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Abstract

Ein Verfahren zur Führung und Formung von elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung an länglichen Objekten ausgenützt wird und der Verlauf der länglichen Objekte gezielt vorgegeben wird, so dass durch den räumlichen Verlauf und die räumliche Anordnung der länglichen streuenden Objekte die elektromagnetische Strahlung entlang der länglichen streuenden Objekte in beliebiger Richtung und zu beliebigen Orten geführt und das Querschnittsintensitätsprofil der elektromagnetischen Strahlung und damit deren Intensität verändert werden kann.A method for guiding and shaping electromagnetic radiation, characterized in that the scattering is exploited on elongated objects and the course of the elongated objects is specified, so that by the spatial course and the spatial arrangement of the elongated scattering objects, the electromagnetic radiation along the elongated scattering objects in any direction and to any location out and the cross-sectional intensity profile of the electromagnetic radiation and thus their intensity can be changed.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Führung und Formung von elektromagnetischer Strahlung gemäß Anspruch 1.The The invention relates to a method for guiding and shaping electromagnetic radiation according to claim 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, sowohl die Ausbreitungsrichtung bzw. den örtlichen Ausbreitungsverlauf von elektromagnetischer Strahlung als auch deren Querschnittintensitäts- und Winkelverteilung gezielt zu manipulieren. Der Nachteil der bisher verwendeten Methoden, wie Linsen, Spiegel oder optische Fasern, besteht z. B. darin, dass diese einen aufwendigen Herstellungsprozess benötigen und somit für viele Anwendungen zu teuer sind. Weitere Nachteile der seither verwendeten Bauteile sind die Zerstöranfälligkeit bei Bestrahlung mit hoher Intensität oder die begrenzte Fähigkeit, die oben angeführten Manipulationsmöglichkeiten zu erfüllen. Außerdem setzen obige Verfahren nicht-streuende Materialien voraus.Of the Invention is based on the object, both the propagation direction or the local propagation history of electromagnetic radiation as well as their Querschnittsintensitäts- and Targeted manipulation of angle distribution. The disadvantage of the past methods used, such as lenses, mirrors or optical fibers, exists z. B. in that this is a complex manufacturing process need and thus for many applications are too expensive. Other disadvantages of the used since then Components are the damage susceptibility when irradiating high intensity or the limited ability to the above manipulation possibilities to fulfill. In addition, put above methods precede non-scattering materials.

Diese Nachteile weist in vielen Fällen das in Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren nicht auf. Bei der Erfindung wird ausgenützt, dass die elektromagnetische Strahlung durch einen länglichen Streuer, z. B. ein Zylinder, mit einer Länge viel größer (z. B. 10 Mal; für einige Anwendungen reicht auch, wenn die Länge z. B. nur zwei oder drei Mal so groß wie der Durchmesser ist, d. h. aber, dass die Qualität der Führung der elektromagnetischen Strahlung nicht mehr so hoch ist) als der Durchmesser, nur in bestimmte Richtungen gestreut wird. Für die optischen Eigenschaften des länglichen Streuers wird nur vorausgesetzt, dass sich sein Brechungsindex von dem des umliegenden Mediums unterscheidet, d. h. der Effekt beruht auf Streuung und nicht auf Totalreflexion. Wie Zeichnung 1 zeigt, bildet die gestreute elektromagnetische Strahlung einen Kegel um den zylindrischen Streuer mit einem halben Öffnungswinkel ξ, der dem Einstrahlwinkel relativ zur Zylinderachse entspricht [1].These Disadvantages in many cases that listed in claim 1 Do not proceed. In the invention is exploited that the electromagnetic radiation through an elongated spreader, z. B. a Cylinder, with a length much larger (eg. 10 times; For some applications are sufficient even if the length z. B. only two or three Times as big as the diameter is d. H. but that the quality of the leadership of the electromagnetic Radiation is not so high) as the diameter, only in certain Directions is scattered. For the optical properties of the elongated spreader only becomes provided that its refractive index is that of the surrounding one Medium different, d. H. the effect is based on scattering and not on total reflection. As shown in drawing 1, the scattered forms electromagnetic radiation creates a cone around the cylindrical spreader with a half opening angle ξ, which is the Incident angle relative to the cylinder axis corresponds to [1].

Ist der Winkel ξ relativ klein, so wird der Öffnungswinkel des Streukegels entsprechend klein und die gesamte elektromagnetische Strahlung wird annähernd in Vorwärtsrichtung gestreut. Genauer betrachtet ist die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung nach der Streuung zwischen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung und einer um maximal 2 ξ veränderten Richtung. Je kleiner der Winkel ξ ist, desto isotroper ist die gestreute Intensität für verschiedene ϕ-Winkel entlang des Streukegels. Wird die Richtung, d. h. der Verlauf, des länglichen Streuers verändert und sind viele Streuer mit ähnlichen Verläufen vorhanden, so kann durch Vielfachstreuung an den länglichen Streuern die elektromagnetische Strahlung entlang der zylindrischen Streuer geleitet werden. Zeichnung 2 zeigt dies schematisch an einem Würfel, der aus zylindrischen Streuern besteht, die einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Die länglichen Streuer missen dabei nicht, wie in Zeichnung 2 gezeigt, über den ganzen Verlauf als ein Objekt hergestellt sein, sondern können aus vielen Teilen bzw. Abschnitten bestehen, die insgesamt den gewünschten Verlauf haben. Bedingung ist, dass diese streuenden Abschnitte wiederum länger (z. B. 10 Mal) als ihr Durchmesser sind. Das Verfahren ist prinzipiell für elektromagnetische Strahlen aller Wellenlängen geeignet.is the angle ξ relative small, so is the opening angle of the scatter cone correspondingly small and the entire electromagnetic Radiation becomes approximate in the forward direction scattered. More specifically, the propagation direction is the electromagnetic Radiation after scattering between the original propagation direction and one changed by a maximum of 2 ξ Direction. The smaller the angle ξ is, the more isotropic is the scattered intensity for different φ angles along the scattering cone. If the direction, i. H. the course, the elongated Spreader changed and are many spreaders with similar ones courses present, so may be due to multiple scattering at the elongated Scatter the electromagnetic radiation along the cylindrical spreader be directed. Drawing 2 shows this schematically on a cube, the consists of cylindrical spreaders, which have a curved course exhibit. The elongated ones Spreaders do not miss, as shown in drawing 2, over the can be made as an object throughout, but can be made up of many Parts or sections, the total of the desired Course have. Condition is that these scattering sections turn longer (eg. 10 times) than their diameter. The procedure is in principle for electromagnetic Rays of all wavelengths suitable.

Mit Hilfe der Monte Carlo Methode wurde die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung unter Berücksichtigung der Mehrfachstreuung für verschiedene Materialien, die zylindrische Streuer enthalten, berechnet. Die Monte Carlo Methode ist eine numerische Lösung der Transportgleichung und gilt als das Standardverfahren zur Berechnung der Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung in streuenden Medien [2]. Die für die Monte Carlo Methode benötigte Streucharakteristik an einem Zylinder wurde durch Lösungen der Maxwellgleichungen erhalten [3]. Es sei hier angemerkt, dass das beschriebene Verfahren auf Vielfachstreuung an Streuern beruht, die keine definierten Abstände haben müssen, d. h. zwischen den verschiedenen Streuorte muss keine definierte Phasenbeziehung der elektromagnetischen Strahlung bestehen. Zeichnung 3 zeigt die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung in einem Würfel, der aus zylindrischen Objekten besteht, deren Verlauf einen Viertelkreis bilden. Der Verlauf eines der Zylinder ist in der Zeichnung 3 zu sehen (dicke Kurve). Die elektromagnetische Strahlung trifft senkrecht zur Oberfläche, definiert durch y = –1 mm, an der Stelle (x, y) = (0 mm, –1 mm) auf den Würfel. Aufgetragen ist eine Projektion der dreidimensionalen Photonenwege in eine Ebene. Jeder Punkt in der Zeichnung stellt den auf eine Ebene projektierten Ort einer Streuung dar. Man sieht, dass die elektromagnetische Strahlung in dem hier untersuchten Fall um 90° abgelenkt werden kann.With Help of the Monte Carlo method was the propagation of electromagnetic Radiation under consideration the multiple scattering for various materials containing cylindrical spreaders calculated. The Monte Carlo method is a numerical solution of the transport equation and is considered the standard method of calculating the spread of electromagnetic radiation in scattering media [2]. The for the Monte Carlo method needed Streucharakteristik on a cylinder was through solutions of Maxwell equations obtained [3]. It should be noted here that the described method based on multiple scattering on spreaders, the no defined distances need to have, d. H. between the different scattering places no defined Phase relationship of the electromagnetic radiation exist. drawing 3 shows the propagation of the electromagnetic radiation in one Cube, which consists of cylindrical objects whose course is a quarter circle form. The course of one of the cylinders is in the drawing 3 to see (thick curve). The electromagnetic radiation hits vertically to the surface, defined by y = -1 mm, at the position (x, y) = (0 mm, -1 mm) on the cube. applied is a projection of the three-dimensional photon paths into a plane. Each point in the drawing represents the projected to a plane Place of a scattering dar. One sees that the electromagnetic radiation in the case investigated here can be deflected by 90 °.

Durch andere räumliche Verläufe der länglichen Streuer können im Prinzip beliebige Strahlverläufe erzielt werden, d. h. die elektromagnetische Strahlung kann zu beliebigen Punkten im Raum durch Streuung geführt werden. Durch die Mehrfachstreuung wird die elektromagnetische Strahlung zu einem gewissen Maß aufgeweitet, was aber, falls dieser Effekt unerwünscht ist, durch eine Erhöhung der Streuung, z. B. durch Erhöhung der Konzentration der länglichen Streuer, reduziert werden kann, siehe Zeichnung 3b). Mit ähnlichen Rechnungen kann man zeigen, dass elektromagnetische Strahlung durch einen konvergierenden bzw. divergierenden Verlauf der länglichen Streuer fokussiert bzw. defokussiert werden kann.By other spatial courses the elongated one Spreaders can in principle, any desired beam paths be achieved, d. H. the electromagnetic radiation can be to any Points in space are guided by scattering. Due to the multiple scattering the electromagnetic radiation is widened to a certain extent, but, if this effect is undesirable, by increasing the scattering, z. B. by increasing the concentration of the elongated ones Spreader, can be reduced, see drawing 3b). With similar Bills can be shown to show that electromagnetic radiation passes through a converging or diverging course of the elongated Spreader can be focused or defocused.

Der Brechungsindex der länglichen Streuer und der des umgebenden Materials sind für den beschriebenen Effekt nur in zweiter Ordnung (d. h. für die Streuwahrscheinlichkeit) wichtig (sofern sie nur unterschiedlich groß sind), d. h. die Führung der elektromagnetischen Strahlung funktioniert im Gegensatz zu Lichtleitfasern für quasi beliebige Materialien, vorausgesetzt die Absorption (Imaginärteil des Brechungsindex) ist ausreichend klein, was aber auch für Lichtleitfasern eine Voraussetzung ist. Ist die Absorption der streuenden Strukturen und des umgebenden Materials genügend klein, so können Transmissionsgrade von quasi 100% erreicht werden.The refractive index of the elongated spreader and that of the surrounding material are for the be described effect only in the second order (ie for the scattering probability) important (if they are only different sizes), ie the guidance of electromagnetic radiation works in contrast to optical fibers for virtually any materials, provided that the absorption (imaginary part of the refractive index) is sufficiently small but this is also a requirement for optical fibers. If the absorption of the scattering structures and the surrounding material is sufficiently small, transmittances of almost 100% can be achieved.

Eine kleine Auswahl möglicher Anwendungen ist:

  • • Kostengünstige Fokussierung des Sonnenlichts zur Effizienzsteigerung von Solarkraftwerken
  • • Streuscheibe ohne Verluste durch Rückstreuung
  • • Führung für (Laser-)Strahlung hoher Intensität
  • • Transparente Isolationsmaterialien
  • • Koppler von elektromagnetischer Strahlung (Aufteilung in oder Zusammenführung von Teilstrahlen)
  • • Leitung bzw. Fokussierung von Röntgenstrahlung
  • • Erhöhung der Ortsauflösung bei der Transmission von elektromagnetischer Strahlung durch streuende Materialien (z. B. für Leuchtstoffschichten)
  • • Beschichtung von Lampen zur gezielten (auch diffusen) Lichtabstrahlung
A small selection of possible applications is:
  • • Cost-effective focusing of the sunlight to increase the efficiency of solar power plants
  • • Diffuser without loss due to backscatter
  • • Guide for (high intensity) laser radiation
  • • Transparent insulation materials
  • • Coupler of electromagnetic radiation (division into or combination of partial beams)
  • • Conduction or focusing of X-rays
  • Increasing the spatial resolution in the transmission of electromagnetic radiation by scattering materials (eg for phosphor layers)
  • • Coating of lamps for targeted (even diffuse) light emission

Literaturverzeichnisbibliography

  • [1] C. F. Bohren and D. R. Huffman: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, John Wiley & Sons, New York, USA (1983).[1] C.F. Bohr and D.R. Huffman: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, John Wiley and Sons, New York, USA (1983).
  • [2] L. Wang, S. L. Jacques, L. Zheng: MCML – Monte Carlo Modeling of Light Transport in Multi-Layered Tissues, Comput. Meth. Programs Biomed. 47, 131–146 (1995).[2] L. Wang, S.L. Jacques, L. Zheng: MCML - Monte Carlo Modeling of Light Transport in Multi-Layered Tissues, Comput. Meth. Programs Biomed. 47, 131-146 (1995).
  • [3] H. A. Yousif and E. Boutros: A FORTRAN Code for the Scattering of EM Plane Waves by an Infinitely, Long Cylinder at Oblique Incidence, Comput. Phys. Commun. 69, 406–414 (1992).[3] H.A. Yousif and E. Boutros: A FORTRAN Code for the Scattering of Plane Waves by an Infinite, Long Cylinder at Oblique Incidence, Comput. Phys. Commun. 69, 406-414 (1992).

Erläuterung zu den ZeichnungenExplanation to the drawings

Zeichnung 1 zeigt schematisch die Streuung einer elektromagnetische Welle an einem ('unendlich' langen) Zylinder.drawing 1 schematically shows the scattering of an electromagnetic wave on an ('infinitely' long) cylinder.

Zeichnung 2 zeigt die schematische Darstellung der Führung einer elektromagnetischen Welle durch Streuung an länglichen Objekten.drawing 2 shows the schematic representation of the guidance of an electromagnetic Wave due to scattering on elongated Objects.

Zeichnung 3a) zeigt den Weg von 8 'Photonen' durch einen streuenden Würfel mit Seitenlänge 2 mm, berechnet mit der Monte Carlo Methode. Die Photonen werden an der Stelle (x, y) = (0 mm, –1 mm) in y–Richtung eingestrahlt. Die zylindrischen Streuer bilden Viertelskreise mit Radius 1 mm, von denen einer (dicke Kurve ohne Punkte) eingezeichnet ist.drawing 3a) shows the path of 8 'photons' through a scattering one cube with side length 2 mm, calculated using the Monte Carlo method. The photons become on the position (x, y) = (0 mm, -1 mm) in the y direction irradiated. The cylindrical spreaders form quarter circles with Radius 1 mm, one of which (thick curve without points) drawn is.

Zeichnung 3b) zeigt die gleiche Rechnung wie bei 3a), aber hier wurde die Konzentration der Streuer um den Faktor 4 erhöht.drawing 3b) shows the same calculation as in 3a), but here was the Concentration of the spreader increased by a factor of 4.

Claims (17)

Ein Verfahren zur Führung und Formung von elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung an länglichen Objekten ausgenützt wird und der Verlauf der länglichen Objekte gezielt vorgegeben wird, so dass durch den räumlichen Verlauf und die räumliche Anordnung der länglichen streuenden Objekte die elektromagnetische Strahlung entlang der länglichen streuenden Objekte in beliebiger Richtung und zu beliebigen Orten geführt und das Querschnittsintensitätsprofil der elektromagnetischen Strahlung und damit deren Intensität verändert werden kann.A method for guiding and shaping electromagnetic radiation, characterized in that the scattering is exploited on elongated objects and the course of the elongated objects is specified, so that by the spatial course and the spatial arrangement of the elongated scattering objects, the electromagnetic radiation along the elongated scattering objects in any direction and to any location out and the cross-sectional intensity profile of the electromagnetic radiation and thus their intensity can be changed. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung Gammastrahlung ist.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used is gamma radiation is. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung Röntgenstrahlung ist.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used X-ray radiation is. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung im ultra-violetten Wellenlängenbereich liegt.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used in ultra-violet Wavelength range lies. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used is in the visible wavelength range. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich liegt.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used is in the infrared wavelength range. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich liegt.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used in the microwave range lies. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung im Radiowellenbereich liegt.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used in the radio wave range lies. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektromagnetische Strahlung durch den räumlichen Verlauf und die räumliche Anordnung der länglichen streuenden Objekte fokussiert oder defokussiert wird.A method according to claim 1, characterized that the electromagnetic radiation used by the spatial Course and the spatial Arrangement of oblong scattering objects is focused or defocused. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Realteil des Brechungsindex der länglichen Streuer größer als der des umgebenden Materials ist.A method according to claim 1, characterized that the real part of the refractive index of the elongated scatterer is larger than that of the surrounding material. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Realteil des Brechungsindex der länglichen Streuer kleiner als der des umgebenden Materials ist.A method according to claim 1, characterized that the real part of the refractive index of the elongated scatterers is smaller than that of the surrounding material. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der länglichen Streuer kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.A method according to claim 1, characterized that the diameter of the elongated spreader less than the wavelength electromagnetic radiation. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der länglichen Streuer bis zu 10 Mal größer ist als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung.A method according to claim 1, characterized that the diameter of the elongated spreader up to 10 times larger as the wavelength of the electromagnetic radiation. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der länglichen Streuer 10 bis 100 Mal größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.A method according to claim 1, characterized that the diameter of the elongated spreader 10 to 100 times larger than the wavelength of the electromagnetic radiation is. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der länglichen Streuer mehr als 100 Mal größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.A method according to claim 1, characterized that the diameter of the elongated spreader more than 100 times larger than the wavelength of the electromagnetic radiation is. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle länglichen Streuer in eine Richtung ausgerichtet sind und ihre Ausrichtung in dem gesamten optischen Element nicht verändern.A method according to claim 1, characterized that all oblong Spreaders are oriented in one direction and their orientation do not change in the entire optical element. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Streuer beliebig geformte räumliche Verläufe aufweisen.A method according to claim 1, characterized that the elongated ones Spreader arbitrarily shaped spatial courses exhibit.
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