Vorrichtungen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, bei dem Pulse elektrisch geladener Teilchen erzeugt und dann durch ein zu diesen Pulsen phasensynchron wechselndes Feld gezielt moduliert werden.

Solche Verfahren sind im Stand der Technik aus der konventionellen

Hochfrequenztechnologie bekannt, wobei Pulse erzeugt werden, die zu monochromatischen elektromagnetischen Wellen kohärent sind, um auf diese Weise elektrisch geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) zu beschleunigen. Die elektromagnetischen Wellen wurden dabei von metallischen Resonatoren erzeugt, wobei die relativ große Wellenlänge solcher

Wechselfelder zu enormen Ausmaßen und Kosten für die Realisierung der heutigen

Teilchenbeschleuniger führte. Für die konventionellen metallischen Hochfrequenz- Resonator-Strukturen, die bis in den der GHz-Bereich gingen (Periodendauern von >=

100 ps) war es bislang ein relativ leicht lösbares Problem, mit einer Teilchenquelle genügend kurze, zu den Wechselfeldern synchrone Pulse (<= 10 ps) mit definierter Phasenbeziehung zum elektromagnetischen Hochfrequenzfeld bereitzustellen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Technik erheblich zu verkleinern.

Dies wird durch ein Verfahren zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen erreicht, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Es wird ein Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugt.

b) Es wird ein Laserlicht mit der Periodendauer T erzeugt.

c) Aus dem Strahl werden in Zeitfenstern ΔΤ, die ein Bruchteil der Periodendauer T dauern, Pulse ausgewählter Teilchen im Bereich einer vorgegebenen Geschwindigkeit ausgesondert, wobei die Pulsfolge bezüglich der Periodendauer T oder einem

ganzzahligen Vielfachen davon mit dem Laserlicht synchron ist. d) Die Pulse werden einem evaneszenten elektromagnetischen Feld an der Oberfläche einer Struktur, die einen periodischen Wechsel des Feldes erzeugt, zugeführt, wobei das Feld durch das Laserlicht oder durch ein phasenkorreliertes Laserlicht gleicher Frequenz entsprechend seiner Periodendauer T derartige Feldstärken aufweist, daß die Pulse den gleichen beschleunigenden, abbremsenden oder ablenkenden Kräften ausgesetzt sind. e) Der Schritt d) wird, wenn die Pulse das Feld passieren, mehrmals mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Kraftwirkungen wiederholt, bis die gewünschte Strahlmodulation erreicht ist. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Pulse von Teilchen zu erzeugen, die durch ihre Synchronität zu einem Laserlicht mittels eines durch dieses erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Feldes periodisch, z. B. an den Wellenbergen, modulierbar sind. Die Modulation kann dabei eine Beschleunigung, Bremsung oder Ablenkung oder eine beliebige Kombination daraus sein. Voraussetzung dafür ist es jedoch, Pulse von Teilchen zu erzeugen, die eine feste Phasenbeziehung zu dem Laserlicht haben, was voraussetzt, daß diese Pulse deutlich kürzer als die Periodendauer des Laserlichts sind.

Aus diesem Grund ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung die Verfügbarmachung von Vorrichtungen, die solche Pulse von Teilchen gemäß den oben genannten Merkmalen a), b) und c) erzeugen und schließlich auch Vorrichtungen, die derartige Pulse entsprechend der oben genannten Merkmale d) und e) derart modulieren, wie dies für die zahlreichen denkbaren Einsatzzwecke erforderlich ist.

Darum betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, wie Elektronen oder Ionen, wobei ein Teilchenstrahl durch einen

Vakuumkanal entlang der Oberfläche eines lichtleitenden Elements innerhalb der Reichweite eines evaneszenten elektromagnetischen Feldes geführt wird, wobei das Feld durch

Beaufschlagung des Elements mit Laserlicht induzierbar ist und durch den phasenlagen- abhängigen Richtungswechsel der Feldstärken auf die Teilchen beschleunigend, bremsend, vom lichtleitenden Element weg und zu ihm hin ablenkend wirkt. Eine solche, bisher hauptsächlich zur Teilchenbeschleunigung genutzte Vorrichtung ist ebenfalls bekannt.

Die zugrundeliegende physikalische Grundlage ist die Wechselwirkung eines geladenen Teilchenstrahls (in der Regel eines Elektronenstrahls) im Vakuum mit dem

elektromagnetischen Feld eines Lasers. Diese ist aus Gründen der Energie und Impulserhaltung nur im evaneszenten Feld von Materie möglich. Die Reichweite der

Wechselwirkung ist dabei nur von der Größenordnung einer Wellenlänge (Ao) des

verwendeten Laserlichts. D.h. der Teilchenstrahl muß im Vakuum und dabei in einem kleinen Abstand (< Ao) nahe der Materieoberfläche geführt werden, um eine Wechselwirkung zu erfahren. Es ist bekannt, daß innerhalb der Periodendauer des Lichts ein geladenes Teilchen durch die Wechselwirkung im evaneszenten Feld einer periodischen Lichtleiterstruktur je nach Phasenlage des elektromagnetischen Feldes eine Ablenkung, Beschleunigung, Abbremsung oder eine Kombination daraus erfährt. Die praktische Umsetzung der vorgenannten Wechselwirkung von Laserlicht mit geladenen Teilchenstrahlen ist in der Literatur beschriebenen, z. B.: P. Hommelhoff, J. Breuer „Dielectric laser acceleration of 28 keV electrons with the inverse Smith Purcell effect", in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 740, 2014, 1 14-1 16, oder E. A. Peralta et al.,„Demonstration of electron accelerationin a laser-driven dielectric

microsturucture", 7 November 2013, VOL 503, NATURE 91 . Aus diesen Veröffentlichungen sind auch entsprechende dielektrische Laserbeschleuniger (DLA-dielectric laser accelerator) bekannt. Das Prinzip wird zu Fig. 1 beschrieben. Dabei läuft ein Teilchenstrahl im Vakuum in geringem Abstand zur Oberfläche über eine von einem Laserstrahl beleuchtete kammartige transparente dielektrische Gitterstruktur, in welcher der Abstand der Kammzähne an die Geschwindigkeit (bzw. Energie) der Teilchen angepaßt sind. Die Periode der Gitterstruktur ist dabei A _per iode = ^ Ao < Ao (v = Geschwindigkeit des Teilchens, c = Lichtgeschwindigkeit) - das heißt also, daß die Periode der Gitterstruktur um den Faktor - kleiner sein muß als die c

Wellenlänge des Laserlichts. Im elektromagnetischen evaneszenten Feld der Gitterstruktur erfahren die geladenen Teilchen hierbei je nach Phasenlage des durch das Laserlicht induzierten evaneszenten Feldes bei ihrem Weg entlang der Oberfläche der Gitterstruktur durch die Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld eine mit der Länge derselben zunehmende Beschleunigung, Abbremsung sowie Ablenkung auf das Gitter zu oder weg davon, bzw. eine Kombination daraus. Bei einer derartigen Vorrichtung erfahren Teilchen mit der Länge der Gitterstruktur eine zunehmende Ablenkung und werden schon nach kurzer Bahnlänge in die Gitterstruktur hinein abgelenkt und an dieser gestreut, falls sie nicht entsprechend ihrer speziellen Phasenlage beim Eintritt in das evaneszente Feld nahezu unabgelenkt geblieben sind und dadurch zunehmend beschleunigt werden können. Die Streuung an der Gitterstruktur führt zum Energieverlust, zu elektrischen Aufladungen der DLA-Struktur und anderen unerwünschten Effekten, wie im Fall von sehr hohen Teilchenenergien und hohen Strahlströmen zur Zerstörung der Gitterstruktur durch die in diese abgelenkten Teilchen.

In der US 7,994,472 B2 wird eine Vorrichtung dieser Art vorgeschlagen, bei der eine

Ablenkung von Teilchen des Strahls parallel zum Vakuumkanal, also nicht in Richtung der Gitterstruktur, erzielt wird. Dies wird durch eine Gitterstruktur erreicht, die in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel zur Richtung des Strahls, also schräg, verläuft. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist eine ultraschnelle sinusförmige Richtungsänderung der Teilchen innerhalb des Vakuumkanals. Die damit erzielten kohärenten Gamma- oder Röntgenfrequenzen werden für Detektoren, medizinische Behandlung, Wiggler usw. genutzt. Die für das eingangs genannte Verfahren erforderlichen Pulse können damit jedoch nicht erzeugt werden.

Der Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung verfügbar zu machen, die die Pulse elektrisch geladener Teilchen für das oben genannte Verfahren erzeugt.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der oben genannten Art dadurch gelöst, daß das lichtleitende Element eine gekrümmte dielektrische Struktur aufweist, wobei diese zur Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes mittels eines monochromatischen und polarisierten Laserlichts derart ausgebildet ist, daß die zur Phasenlage des Laserlichts bezüglich eines vorgegebenen Zeitfensters ausgewählten Teilchen des Strahls im Bereich maximaler Ablenkung durch das Feld weitere Ablenkungen in Richtung der dielektrischen Struktur derart erfahren, daß sich die ausgewählten Teilchen entlang der gekrümmten dielektrischen Struktur in dem Feld bewegen, wobei eine Blende, die nach dem

Vakuumkanal vorgesehen ist, nur die Teilchen des durch das Zeitfenster gebildeten Pulse hindurchläßt.

Die Krümmung der dielektrischen Struktur hängt von der Homogenität des Laserlichts ab. Bei homogenem Laserlicht ist die Krümmung ein Kreissegment, bei inhomogenem Laserlicht muß die Krümmung der Beleuchtungsverteilung angepaßt werden (sie ist in der Regel kreisförmig oder parabolisch). Das Material, aus dem die dielektrische Struktur besteht, muß für das verwendete Laserlicht möglichst transparent sein und sollte eine hohe

Durchbruchfeldstärke aufweisen. Übliche Materialien sind z.B. Quarz, Silizium, Siliziumnitrit, Saphir oder Magnesiumfluorid. Für nicht so hohe Laserleistungen sind auch transparente Polymere denkbar.

Das hier verwendete Laserlicht liegt bezüglich der Wellenlänge in einem Bereich von 0,2 μ bis 20 μ. Ein günstiger Bereich mit leistungsstarken monochromatischen Laserquellen bewegt sich etwa zwischen 0,6 bis 1 1 μηη. Die Polarisation des Laserlichts ist dabei im Normalfall parallel zur Bahntrajektrorie der eintretenden Teilchen gerichtet.

Eine Funktionsoptimierung erfolgt dadurch, daß die Krümmung der dielektrischen Struktur und die Periodizität des durch diese Struktur erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Feldes an die Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen derart angepaßt sind, daß dies zu maximalen Ablenkungen der durch das Zeitfenster ausgewählten Teilchen führt, wobei sich die Ablenkungen auf dem Weg der Teilchen entlang der dielektrischen gekrümmten Struktur aufsummieren.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird es möglich, nur die Teilchen auszuwählen, die sich in einem Bereich maximaler Ablenkung in eine Richtung befinden, nicht die in eine andere Richtung abgelenkten Teilchen und nicht die beschleunigten oder die abgebremsten Teilchen. Die Auswahl der Teilchen erfolgt dadurch, daß das evaneszente Feld der gekrümmten dielektrischen Struktur entlang dieser Krümmung Kräfte auf die Teilchen ausübt, die diese in Richtung der Krümmung ablenken. Durch eine Abstimmung der Periodizität des Feldes mit der Geschwindigkeit der Teilchen wird dann erreicht, daß einmal abgelenkte Teilchen sukzessive an jedem die Ablenkung bewirkenden Feldbereich weiter abgelenkt werden (Verstärkung), indem man das evaneszente elektromagnetische Feld mittels einer annähernd kreisförmigen oder parabolischen Formgebung des lichtleitenden Elements entlang der durch die Ablenkungen entstehenden Teilchenbahn führt, also die Krümmung derart auf die Geschwindigkeit und damit auf die Teilchenbahn der ausgewählten Teilchen abstimmt, daß diese sich für eine Aufsummierung der Ablenkungen immer im evaneszenten Feld bewegen, das sich in einem Bereich zwischen der Oberfläche des lichtleitenden Elements und einer Entfernung davon erstreckt, die ungefähr einer Wellenlänge des Laserlichts oder weniger entspricht. Alle schwächer, in eine andere Richtung oder nicht abgelenkten, also abgebremsten oder beschleunigten Teilchen verlassen den

Einflußbereich des entsprechend dem Lichtleiter gekrümmten evaneszenten Feldes und fliegen dann ohne weitere Krafteinwirkung geradeaus bis sie von der Blende abgefangen werden. Die ausgewählten Teilchen bewegen sich, immer wieder neue Ablenkungen erfahrend, innerhalb des evaneszenten Feldes auf die Blendenöffnung zu. Diese bestimmt durch ihre Öffnungsweite wie groß das Zeitfenster ist, das den Bereich der Auswahl der abgelenkten Teilchen begrenzt. Der für das Zeitfenster gewählte Bereich sollte weniger als einem Viertel der Periodendauer des Laserlichts entsprechen. Um jedoch kurze Pulse von Teilchen zu erhalten, welche nur eine geringe Beschleunigung oder Abbremsung - d.h. nur eine geringe Energieänderung - in Vorwärtsrichtung erfahren, sollte ein Bereich gewählt werden, der weniger als ein Achtel einer Periodendauer (T) des Laserlichts beträgt. Die Auswahl ist dabei immer ein Kompromiß, da die Vorteile kurzer Pulse mit dem Nachteil behaftet sind, daß diese möglicherweise zu wenige Teilchen enthalten.

Diese Pulse sind dann synchron mit den Feldstärkenamplituden des Laserlichts und weisen eine von der Blendenöffnung bestimmte Zeitdauer (ΔΤ) auf. Der geschilderte Ablenkungsvorgang findet - wie schon ausgeführt - in einem sehr geringen Abstand über dem gekrümmten lichtleitenden Element statt. Der Strahldurchmesser muß entsprechend der geringen Stärke des evaneszenten Feldes und eines starken exponentiellen Abfalls innerhalb eines Abstandes der Wellenlänge λο von der Oberfläche der dielektrischen Struktur entsprechend gering sein, vorzugsweise nur einen Bruchteil einer Wellenlänge,

beispielsweise bei einem Laser der Wellenlänge 1.500 nm ein Durchmesser von weniger als 150 nm. Auch in die Parallelität werden hohe Anforderungen gestellt, der Konvergenzwinkel sollte etwa 1 m rad oder weniger betragen.

Zur Wirkungsmaximierung kann auch ein astigmatischer Strahl verwendet werden, der eine geringe Dicke in einer Richtung senkrecht zum lichtleitenden Element aufweist und parallel zum lichtleitenden Element möglichst breit ist, so daß mehr Elektronen mit annähernd konstantem Abstand in dem dünnen evaneszenten Feld gehandhabt werden können.

Durch die Erfindung wird eine definierte Ablenkung von Teilchen erreicht, wobei das Maß der Ablenkung in eine Richtung durch die Länge der gekrümmten dielektrischen Struktur einstellbar ist. Der Abstand des Teilchenstrahls, die Intensität des Laserlichts und die Energie der Teilchen bestimmen dabei die Stärke der Krümmung und müssen aufeinander abgestimmt werden.

Der Bereich einer vorgegebenen Geschwindigkeit betrifft die gewünschte Energiebreite der ausgewählten Teilchen, die vom jeweiligen Anwendungsbereich abhängig ist. Sollen diese Teilchen beispielsweise in der Elektronenmikroskopie eingesetzt werden, wäre eine Energiebreite zwischen 0,5 und 10 eV zweckmäßig. Die Breite der Energieverteilung ΔΕ um eine mittlere Energie E sollte dabei möglichst von der Größenordnung der Photonenenergie hod = hc ^

des verwendeten Laserlichts oder geringer sein, wobei gilt:

Planksches Wirkungsquantum = h= 6,58... * 10 ^"16 eVs,

h( > = Photonenenergie,

c = Lichtgeschwindigkeit

Da die Blende zu langsame oder zu schnelle Teilchen abfängt, weil dann die Synchronität mit dem evaneszenten Feld auf der gesamten Länge der gekrümmten dielektrischen Struktur nicht mehr besteht, wirkt für Teilchenstrahlen mit größerer Energiebreite ΔΕ die oben beschriebene gekrümmte periodische dielektrische Struktur daher auch als Energiefilter.

Dieser Vorrichtung kommt neben der Pulserzeugung insoweit auch eine selbständige Bedeutung zu, daß sie - nach den Verfahrensmerkmalen a), b) und c) des Anspruchs 1 arbeitend - ausgewählte Teilchen eines vorgegebenen Geschwindigkeitsbereichs aus einem Strahl von Teilchen mit Geschwindigkeiten eines größeren Geschwindigkeitsbereichs aussondert und damit als Energiefilter wirkt. Es ist also möglich, die Vorrichtung auf die Verfahrensschritte a), b) und c) zu beschränken, wenn man nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit gewinnen will oder auch, wenn man diese in der gepulsten Form und/oder in Synchronität zu dem Laserlicht verwenden will, ohne eine weitere Modifikation

vorzunehmen. Zur Durchführung des gesamten Verfahrens bedarf es jedoch einer weiteren Vorrichtung der unten beschriebenen Art. Die Vorrichtung zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen mit dem Ziel, sie als Energiefilter einzusetzen oder die genannten Pulse zu erzeugen, kann auf

verschiedenste Weise ausgestaltet werden. Beispielsweise, so wie in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben, dazu wird weiter unten mehr ausgeführt. Die primär angestrebte Bedeutung dieser Vorrichtung ergibt sich daraus, daß sie die

Vorstufe für weitere Modulationen des aus diesen Pulsen gebildeten Strahls für vielfältige technische Anwendungen ist, die auf dem Prinzip der oben genannten Verfahrensschritte d) und e) beruhen. Diese weiteren Modulationen werden durch weitere Vorrichtungen nach dem Prinzip des Anspruchs 13 realisiert, wobei die Ansprüche 14 bis 23 Beispiele von Ausgestaltungsmöglichkeiten für verschiedenste technische Anwendungen angeben. Auch dazu finden sich weiter unten Ausführungen.

Das Prinzip beruht auf folgendem:

Die abgelenkten Teilchen haben die Form von Pulsen, deren Zeitdauer durch die Wahl des Zeitfensters mittels der Blende bis in den Attosekundenbereich abgesenkt werden kann. Dabei ist es von hoher Bedeutung für die praktischen Anwendungen, daß die Pulse eine definierte Phasenlage zu dem Laserlicht haben. Dadurch ist es möglich, solche Pulse mit einer definierten Phasenlage zu den Amplituden des Laserlichts bei einer Weiterverarbeitung gezielt einer Modulation mit evaneszenten Feldern eines phasenkorrelierten Laserlichts unterziehen, weil diese definierte Phasenlage es ermöglicht, durch Bildung eines

evaneszenten Feldes gezielt die Teilchen der Pulse mit Ablenkung, Beschleunigungs- oder Bremskräften zu beaufschlagen. Diese Synchronität erlaubt es nämlich, daß durch die Taktung zwischen Pulsen und Laserlicht immer nur die beabsichtigten Kräfte auf die

Teilchen wirken und andere Kräfte keine Wirkung entfalten können. Indem die Pulse in dieser Weise erneut in ein evaneszentes Feld dieses Laserlichts geführt werden, können sie auf einer geraden Strecke gezielt beschleunigt oder abgebremst werden, oder es ist möglich, mittels wiederum einer gekrümmten dielektrischen Struktur sie gezielt in eine bestimmte Richtung oder durch eine Vielzahl solcher Strukturen auch in räumlich modulierter Form abzulenken. Durch letzteres lassen sich optische Bauelemente der Teilchenoptik nachbilden. Dazu ist dann erforderlich, die Teilchenpulse gezielt mit der entsprechenden Phasenlage eines ebenfalls durch diesen Laser oder eines weiteren mit diesem frequenz- und

phasenkorrelierten Lasers erzeugten evaneszenten Feldes derart in Interaktion zu bringen, daß das Verhalten des jeweiligen optischen Bauelements nachgebildet ist.

Da auch in dieser weiteren Bearbeitung eines Strahls dielektrische Strukturen eingesetzt werden, deren Einzelinteraktionen mit den Pulsen im Lichtwellenlängenbereich des Lasers liegen, können diese Bearbeitungen von Strahlen elektrisch geladener Teilchen auf kürzesten Entfernungen und damit in einer extremen Miniaturisierung gegenüber der bisherigen Bearbeitung von Strahlen elektrisch geladener Teilchen vorgenommen werden. Beispiele solcher Anwendungen sind Teilchenbeschleuniger, Chopper, Linsen der

Teilchenoptik (Elektronenmikroskopie), ebenso Multipole, Phasenplatten, Energiefilter und sonstige Elemente der Teilchenoptik, Undulatoren (Teilchenbeschleuniger), Wiggler usw. Die dabei möglichen Miniaturisierungen betreffen nicht nur die Verkleinerung von Geräten, sondern auch den gerätetechnischen Aufwand und den Energieeinsatz. Realisieren läßt sich dies mit chipbasierten Wellenleiteroptiken, die sich sehr ökonomisch fertigen lassen. Anstelle von statischen elektronenoptischen Komponenten mit statischen elektrischen und magnetischen Feldern für Beschleunigung und Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen kämen dann gepulste Teilchenstrahlen mit von Lasern erzeugten synchronen evaneszenten Wechselfeldern in dielektrischen Strukturen, die um Größenordnungen kleiner sind als entsprechende statische Baugruppen. Ein weiterer Vorteil wäre hierbei die

Möglichkeit einer sehr schnellen elektronischen Parametereinstellung, z. B. mit Hilfe von variablen Abschwächern und Phasenschiebern, der mit Laserlicht betriebenen

elektronenoptischen Baugruppen.

Die folgenden Ausführungen betreffen zunächst die Betriebsweise und die Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Modulation des Strahls mit dem Ziel, die Pulse zu erzeugen: Dabei ist eine - relativ zur vorgenannten Miniaturisierung gesehen - lange (< 1 mm) gekrümmte dielektrische Struktur vorteilhaft, da dann auch eine schwächere Laserleistung notwendig ist, um den Strahl weit genug abzulenken, um hinter der Vorrichtung die ausgewählten Teilchen mittels der Blende bezüglich der Phasenlage auszusortieren. Neben der Verwendung eines kontinuierlichen Laser (CW-Laser) kombiniert mit kontinuierlichen Teilchenquellen sind wegen ihrer um Größenordnungen höheren Leistung auch gepulste Laser (Nanosekunden bis Femtosekunden Pulsdauer) zeitlich korreliert mit gepulsten Teilchenquellen vorteilhaft, um die dielektrische Struktur thermisch nicht zu belasten. Die Zeitdauer dieser Pulse (10 fs - 10 ns) ist aber um mindestens eine Größen- Ordnung länger als die Pulse der hier beschriebenen Vorrichtung mit den ausgewählten

Teilchen der gewünschten Phasenlage. Bei gepulsten Laserquellen hoher Intensität können entsprechend kürzere (z. B. < 20 μηη) gekrümmte dielektrische Strukturen verwendet werden. Eine relativ lange Laserwellenlänge des Laserlichts hat folgende Vorteile:

Das exponentiell abfallende evaneszente Feld hat eine größere Reichweite bei längeren Wellenlängen (im infraroten und fern infraroten), d.h. man kann sich einen größeren Abstand des Teilchenstrahls von der gekrümmten dielektrischen Struktur erlauben und man kann sich einen größeren Teilchenstrahldurchmesser und eine größere Strahldivergenz erlauben, um eine annähernd konstante Krafteinwirkung auf die Teilchen im Strahl zu erzielen. Beides begünstigt eine technische Realisierung.

Die gekrümmte dielektrische Struktur kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein:

So kann das lichtleitende Element als gekrümmte dielektrische Struktur eine Gitterstruktur mit einer sich periodisch wiederholenden oberflächennahen räumlichen Strukturänderung aufweisen. Diese räumliche Strukturänderung ist entlang der Krümmung aufgereiht, wobei die Periode A _per iode (siehe Fig. 1 ) der Gitterstruktur - * der Wellenlänge λο des Laserlichts oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist (v = Geschwindigkeit der Teilchen, c =

Lichtgeschwindigkeit). Bei schräg einfallendem Laserlicht muß dies um einen Faktor reduziert werden, der diesen Schrägeinfall berücksichtigt. Die räumliche Strukturänderung ist auf einem Grundkörper des lichtleitenden Elements angeordnet, wobei dieses Element sowohl auf der strukturabgewandten als auch auf der strukturzugewandten Seite mit dem Laserlicht beleuchtet werden kann.

Für die räumliche Strukturänderung gibt es zahlreiche Möglichkeiten, beispielsweise kann eine sich entlang der Krümmung erstreckende Zahnreihe vorgesehen sein. Dabei können verschiedene Zahnformen Verwendung finden, eckig oder abgerundet oder die Oberfläche kann auch eine Wellenform aufweisen. Auch eine sich unterhalb der Oberfläche entlang der Krümmung erstreckende Lochreihe weist den gewünschten Effekt auf. Weitere Möglichkeiten einer oberflächennahen strukturellen Formgebung des beleuchteten Dielektrikums, wie auf einer Oberfläche stehende Säulen oder Noppen oder lokale Änderungen des Brechungsindex, sind denkbar. Solche Strukturen werden gebräuchlich verallgemeinert auch als photonische Gitterstruktur bezeichnet

Die gekrümmte dielektrische Struktur wird durch den Laser mittels einer geeigneten

Linsenanordnung oder mittels eines Lichtwellenleiters mit getaperten Lichtleiterenden derart beleuchtet, daß eine homogene Wellenfront gleichzeitig auf alle Bereiche der Krümmung der dielektrischen Struktur trifft, d.h. die Laserlichtwellenfront ist der Krümmung möglichst exakt angepaßt. Für den Fall einer kreisförmig gekrümmten Struktur mit dem Krümmungsradius R, wie sie für eine homogene Beleuchtung konstanter Lichtintensität entlang der Struktur und einem Lichteinfall senkrecht zu deren Oberfläche zu wählen ist, hat die sich von einer Quelle im Abstand R von der Struktur ausbreitende Wellenfront innerhalb eines Kreissegments eine zirkuläre Form. Eine weitere Möglichkeit einer dielektrischen Struktur des lichtleitenden Elements besteht darin, eine kammartige Gitterstruktur mit entlang des Vakuumkanals aufgereihten Enden von Lichtwellenleitern vorzusehen. Diese Lichtwellenleiter müssen mindestens einen solchen Abstand aufweisen, daß eine Überkopplung von Laserlicht ausgeschlossen ist. Dabei ist dann jeder Lichtwellenleiter mit einer Vorrichtung zum Phasenschieben und zur Intensitätseinstellung ausgestattet, die zur phasensynchronen Einstellung des elektrischen Feldes dienen. Diese Einstellung an jedem Lichtwellenleiter sorgt dafür, daß an jedem Ende eines Lichtwellenleiters die entsprechende Kraftwirkung auf die ausgewählten Teilchen erfolgt, so daß sich diese entlang der gekrümmt aufgereihten Enden von Lichtwellenleitern bewegen und am Ende dieser Struktur eine Blende mit ihrer Öffnung das Zeitfenster der ausgewählten Teilchen bestimmt. Um eine besonders effektive Felderzeugung zu erzielen, können die Enden der Lichtwellenleiter auch strukturiert sein, beispielsweise, indem ihre Oberfläche bezüglich der Richtung des Teilchenstrahls quer verlaufende Schlitze aufweist oder sogar eine räumliche Strukturänderung, wie oben beschrieben.

Eine weitere Möglichkeit einer gekrümmten dielektrischen Struktur besteht darin, einen ring- oder schlaufenförmig geschlossenen Ringresonator vorzusehen. Dieser bildet in einem ersten Teilbereich die gekrümmte dielektrisch Struktur entlang des Vakuumkanals und in einem zweiten Teilbereich werden mittels Überkopplung von elektrischen Feldern aus dem Laserlicht eines anderen Lichtleiters Laserlichtwellen eingekoppelt. So laufen die Lichtwellen in dem Ringresonator und erzeugen das evaneszente elektromagnetische Feld, das in bereits beschriebener Weise in dem ersten Teilbereich wirkt. Dabei muß die Geschwindigkeit der Teilchen des zu bearbeitenden Strahls elektrisch geladener Teilchen an die

Phasengeschwindigkeit der Lichtwellen im Ringresonator angepaßt sein. Der Ringresonator muß dabei derart ausgestaltet sein, daß nur ein bestimmter Mode, die das gewünschte evaneszente Feld entlang des Vakuumkanals erzeugt, durch das eingekoppelte Laserlicht resonant verstärkt wird. Technisch läßt sich die Krümmung der dielektrischen Struktur auf verschiedene Weisen realisieren. Im einfachsten Fall wird sie durch Verbiegung - beispielsweise einstellbar mittels piezoelektrischer Elemente - eines dünnen periodisch mit einer Zahnreihe

mikrostrukturierten Wafers erlangt. Für eine effiziente und ökonomische Realisierung sind jedoch lithographische Methoden mit entsprechender Mikrostrukturierung vorteilhaft, die in der integrierten Optik zur Herstellung von Monomode-Lichtleitern, Resonatoren, Strahlteilern und Phasenschiebern auf einem Chip schon Stand der Technik sind. Dazu werden beispielsweise SiN-Lichtwellen-Leiter auf Quarzsubstraten oder auch Si-Lichtwellenleiter auf Saphir-Substraten benutzt, wobei die Substrate einen geringeren Brechungsindex als die Monomode-Wellenleiter aufweisen. Nicht nur für die Ausführungsform mit der Zahnreihe (Fig. 1 , 2), sondern auch insbesondere für die Ausführungsform der gekrümmten

dielektrischen Struktur mit dem kammartigen Lichtwellenleiter (Fig. 4, 6) oder den

Ringresonatoren (Fig. 5) bietet sich eine solche technische Lösung an.

Eine konkrete Ausgestaltung sieht vor, daß zur Erzeugung zweier entsprechend der Phasenverschiebung der evaneszenten Felder verschobener Bündel von Teilchenstrahlen beidseitig des Vakuumkanals zwei divergierend gekrümmte lichtleitende Elemente angeordnet sind. Die Ausgestaltung dieser divergierend gekrümmten lichtleitenden Elemente ist in jeder der vorbeschriebenen Ausgestaltungen möglich. Am Ende dieser Vorrichtung ist eine Blende vorgesehen, die zwei Blendenöffnungen aufweist, welche dem einen und dem anderen lichtleitenden Element zugeordnet sind und die dort austretenden ausgewählten Teilchen durch ihre Öffnung bestimmen. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung kann verschiedenen Anwendungszwecken dienen. Beispielsweise kann die beschriebene

Anordnung den Teilchenstrahl in zwei korrelierte Teilstrahlen aufspalten, die aufgrund ihrer quantenmechanischen Welleneigenschaft im Raum hinter der Blende zur Interferenz gebracht werden können. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel holographische

Experimente in der Elektronenmikroskopie oder andere Quanten- oder interferometrische Experimente mit Elektronen oder Ionen.

Der Vorrichtung kann ein Energiefilter vorgeordnet sein, der nur die Teilchen des Strahls hindurchläßt, die annähernd eine gleiche Geschwindigkeit aufweisen. Der Grund ist der, daß es vorteilhaft ist, wenn der Teilchenstrahl, ehe er in die dielektrische Struktur eintritt, eine möglichst kleine Energieunschärfe besitzt, d.h. alle Teilchen eine annähernd gleiche

Geschwindigkeit aufweisen, da nur dann eine große Anzahl von Teilchen die Blende hinter der Struktur passieren können, also eine große Ausbeute ausgewählter Teilchen möglich ist.

Die folgenden Ausgestaltungen betreffen die praktische Anwendung der vorgenannten Vorrichtung, wobei für eine solche praktische Anwendung eine weitere Vorrichtung der Strahlmodulation für den jeweiligen konkreten technischen Einsatzzweck dient: Das Grundprinzip einer solchen praktischen Anwendung sieht zunächst so aus, daß den Pulsen der ausgewählten Teilchen des Strahls nach der Vorrichtung zur Gewinnung der ultrakurzen Pulse von elektrisch geladenen Teilchen mindestens eine weitere Vorrichtung zur Strahlformung - jetzt des Strahls der Pulse ausgewählter Teilchen - nachgeordnet wird. Diese weitere Vorrichtung arbeitet ebenfalls mit einem evaneszenten elektromagnetischen Feld und weist ebenfalls eine dielektrische Struktur zur Erzeugung dieses Feldes auf. Im Wirkungsbereich dieses Feldes verläuft mindestens eine Bahn der ausgewählten Teilchen, wobei das Laserlicht zur Felderzeugung aus derselben Lichtquelle wie der Laser der Vorrichtung zur Erzeugung der Pulse stammt, durch einen optischen Strahlteiler abgezweigt wird oder aus einer Laserlichtquelle stammt, die die gleiche Frequenz wie der Laser zur ersten Vorrichtung hat und zu diesem phasensynchron ist, und dieses zur Beleuchtung der dielektrischen Struktur und damit der Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes dient. Wesentlich ist dabei die Synchronität zwischen den beiden Vorrichtungen. Deshalb kann man als Lichtquellen entweder eine gemeinsame Laserquelle benutzen, deren Strahl in einem optischen Strahlteiler aufgeteilt wird, oder zwei Laserlichtquellen, deren Frequenz und Phase korreliert sind.

Bei der zweiten Vorrichtung ist außerdem mindestens ein Phasenschieber und mindestens eine Intensitätseinstellung vorgesehen, so daß die Phasendifferenz zwischen beiden Vorrichtungen derart einstellbar ist, daß die der weiteren Vorrichtung zugeführten Teilchen durch das Feld definiert beschleunigt, abgebremst, bezüglich der Strahlintensität oder zur Bildung von Pulsfolgen moduliert oder in eine bestimmte oder einstellbare Richtung abgelenkt werden können. Die Pulse mit den Teilchen können dabei aus einer der

Vorrichtungen der oben genannten Art oder aus einer sonstigen Vorrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Pulse stammen, wenn diese eine Synchronität mit einem Laserlicht aufweisen.

Auch bei der weiteren Vorrichtung kann die dielektrische Struktur eine sich periodisch wiederholende oberflächennahe Strukturänderung aufweisen, so wie dies bereits oben zur pulserzeugenden Vorrichtung beschrieben wurde. Es ist auch möglich, entsprechend der obigen Beschreibung eine dielektrische Struktur aus Enden von Lichtwellenleitern zu bilden, deren Feldausbildung durch Phasenschieber und/oder Intensitätseinstellungen in der oben genannten Weise steuerbar ist. Die dritte Möglichkeit einer dielektrischen Struktur wäre - ebenfalls wie zur ersten Vorrichtung beschrieben - mindestens ein ring- oder schlaufen- förmig geschlossener Ringresonator. Bei dieser weiteren Vorrichtung kann die dielektrische Struktur entlang einer Geraden verlaufen, so daß die ausgewählten Teilchen beschleunigt oder abgebremst werden können.

Es ist jedoch auch möglich, daß die dielektrische Struktur als gekrümmte dielektrische Struktur einer Ablenkung der ausgewählten Teilchen dient. Dabei ist es insbesondere für viele Anwendungen interessant, wenn eine solche dielektrische Struktur derart räumlich verteilt angeordnet ist, daß die ausgewählten Teilchen räumlich verteilte Strahlenbündel bilden. Beispielsweise kann die räumliche Verteilung der Struktur rotationssymmetrisch sein, um mittels der Felderzeugung den Strahlteilchenverlauf einer optischen Rundlinse nachzubilden. Je nach Ausgestaltung und Phasenlage der in die Struktur eintretenden Teilchen kann dabei ein konvergierender oder ein divergierender Strahlengang erzielt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß durch eine räumliche Verteilung der Struktur, die n-fach achsensymmetrisch ist (n = Polanzahl), eine Felderzeugung mit phasenverschobenen Segmentabschnitten vorgesehen ist, so daß mittels wechselnder Polarisierungen der Segmentabschnitte der Strahlenverlauf eines Multipols nachgebildet werden kann. Dies ist dadurch zu erreichen, daß benachbarte Elemente der Anordnung jeweils eine Phasenschiebung um eine halbe Periode aufweisen, die sich durch die Einstellung von

Phasenschiebern verwirklichen läßt, die den Einzelelementen vorgeschaltet sind. Die

Einzelelemente werden dabei wieder von einer gemeinsamen oder einer phasenkorrelierten Laserquelle gespeist.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß eine abzubildende Probe eines

Elektronenmikroskops mit einem Beleuchtungsstrahl aus Pulsen ausgewählter Teilen beleuchtet wird. Die dielektrische Struktur ist dann derart ausgebildet, daß ausgewählte Teilchen eines direkten Strahls durch Abbremsung und/oder Beschleunigung gegenüber den von der Probe abgebeugten Strahlen ein Phasenversatz aufgeprägt wird, wobei eine derartige Phasenverschiebung erzielt ist, daß ein Phasenkontrastbild eines Elektronen- oder lonenmikroskops erzeugbar ist. Dazu weist die dielektrische Struktur einen strukturellen Phasenversatz um eine halbe Periode ( ^Ape " ^ode ) _au f.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen und praktische Anwendungen in schematischer

Darstellung. Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung des Standes der Technik zur Erläuterung des

physikalischen Prinzips, Fig. 2a bis 2d die Arbeitsweise der Erfindung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein Beispiel einer Laserlichtbeleuchtung für eine gekrümmte

dielektrische Struktur mit getapertem Lichtwellenleiter,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 und 6a ein drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit beidseitigen dielektrischen Strukturen Fig. 8 das Prinzip einer praktischen Anwendung,

Fig. 9 einen Strahlteiler zur Erzeugung von einem gepulsten

Teilchenwellenstrahl und einem gepulsten Referenzstrahl, Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine teilchenoptische Rundlinse mit mehreren gekrümmten dielektrischen Elementen

Fig. 10a einen Querschnitt durch Fig. 10 Fig. 11 und 11a einen teilchenoptischer Phasenschieber

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 40 des Standes der Technik zur Erläuterung des physikalischen Prinzips. Gezeigt ist der Schnitt durch ein lichtleitendes Element 4, das aus einem

Grundkörper 9 mit einer oberflächennahen räumlichen Struktur 8 auf der Seite eines Vakuumkanals 3 besteht, die hier als Zahnreihe 1 1 ausgebildet ist. Diese weist eine Teilung von Aperiode auf, die - mal der Wellenlänge Ao (5") des Laserlichts 5 entspricht (v =

Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen, c = Lichtgeschwindigkeit). Von Seiten der strukturabgewandten Seite 10 wird in dieses lichtleitende Element 4 ein Laserlicht 5 mit Ausbreitung in Richtung der Pfeile eingestrahlt. Eine solche Einstrahlung von Laserlicht 5 kann jedoch auch von der anderen Seite der räumlichen Strukturänderung 8 erfolgen. Durch dieses Laserlicht 5 bildet sich ein evaneszentes elektromagnetisches Feld 2 aus, das von der räumlichen Struktur 8 ausgehend ungefähr die Reichweite einer Wellenlänge (Ao) 5" des Laserlichts 5 hat. Auf dieser Seite ist der Vakuumkanal 3 ausgebildet, in den ein Strahl 1 elektrisch geladener Teilchen, z. B. ein Elektronenstrahl, eintritt. Die Pfeile zeigen die elektrischen Feldkomponenten des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2 an, wobei mit 2', 2", 2"' und 2"" die örtlichen Richtungswechsel der Feldstärken der elektrischen Feldkomponenten zu einem definierten Zeitpunkt dargestellt werden. Die Pfeile 41 ', 42', 43' und 44' an den Teilchen 41 , 42, 43 und 44 zeigen schematisch die

Geschwindigkeitsänderung bezüglich Betrag und Richtung durch die Krafteinwirkung des evaneszenten Feldes 2 in einer Momentaufnahme. Dabei wirken diese Feldstärken 2', 2", 2"', 2"" je nach ihrer Ausrichtung folgendermaßen ein: Das Bezugszeichen 41 zeigt ein Teilchen, das entsprechend der Pfeile der elektrischen Feldkomponenten eine

Beschleunigung 41 ' erfährt. Bezugszeichen 42 zeigt ein Teilchen, das entsprechend dieses Feldes eine Abbremsung 42' erfährt. Das Bezugszeichen 43 zeigt ein Teilchen, das eine Ablenkung 43' in Richtung des lichtleitenden Elements 4 erfährt. Schließlich zeigt das Bezugszeichen 44 ein Teilchen, das eine Ablenkung 44' dieses Teilchens weg vom lichtleitenden Element 4 erfährt.

Für eine sehr lange lichtleitende Struktur 4 und entsprechend hoher Feldstärke des

Laserlichts können bei dem sich im evaneszenten elektromagnetischen Feld 2 bewegenden Strahl 1 letzten Endes nur die Teilchen passieren, welche im Wesentlichen eine nur minimale Ablenkung erfahren, das sind hier die Teilchen 41 und 42. Die in Richtung des lichtleitenden Elements 4 abgelenkten Teilchen 43 fliegen schließlich in die Struktur des lichtleitenden Elements 4 hinein. Die vom lichtleitenden Element 4 weg abgelenkten Teilchen 44 verlassen den Wirkungsbereich des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2.

Deshalb werden derartige Vorrichtungen im Stand der Technik (Breuer et. al. a.a.O; Peralta et. al., a.a.O) hauptsächlich zur Beschleunigung eingesetzt oder durch die Maßnahme der US 7,994,472 B2 zur Erzeugung eines Teilchenstrahls mit einer ultraschnellen sinusförmigen Richtungsänderung, wie oben beschrieben. Für eine Beschleunigung von Teilchen ist nach dem Stand der Technik auch eine symmetrische Anordnung von zwei gegenüberliegenden periodischen dielektrischen Strukturen vorteilhaft, die durch den Vakuumkanal getrennt sind (Peralta, e. al., a.a.O.).

Die Fig. 2a bis 2d zeigen die Arbeitsweise der Erfindung anhand eines ersten Ausführungs- beispiels derselben.

Das Funktionsprinzip entspricht dem oben beschriebenen. Im Unterschied zu der eben beschriebenen Vorrichtung des Standes der Technik weist das lichtleitende Element 4 jedoch eine gekrümmte dielektrische Struktur 4' auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als räumliche Strukturänderung 8 mit einem Grundkörper 9 ausgebildet ist, wobei diese als Gitterstruktur 4' mit einer Zahnreihe 1 1 , die diese Krümmung vollzieht, ausgebildet ist. Die Krümmung dieser Gitterstruktur 4' ist hier bezüglich der Periodizität dieser Struktur und der Krümmung derselben an die Geschwindigkeit der elektrisch geladenen Teilchen 1 derart angepaßt, daß sich Teilchen 6 einer bestimmten Ablenkung innerhalb des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2 bewegen, indem sie der Krümmung dadurch folgen, daß sie durch das Feld 2 immer wieder die Ablenkung in Richtung des lichtleitenden Elements 4 erfahren. Es sind sozusagen Wiederholungen von Ablenkungen, wie sie oben anhand des Teilchens 43 mit der Ablenkung 43' dargestellt wurde. Im Gegensatz zum Stand der Technik fliegt hier jedoch das Teilchen 43 nicht in das lichtleitende Element 4 hinein, sondern folgt durch seine Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld 2 exakt der Krümmung und bewegt sich dabei in dem evaneszenten elektromagnetischen Feld 2 innerhalb der Reichweite dieses Feldes, die dem Ausdehnungsbereich von etwa einer Wellenlänge (Ao) 5" des Laserlichts 5 entspricht. Dadurch entstehen in Pulsen 46 auftretende ausgewählte Teilchen 6, die im Gegensatz zu Teilchen 45, die nicht oder in anderer Weise abgelenkt wurden, die Blendenöffnung T der Blende 7 passieren. Die nicht ausgewählten Teilchen 45 werden von der Blende 7 abgefangen. Da die Teilchen 6 hauptsächlich nur eine Kraftwirkung auf die dielektrische Struktur hin senkrecht zu ihrer momentanen Geschwindigkeitsrichtung erfahren, ändert sich die Geschwindigkeit bezüglich ihres Betrages und damit die Energie der Teilchen kaum.

Die Diagramme zeigen oben die Anzahl der Teilchen 51 in der Abhängigkeit von der Zeit t. Die ausgewählten Teilchen 6 weisen dabei die Form von Pulsen 46 auf, welche in der Periodendauer T - gezeigt mit dem Bezugszeichen 5' - des Laserlichts 5 auftreten. Das darunterliegende Feldstärke/Zeit-Diagramm 47 zeigt den Verlauf der zeitlichen Änderung der elektrischen Feldstärke in derselben Zeit t, welche auf die Teilchen je nach der Phasenlage 48 wirkt. Da die Blende 7 immer nur die am stärksten in eine Richtung abgelenkten Teilchen eines bestimmten Bereichs hindurchläßt, entstehen die Pulse 46. Alle anderen nicht ausgewählten Teilchen 45 gehen in die Blende 7. Da bei der Darstellung in Diagramm 47 die stärkste Auslenkung immer mit den maximalen Amplituden des elektrischen Feldes zusammenfällt, gibt die Blende 7 sozusagen ein Zeitfenster 6' der Dauer ΔΤ vor, in der die Teilchen 6 ausgewählt werden. Deren Weg ist mit dem durchgehenden Pfeil dargestellt, den die Teilchen 6 in der Darstellung links nehmen. Im Diagramm 45 zeigt der durchgehende Pfeil auf das Zeitfenster 6' dieser Teilchen 6. Teilchen, die nicht in diesem Zeitfenster 6' sind, sind durch den gestrichelten und strichpunktierten Pfeil symbolisiert. In der Darstellung links sieht man wie diese Teilchen 45, deren Weg durch die gestrichelten und strichpunktierten Linien dargestellt ist, in die Blende 7 gehen.

Die Fig. 2b und 2c zeigen darauf folgende Zeitpunkte mit unterschiedlichen Ablenkungen, wobei diese Teilchen jeweils als nicht ausgewählte Teilchen 45 in die Blende 7 gehen. Erst in der Fig. 2d wird wieder der Zeitpunkt des Auslenkungsmaximums erreicht, indem die ausgewählten Teilchen 6 wieder von der Blende 7 hindurchgelassen werden. Auf diese Weise entsteht der nächste Puls 46 im Abstand 5' vom vorhergehenden Puls 46, wobei auch dieser die Breite 6' des Zeitfensters ΔΤ aufweist.

Nach Verlassen des Einflußbereiches der gekrümmten dielektrischen Struktur 4' bewegen sich die ausgewählten Teilchen 6 auf einer geraden Flugbahn weiter, d.h. je weiter sich die Blende 7 von der Struktur entfernt befindet, desto einfacher ist es, die Teilchen 6 zu separieren. Will man jedoch eine besonders kurze Vorrichtung zur Strahlformung oder eine zu große Pulsverbreiterung aufgrund kleiner Unterschiede in der Teilchengeschwindigkeit vermeiden, ist es jedoch günstiger, eine größere Krümmung der dielektrischen Struktur mit entsprechend höherer Laserintensität zur Teilchenablenkung zu verwenden. Um

unerwünscht gestreute Teilchen zu eliminieren, ist es möglich, die Blende 7 entweder als einseitig oder doppelseitige Schneide bzw. als Lochblende geeigneter Form zu realisieren.

Fig. 3 zeigt eine Laserlichtbeleuchtung einer gekrümmten dielektrischen Struktur 4', wobei das Laserlicht 5 über ein getapertes Lichtleiterende 5"', das etwa die Dicke des Lichtleiters aufweist, aber kontinuierlich breiter wird, gleichmäßig der gekrümmten dielektrischen Struktur 4' zugeführt wird. Dabei wird die Lichtwellenfront exakt an die zu beleuchtende dielektrische Struktur 4' angepaßt, so daß sie gleichzeitig auf alle Bereiche der Struktur 4 trifft. Der Lichteinfall ist dabei in Richtung der Krümmungsradien R an jeder Stelle von deren Krümmung senkrecht auf die Struktur 4 gerichtet, wobei das getaperte Lichtleiterende 5"', am Mittelpunkt der Radien R beginnend, das durch den Lichtleiter kommende Laserlicht 5 über die gesamte Krümmung auffächert. Eine ähnliche Beleuchtung der gekrümmten

dielektrischen Struktur läßt sich aus der Kombination einer Zerstreuungslinse und einer Zylinderlinse erreichen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem die gekrümmte dielektrische Struktur als räumliche Gitterstruktur 4' des lichtleitende Elements 4, dadurch eine oberflächennahe räumlich Strukturänderung 8 erfährt, daß diese als eine Lochreihe 12 ausgebildet ist, welche unmittelbar unter der Oberfläche - in Richtung des Vakuumkanals 3 gesehen - liegt. Hier ist der Einfachheit halber ein gerader Abschnitt des lichtleitenden Elements 4 gezeichnet, der nach der Erfindung natürlich in der vorbeschriebenen gekrümmten Form verlaufen muß. Die Wirkung entspricht hier der oben beschriebenen.

Bezüglich einer weiteren Möglichkeit einer räumlichen Strukturänderung 8 verweisen wir auch auf eine säulenförmige Anordnung, die für einen Teilchenbeschleuniger in„Numerically optimized structures for dielectric asymmetric dual-grating laser accelerators", A. Aimidula et al., Phys. Plasmas 21 , 0231 10 (2014), beschrieben ist.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der das lichtleitende Element 4 als gekrümmte dielektrische Struktur eine kammartige Gitterstruktur 4" aus Enden 13 von monomoden Lichtwellenleitern 14 besteht. Die Enden 13 der Lichtwellenleiter 14 müssen einen Abstand aufweisen, der eine Überkopplung von Laserlicht 5 ausschließt. Um ein evaneszentes elektromagnetisches Feld 2 der bereits beschriebenen Wirkung zu erzeugen, sind für jeden der Lichtwellenleiter 14 eine Vorrichtung zum Phasenschieben 15 und eine Vorrichtung zur Intensitätseinstellung 16 (Abschwächung derselben) vorgesehen. Beide lassen sich als sehr schnell elektronisch einstellbare optische Baugruppen realisieren. Auf diese Weise werden auch hier Teilchen 6 ausgewählt, die an jedem Ende 13 eines

Lichtwellenleiters 14 eine derartige Ablenkung erfahren, daß sie der gekrümmten Struktur, die hier durch die aufgereihten Enden 13 der Lichtwellenleiter 14 vorgegeben wird, derart folgen, daß sie immer wieder derart abgelenkt werden, daß sie im evaneszenten

elektromagnetischen Feld 2 an den Enden 13 der Lichtwellenleiter 14 verbleiben. Auch hier wird am Ende eine Blende 7 vorgesehen, die durch ihre Blendenöffnung 7' das Zeitfenster 6' der ausgewählten Teilchen 6 vorgibt.

Das Laserlicht 5 wird hier von einer Laserlichtquelle kommend in einen Lichtwellenleiter eingespeist, der durch Strahlteiler 27 alle Lichtwellenleiter 14 mit demselben Laserlicht 5 versorgt.

Die Fig. 6 und 6a zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der das lichtleitende Element 4 als eine gekrümmte dielektrische Struktur 4"' mit einem ring- oder schlaufenformigen Ringresonator 17 aus einem Monomode-Lichtwellenleiter ausgebildet ist. Dieser Ringresonator 17 weist einen ersten Teilbereich 18 auf, der entlang des

Vakuumkanals 3 geführt ist und dort das evaneszente elektromagnetische Feld 2 erzeugt, welches der Ablenkung der Teilchen - wie schon beschrieben - dient. Der Ringresonator 17 ist dabei derart ausgelegt, daß sich nur ein Mode (transversaler Mode) ausbildet, dessen evaneszentes Feld 2 ähnlich dem des dielektrischen Elements 4' der Figuren 2a bis 2d nach dem zu der Fig. 1 beschriebenen physikalischen Prinzip wirkt. Auch hier wird am Ende der gekrümmten dielektrischen Struktur 4"' eine Blende 7 mit einer Blendenöffnung T

vorgesehen, die nur die ausgewählten Teilchen 6 des Zeitfensters 6' hindurchläßt. In den Ringresonator 17 wird in einem zweiten Teilbereich 19, der an einem anderen Lichtleiter 20 grenzt, das Laserlicht 5 zur Erzeugung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 2 eingespeist. Dies geschieht durch eine schwache evaneszente Kopplung zwischen

Ringresonator 17 und Lichtleiter 20 im Teilbereich 19.

Fig. 6a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der gekrümmten dielektrischen Struktur 4"' des ring- oder schlaufenformigen Ringresonators 17. Die mit plus und minus bezeichneten Kreise symbolisieren die maximalen positiven bzw. negativen Feldamplituden des Laserlichts 5 zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie dies bereits in den Diagrammen der Fig. 2a bis 2d dargestellt ist. Auch hier entstehen dabei evaneszente Felder 2, die sich mit derselben Phasengeschwindigkeit bewegen, wie die Teilchen, und welche die elektrisch geladenen Teilchen des Strahls 1 derart ablenken, wie das bereits oben beschrieben ist. Die

Wellenlänge im Lichtwellenleiter 20 des Ringresonators 17 wird von der Frequenz und der Dielektrizitätskonstanten n (typisch: 1 ,4 < n < 4) bestimmt und legt damit die Periodizität und Teilchengeschwindigkeit fest. Dadurch sind mögliche Teilchenenergien relativ eingeschränkt, jedoch ist die extrem hohe Güte ein großer Vorteil von Ringresonatoren, was es erlaubt, sehr große evaneszente Felder 2 zu realisieren, selbst wenn man den Resonator nur mit geringen Laserleistungen beschickt. Im unteren Bereich sind beispielhaft die Feldlinien eingezeichnet. Das Feld 2 wirkt selbstverständlich im Teilbereich 18, mit entsprechenden Feldlinien (die Einzeichnung unten erfolgte aus Platzgründen). Die Blende 7 mit der

Blendenöffnung T ist zweckmäßigerweise eine Lochblende, um die Pulse 46 ausgewählter Teilchen 6 allseitig zu limitieren.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit beidseitigen dielektrischen Strukturen, wobei dem lichtleitenden Element 4, 4' ein weiteres dielektrisches lichtleitendes Element umgekehrter Krümmung 4, 50 gegenüberliegend angeordnet ist.

Das Element umgekehrter Krümmung 50 wird ebenfalls mit Laserlicht 5 beleuchtet. Es kann dasselbe Laserlicht 5 sein, wie beim lichtleitenden Element 4', da dieses transparent ist, oder es kann - wie dargestellt - separat mit Laserlicht 5 beaufschlagt werden. Dabei müssen Geometrie und/oder Beleuchtung des Elements umgekehrter Krümmung 50 derart ausgebildet sein, daß das Element umgekehrter Krümmung 50 ein evaneszentes Feld 49 ausbildet, das die Ablenkung des evaneszenten Feldes 2 der erstgenannten dielektrischen Struktur 4' bezüglich der Ablenkung der ausgewählten Teilchen 6 verstärkt, diese also von der umgekehrten Krümmung des Elements 50 weglenkt. Der Abstand zwischen den geometrischen Formen der oberflächennahen Strukturen der Elemente 4 und 50 ist dabei so, daß sich die Felder 2 und 49 verstärkend überschneiden.

Da hier die nicht ausgewählten Teilchen des Strahls 1 in das Element mit der umgekehrten Krümmung 50 hineingehen, darf der Strahl 1 keine so hohe Energie aufweisen, daß sie für dieses Element 50 zerstörend wirken kann. Im Bereich der Elektronenmikroskopie sind die Energien beispielsweise entsprechend niedrig. Bei dieser Ausführungsform ist eine Blende 7 nicht zwingend erforderlich, da das Element 50 die nicht ausgewählten Teilchen 45 (nicht dargestellt) aufnimmt und dadurch die Funktion dieser Blende größtenteils übernimmt.

Definition: Im Sinne der Patentansprüche ist das dielektrische Element 50 - neben seiner Verstärkungsfunktion - eine Blende 7, da es auch das Zeitfenster 6' der Teilchen 6 für die Pulse 46 definieren kann.

Die Fig. 7 zeigt lediglich beispielhaft anhand von mit Zahnreihen 1 1 ausgestalteten dielektrischen gekrümmten Elementen 4', 50, wie eine solche beidseitige dielektrische Struktur zur Verstärkung des evaneszenten Feldes 2 durch ein weiteres evaneszentes Feld 49 aufgebaut sein kann. In entsprechender Weise können die beiden Strukturen 4, 50 auch als gekrümmte dielektrische Strukturen 4", also als kammartige Gitterstrukturen 4, 50 in Form von Enden von Lichtwellenleitern (wie in Fig. 5 dargestellt) oder als gekrümmte dielektrische Strukturen 4"' in Form von ring- oder schlaufenförmigen Ringresonatoren 17 (wie in den Figuren 6 und 6a dargestellt) ausgestaltet werden. Nach dem Stand der Technik sind gerade ausgerichtete beidseitige dielektrische Strukturen zur Beschleunigung von Teilchen zwar bekannt, jedoch werden die vom Laserlicht erzeugten evaneszenten Felder dahingehend optimiert, daß die ablenkenden Kräfte auf die Teilchen im Gegensatz zur erfindungsgemäßen gekrümmten Struktur nicht verstärkt, sondern minimiert werden.

Fig. 8 zeigt das Prinzip einer praktischen Anwendung der Erfindung. Im oberen Teil der Darstellung ist ein lichtleitendes Element 4 mit einer gekrümmten dielektrischen Struktur 4" gezeichnet, also einer kammartigen Gitterstruktur 4" aus Enden 13 von monomoden Lichtwellenleitern 14, wie bereits zu Fig. 5 beschrieben. Anstelle dieser Vorrichtung kann natürlich auch eine gekrümmte dielektrische Struktur 4' als räumliche Gitterstruktur vorgesehen sein oder eine gekrümmte dielektrische Struktur 4"' als ring- oder

schlaufenförmiger Ringresonator 17. Wesentlich ist dabei, daß Pulse 46 ausgewählter Teilchen erzeugt werden, die mittels der Blendenöffnung T einer Blende 7 entsprechend der gewünschten Weiterverarbeitung eingestellt werden. Dieser Strahl ausgewählter Teilchen 6 wird einer weiteren Vorrichtung zur Strahlformung 22 zugeführt, die ebenfalls ein

lichtleitendes Element 21 aufweist, das einem der oben beschriebenen Vorrichtungen entsprechen kann oder auch an einen speziellen Zweck angepaßt ist, wie dies noch zu den Figuren 10, 10a und 1 1 , 1 1 a beschrieben ist. Die dargestellte weitere Vorrichtung zur Strahlformung 22 entspricht hier der gekrümmten dielektrischen Struktur 4" aus Enden 31 von Lichtwellenleitern 32. Durch diese wird ebenfalls ein evaneszentes elektromagnetisches Feld 23 erzeugt, welches im Wege bestimmter Feldausrichtungen entlang der gekrümmten Struktur auf die Pulse 46 der Teilchen 6 verstärkend immer in derselben Weise einwirkt. Um die richtige Kraftwirkung auf die Teilchen an jedem Ende 31 eines Lichtwellenleiters 32 zu erzielen, sind auch hier Phasenschieber 28 und Intensitätseinstellungen 29 vorhanden, welche das Feld 23 derart einstellen, daß die ausgewählten Teilchen 6 aus der ersten Vorrichtung bei jedem ihrer Pulse 46 eine

Beschleunigung, eine Abbremsung oder eine Auslenkung erfahren. Wesentlich für die richtige Kraftwirkung ist eine Synchronität des die Pulse 46 erzeugenden evaneszenten Feldes 2 und des evaneszenten elektromagnetischen Feldes 23 der

Vorrichtung 22. Dies wird durch die gleiche Frequenz und Phasenkorrelation der diese Felder 2 und 23 erzeugenden Laser 5 und 25 erreicht. Entweder sie stammen aus der gleichen Quelle 26 und werden mittels eines Strahlteilers 30 verzweigt, oder die Phasenschieber 15, 28, möglicherweise auch 28', dienen der Herstellung der Phasenkorrelation. Anstatt einer Laserquelle 26 können auch zwei phasen- und frequenzsynchronisierte

Monomode-Laser verwendet werden. Da hier das lichtleitende Element 21 der zweiten Vorrichtung 22 als gekrümmte dielektrische Struktur 4" ausgebildet ist, kommt hier eine Verstärkung der Auslenkung in Betracht. Die dielektrische Struktur der weiteren Vorrichtung zur Strahlformung 22 kann aber auch eine Struktur 4' oder 4"' sein. In ähnlicher Weise läßt sich als weitere Vorrichtung zur

Strahlformung 22 aber auch ein lichtleitendes Element 4 einsetzen, das so wie bei dem zu Fig. 1 beschriebenen Stand der Technik einen geraden Vakuumkanal mit einem gerade ausgerichteten lichtleitenden Element in einfacher oder doppelseitiger (ähnlich Fig. 7 in der Formgebung) Ausführungsform aufweist. Dann ist es durch die Einstellung der Phasenschieber 28 und der Intensitätseinstellung 29 möglich, gezielt jeden der Pulse 46 der ausgewählten Teilchen 6 bei jeder beschleunigenden Feldausrichtung (wie dies für das Teilchen 41 der Figur 1 beschreiben wurde) weiter zu beschleunigen. In diesem Fall erzielt man einen Teilchenbeschleuniger, der im Gegensatz zu den Teilchenbeschleunigern des Standes der Technik Attosekunden-Pulse nutzt und auf kleinstem Raum untergebracht werden kann. Ein praktischer Vorteil der dargestellten kammartigen gekrümmten dielektrischen Struktur (4' und 24') aus monomoden Lichtwellenleitern 14 und 32 ist die große .Flexibilität und extrem schnelle Veränderbarkeit aufgrund der individuellen Phasenschieber 15 und 28 und

Intensitätseinstellern 16, 29 von jedem einzelnen Lichtwellenleiter 14 und 32. Dadurch kann die Periodizität elektronisch an die Geschwindigkeit (Energie) der Teilchen angepaßt werden, ohne daß neue dielektrische Strukturen hergestellt werden müssen, wenn man beispielsweise in einem Elektronenmikroskop die Strahlenergie (und damit die Energie des Strahls 1 ) ändert. Weiterhin sind extrem schnelle Teilchenstrahlmodulatoren oder

Regelungen auf optimale Teilchenstrahlparameter möglich, da die optischen Phasenschieber und Intensitätseinstellungen bis zu einigen GHz, also im Subnanosekundenbereich arbeiten können. Mit Methoden der integrierten Optik lassen sich diese Lichtwellenleiterstrukturen und elektronisch steuerbaren Phasenschieber 15, 28, Intensitätseinsteller 16, 29 bzw. andere optische Baugruppen auf einem Chip realisieren.

Diese Darstellung der Fig. 8 zeigt somit das Prinzip der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen - sowohl der Vorrichtung zur Erzeugung der Pulse 46 als auch der weiteren Vorrichtung 22 zur weiteren Modulation dieser Pulse 46 -, wobei selbstverständlich zahlreiche Modulationen des Strahls aus ausgewählten Teilchen 6 realisiert werden können. Von hoher Bedeutung sind dabei räumlich ausgebildete Strahlmodulationen, die es ermöglichen, Elemente der Teilchen- bzw. Elektronenoptik nachzubilden, wie das noch beispielhaft beschreiben wird. Die Darstellung zeigt lediglich das Prinzip auf, nach dem die Pulse 46 der ausgewählten Teilchen 6 für zahlreiche Anwendungen weiterverarbeitet werden können.

Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels 6" und eines

phasenkorrelierten, gepulsten Referenzbündels 6"', sozusagen einen Teilchenstrahlteiler. Dabei wird ein lichtleitendes Element 4 mit einem identischen, aber in der Gegenrichtung gekrümmten lichtleitenden Element 4 kombiniert, so daß zwei evaneszente elektromagnetische Felder 2 entstehen, die sich entlang der jeweiligen Struktur der beiden lichtleitenden Elemente 4 erstrecken. Dadurch werden aus dem Strahl 1 elektrisch geladener Teilchen in oben genannter Weise zwei Bündel 6" und 6"' ausgewählter Teilchen 6 gebildet. Je nachdem, wie die phasenkorrelierten Laserbeleuchtungen 5 der beiden Seiten

phasenverschoben sind, sind das auch die evaneszenten Felder 2, und damit läßt sich ein zeitlicher Versatz der beiden Strahlenbündel 6" und 6"' einstellen. Durch eine Blende 7 mit einer ersten Blendenöffnung T und einer zweiten Blendenöffnung 7" werden die Zeitfenster ΔΤ der ausgewählten Teilchen 6 bestimmt. Auch hier kann natürlich das lichtleitende Element 4 in jeder der vorbeschriebenen Weise ausgestaltet sein.

Durch diese Vorrichtung ist es möglich, die evaneszenten elektromagnetischen Felder 2 in beide Richtungen derart zu nutzen, daß die Strahlen 6" und 6"' jeweils gepulst sind. Die Pulsverzögerung zwischen beiden Pulsen läßt sich dabei im Attosekundenbereich beliebig einstellen, wenn das eingestrahlte Laserlicht 5 in der linken Struktur phasenverschoben zum Laserlicht 5 in der rechten Struktur ist. Der Strahl 6" und der Referenzstrahl 6"' können dann - wie oben schon erwähnt - verschiedenen technischen Anwendungen dienen, wie z.B. als Biprisma in der Holographie, bei (Quanten-)lnterferenzexperimenten oder für Pump-Probe- Experimente mit sehr schnell einstellbarer variabler Pulsverzögerung im

Attosekundenbereich.

Fig. 10 und 10a zeigen eine teilchenoptische Rundlinse 35, welche gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Dabei zeigt die Fig. 10 einen Längsschnitt und Fig. 10a einen Querschnitt (oder eine Draufsicht). Dabei ist die räumliche Verteilung der Struktur 24

rotationssymmetrisch - wie in dem Schnitt gemäß Fig. 10a mit einem Kranz 36 von

Segmentabschnitten 37 dargestellt -, um einen Strahl ausgewählter Teilchen 6 angeordnet, um ein Feld 23 zu erzeugen, das räumlich verteilte Strahlenbündel 33 mit dem

Strahlteilchenverlauf 34 einer optischen Rundlinse 35 zur Wirkung hat. Die Öffnung muß dabei eine Größe aufweisen, die es dem wirkenden evaneszenten Feld ermöglicht, alle erforderlichen räumlich verteilten Strahlenbündel 33 zu erfassen, d.h., sie soll etwa 2 Ao im Durchmesser nicht wesentlich überschreiten. Hier ist eine Zerstreuungslinse dargestellt, für eine Sammellinse müßte die Krümmung der dielektrischen Struktur 24 nach innen verlaufen, um einen konvergierenden Strahlengang zu erzeugen.

Die dielektrische Struktur 24 kann dabei eine dielektrische Struktur 24' mit einer räumlichen Strukturänderung sein, oder eine dielektrische Struktur 24", die aus Enden 31 von

Lichtwellenleitern 32 besteht, oder sie kann auch als eine aus Ringresonatoren 17 räumlich aufgebaute dielektrische Struktur 24"' sein. Dabei kann diese dielektrische Struktur 24 für die Erzeugung des Strahlverlaufs Krümmungen (siehe oben) aufweisen oder es ist ein gerader Verlauf vorgesehen und durch Phasenschieber 28 und Intensitätseinstellungen 29 kann eine Strahlendivergenz oder -konvergenz geringen Ausmaßes eingestellt werden. Hier sind zahlreiche Gestaltungen möglich, die Ausführungen sind lediglich beispielhaft.

Fig. 10a zeigt einen Schnitt 36 durch die Rundlinse 35. Dabei weist das lichtleitende

Element 4 Segmentabschnitte 37 auf, um den divergierenden Strahlengang der Rundlinse 35 zu erzeugen. Die vielen Segmentabschnitte 37, die - wie in Fig. 10 dargestellt - sich in räumlicher Tiefe von einem Kranz 36 von Segmentabschnitten 37 zum nächsten Kranz 36 wiederholen, erzeugen den jeweils gewünschten Strahlenverlauf, konvergierend oder divergierend. Zu diesem Zweck sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die

Segmentabschnitte 37 in der Darstellung vertikal gesehen acht Vorrichtungen 22 gemäß Fig. 8, also räumlich um den Strahlverlauf 34 angeordnet. Die Anzahl ist natürlich nur beispielhaft. Dabei wird jeder Segmentabschnitt 35 durch Laserlicht 5 beleuchtet, das dann zur Erzielung des gewünschten Strahlteilchenverlaufs, wie zum Beispiel des

Strahlteilchenverlaufs 34 einer Rundlinse 35, für jeden Segmentabschnitt 37 entsprechend phasen- und intensitätsgesteuert ist.

In ähnlicher Weise kann auch ein Multipol hergestellt werden, wenn durch

Segmentabschnitte 37 elektromagnetische Felder erzeugt werden, die den positiven und negativen Polungen einer magnetischen oder elektrischen Multipollinse entsprechen. In der Darstellung wäre dies beispielhaft ein Oktopol.

Selbstverständlich läßt sich sowohl eine Rundlinse 35 als auch ein Multipol in jeder der zur Vorrichtung für die Pulserzeugung aufgeführten Art und Weise mit räumlicher Gitterstruktur 4'oder kammartiger Gitterstruktur 4" aus Enden von Lichtwellenleitern oder als ring- oder schlaufenförmiger Ringresonator 17, 4"' aufbauen, indem man mehrere Einzelelemente rotationssymmetrisch um die Achse des einlaufenden Teilchenstrahls von Pulsen 46 ausgewählter Teilchen 6 anordnet.

Fig. 11 und 11a zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem teilchenoptischen

Phasenschieber für ein Transmissionselektronenmikroskop. Solche Phasenschieber dienen dazu, den Bildkontrast zu erhöhen, indem man eine teilchenoptische Phasenverschiebung zwischen den von einer Probe 38' abgebeugten Strahlen 38"' und dem direkten Strahl 38"" erzeugt. Die Beleuchtungsstrahlen 38" zur Beleuchtung der Probe 38' besteht aus Pulsen 46 ausgewählter Teilchen 6, die durch eine der vorbeschriebenen Vorrichtungen erzeugt werden.

Fig. 1 1 zeigt zunächst das Prinzip der Abbildung der Probe 38' mit Phasenkontrast, auf die Beleuchtungsstrahlen 38" gerichtet werden und dann eine Interferenz von abgebeugten Strahlen 38"' und dem direkten teilchenwellenphasenverschobenen Referenzstrahl 38"" erzeugt wird. Die elektronenoptischen Linsen sind hier der Einfachheit halber weggelassen. Der beleuchtende Strahl 38" ist dabei durch eine Vorrichtung entsprechend Fig. 2 bis Fig. 7 im Attosekundenbereich phasenkorreliert gepulst worden, so daß mittels des Laserlichts 25, das zum Laserlicht 5 der ersten Vorrichtung ebenfalls phasenkorreliert ist, eine Modulation des aus Pulsen 46 ausgewählter Teilchen 6 bestehenden direkten Strahls 38"" möglich ist. Der direkte Strahl 38"" geht dazu durch die phasenschiebende dielektrische Struktur 38, wobei Fig. 1 1 a einen Ausschnitt aus dieser Struktur zeigt. Mittels eines mittigen Teilungsversatzes 39 in der Struktur 38 von A _pe riode statt - A _per iode, der bewirkt, daß der direkte

Strahl 38"" zunächst um einen Betrag beschleunigt und anschließend um den gleichen Betrag abgebremst wird, entsteht der Teilchenstrahl 6"", der proportional zu diesem teilchenoptisch phasenverschoben ist. Er bildet zusammen mit den abgebeugten Strahlen 38"' das Phasenkontrastbild.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich nur beispielhaft, wesentlich ist die Separation von Pulsen 46 von innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters 6' ausgewählten Teilchen 6. Diese macht es möglich, die ultrakurzen Pulse 46 ausgewählter Teilchen 6 in einer weiteren Vorrichtung 22 in vorbestimmter Weise zu modulieren. Wobei die gekrümmte dielektrische Struktur 4', 4", 4"' zur Ablenkung der ausgewählten Teilchen 6 auch in anderer Weise als die aufgezählten Strukturen ausgestaltet werden kann und auch die zweite Vorrichtung 22 aus verschiedensten dielektrischen Strukturen 24', 24", 24"' bestehen kann.

Bezüglich des Verfahrens ist wesentlich, daß ausgewählte Teilchen 6 in Pulsen 46 nur ein Bruchteil einer Periodendauer (T) 5' des Laserlichts 5 dauern und zu diesem eine derartige Synchronität aufweisen, daß diese für eine gezielte Weiterbearbeitung dieser Pulse 46 genutzt werden kann.

Verfahren und Vorrichtungen zur Modulation eines Strahls elektrisch geladener Teilchen sowie Anwendungsbeispiele für die praktische Anwendung solcher

Vorrichtungen

Bezugszeichenliste

1 Strahl elektrisch geladener Teilchen, z. B. Elektronenstrahl

2 evaneszentes elektromagnetisches Feld

2', 2", 2"',2"" Richtungswechsel der Feldstärken

(Pfeile sind die elektrischen Feldkomponenten)

3 Vakuumkanal

4 lichtleitendes Element

4' gekrümmte dielektrische Struktur als räumliche Gitterstruktur mit

Grundkörper

4" gekrümmte dielektrische Struktur als kammartige Gitterstruktur aus Enden von Lichtwellenleitern

4"' gekrümmte dielektrische Struktur als ring- oder schlaufenförmiger

Ringresonator

5 Laserlicht

5' Periodendauer (T) des Laserlichts

5" Wellenlänge (Ao) des Laserlichts

5"' getapertes Lichtleiterende

6 ausgewählte Teilchen

6' Zeitfenster (ΔΤ) der ausgewählten Teilchen

6" Bündel ausgewählter Teilchen

6"' zeitlich verschobenes Referenzbündel zu 6"

6"" Teilchenwelle mit Phasenversatz

7 Blende

T Blendenöffnung / erste Blendenöffnung " zweite Blendenöffnung

räumliche Strukturänderung

Grundkörper

0 strukturabgewandte Seite

1 Zahnreihe

2 Lochreihe

3 Enden (von Lichtwellenleitern)

4 Lichtwellenleiter

5 Vorrichtung zum Phasenschieben

6 Vorrichtung zur Intensitätseinstellung

7 Ringresonator

8 erster Teilbereich des ring- oder schlaufenformigen Ringresonators9 zweier Teilbereich des ring- oder schlaufenformigen Ringresonators0 anderer Lichtleiter

1 weiteres lichtleitendes Element (zum Element 4)

2 weitere (zweite) Vorrichtung zur Strahlformung eines Strahls ausgewählter

Teilchen

3 evaneszentes elektromagnetisches Feld der Vorrichtung 22

4 dielektrische Struktur

4' dielektrische Struktur als räumliche Strukturänderung

4" dielektrische Struktur als Enden von Lichtwellenleitern

4"' dielektrische Struktur als Ringresonator

5 Laser (abgezweigt vom Laser 5 oder gleiche Frequenz und

phasenkorreliert)

6 Laserlichtquelle

7 Strahlteiler

8, 28' Phasenschieber

9 Intensitätseinstellung Strahlteiler

Enden von Lichtwellenleitern

Lichtwellenleiter

räumlich verteilte Strahlenbündel

Strahlteilchenverlauf einer optischen Rundlinse

Rundlinse

Kranz von Segmentabschnitten

Segmentabschnitte

dielektrische Struktur zur Erzeugung eines Phasenversatzes ' Probe des Elektronenmikroskops (Transmissionselektronenmikroskop) " Beleuchtungsstrahlen

"' von einer Probe abgebeugte Strahlen

"" direkter Strahl

Teilungsversatz der Struktur

Vorrichtung des Standes der Technik

Teilchen, das eine Beschleunigung erfährt

' Beschleunigung

Teilchen, das eine Abbremsung erfährt

' Abbremsung

Teilchen, das eine Ablenkung in Richtung des lichtleitenden Elements erfährt

' Ablenkung desselben

Teilchen, das eine Ablenkung weg vom lichtleitenden Element erfährt ' Ablenkdung desselben

nicht ausgewählte Teilchen

Pulse ausgewählter Teilchen

Feldstärke / Zeit-Diagramm

Phasenlage der Teilchen (6 und/oder 45) weiteres verstärkendes evaneszentes Feld

dielektrisches lichtleitendes Element umgekehrter Krümmung Anzahl der ausgewählten Teilchen