einem Winkeleintritt, der zu ihrer Normalen den kritischen Winkel θ übersteigt. Daher kann die in Fig. 8 gezeigte Vorrichtung entweder ein Reflektor oder ein Leiter sein. Im letzteren Fall werden parallele polierte Probenoberflächen 84 und 85 normal zu den parallelen Ebenen - erhöhten Indexes vorgesehen. Das zu.leitende Licht kann dann leicht eingeführt werden. 109840/^728 WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED 21 1 ? 5 7 New York JfI Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen eines Musters unterschiedlichen Brechungsindexes in einer lichtdurchlässigen Materialprobe, wobei die Materialprobe einer Energie ausgesetzt wird, die denjenigen Schwellwert übersteigt, bei dem eine Änderung des Brechungsindexes einzutreten beginnt,

dadurch gekennzeichnet, daß polymerisierbares Material auf elektromagnetische Strahlung eines ausgewählten Wellenlängenbereiches derart sensibilisiert wird, daß es eine Änderung seines Brechungsindexes erfährt, wenn es Strahlung dieses Wellenlängenbereiches ausgesetzt wird, daß das Material zur Bildung der Materialprobe polymersiert wird und daß die Materialprobe einem Muster fokussierter elektromagnetischer Energie des ausgewählten Wellenlängenbereiches ausgesetzt wird·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß beim Bestrahlen der Probe ein ultravioletter monochromatischer Strahl derart fokussiert wird, daß die Fokus- bzw. Engstelle des Strahls in der Probe liegt, und daß die Probe zwecks Ausbildung eines optischen Leiters mit angenähert elliptisch-symmetrischem Querschnitt kontinuierlich quer bzw. seitlich zur Fokusstelle bewegt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß beim Bestrahlen der Probe, die ein "in einer Flüssigkeit mit angepaßtem Brechungsindex befindlicher Faden ist, ein im wes ent lichen/honochromati scher Strahl in der Probe fokussiert wird und daß der Faden axial zur Strahlachse bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bestrahlen der Probe ein Bestrahlungsmuster dadurch gebildet wird, daß die Strahlung durch ein die Strahlung in das Muster fokussierendes Hologramm geschickt wird und daß ein Strahl monochromatischen Lichts durch das Hologramm in dem fokussierten Muster auf die ^robe übertragen wird.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß beim Sensibilisieren von einem polymerisierbaren Material ausgegangen wird, dem Peroxide zugesetzt werden, und daß das Polymerisieren des Materials bei einer Temperatur erfolgt, welche die durch die Peroxide geschaffene Sensibilisierung nicht beeinträchtigt,

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß als abschließender Verfahrensschritt eine Alterung der bestrahlten Probe durchgeführt wird ο

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis G , dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial der Probe Methylmet&crylat benutzt wird und die Probe sensibilisiert und danach bei etwa 40 bis 50° C polymerisiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß das Methylmetacrylat einen Initiator für die Polymerisation enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß beim Bestrahlen der Probe zwei Bündel kohärenter elektromagnetischer Strahlung zwecks Bildung eines dreidimensionalen Musters unterschiedlicher Intensität zum Interferieren gebracht werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß dem Methylmetacrylat vor der Polymerisation ein Peroxid zugesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Peroxid entweder Dicumylperoxid oder Tertiär-Butylperbenzoat ist.

12. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Peroxid in der Ausgangsprobe dadurch gebildet wird, daß die Probe im Beisein von Sauerstoff einer diffusen ultravioletten Strahlung ausgesetzt wird.

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13. StoffZusammensetzung, gekennzeichnet durch ein lichtdurchlässiges Poly(-Acrylat) mit einem Peroxid, das geeignet ist, eine Vernetzung des Polymeren bei Bestrahlung hervorzurufen.

14. Zusammensetzung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Peroxid bei ultravioletter Bestrahlung Badikale bildet, um die Vernetzung herbeizuführen.

15. Zusammensetzung nach Anpruch 13 oder 14, g e k e η η-z e i c h η et durch ein transparentes Poly(-Acrylat), mit Zonen erhöhten Brechungsindexes, in denen das Polymer vernetzt ist.

16. Zusammensetzung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Zonen erhöhten Brechungs indexes fortlaufend sind und ausreichend vernetzt sind, um einen Strahl sichtbaren Lichts führen zu können.

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