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Nicolaas Bloembergen (* 1920), Niederlande, USA

Nobelpreis für Physik 1981

Porträtbild
Bild: Nicolaas Bloembergen [1]

für den Beitrag zur Entwicklung der Laserspektroskopie (gemeinsam mit Arthur L. Schawlow)

Nicolaas Bloembergen wurde als zweites von sechs Kindern eines Chemieingenieurs und einer Französischlehrerin in Dordrecht in den Niederlanden geboren. Seine Vorliebe für die Naturwissenschaften trat erst in den letzten Jahren seiner Schulzeit zutage. Die Physik erschien ihm als das schwierigste und herausforderndste Fach, was wohl seine entsprechende Studienwahl begründete, als er sich 1938 an der Universität von Utrecht einschrieb. Bloembergen schaffte seinen Abschluss gerade noch rechtzeitig, bevor die Universität von den deutschen Besatzern 1943 geschlossen wurde. Nach dem Zweiten Weltkrieg erschienen ihm die Vereinigten Staaten als der geeignete Ort, um seine wissenschaftliche Laufbahn fortzusetzen und seinen Horizont zu erweitern. 1945 erhielt er eine Assistentenstelle an der Harvard Universität bei Edward Purcell - der nur Wochen zuvor die Kernspinresonanz in Festkörpern entdeckt hatte (wofür er 1952 den Nobelpreis für Physik bekam) - und wurde mit der Entwicklung eines frühen Kernspinresonanzgerätes betraut. Nach einer zweijährigen Zwischenstation an der Universität von Leiden im Rahmen seiner Doktorarbeit (1948) hatte Bloembergen in Harvard verschiedene Lehrstühle der Physik bis zu seiner Emeritierung 1990 inne und erhielt 1958 die amerikanische Staatsbürgerschaft. Er befasste sich dort zunächst mit der spektroskopischen Untersuchung von Festkörpern im Mikrowellenbereich. Zu Beginn der 1960er Jahre machte dann die Entwicklung des Lasers einen weiteren Frequenzbereich experimentell zugänglich; und Bloembergens Arbeitsgruppe war Mitbegründer eines Fachgebiets, das als "Nichtlineare Optik" bekannt wurde.[2]

Frequenzumwandlung von Licht

Beim Durchgang einer Lichtwelle durch ein dielektrisches Medium wird dieses durch das elektrische Wechselfeld E der Welle elektrisch polarisiert. Im Falle sogenannter optisch nichtlinearer Dielektrika (und Lichtwellen hoher Intensität) beinhaltet die induzierte Polarisation P auch signifikante Komponenten höherer Ordnung, der Zusammenhang zwischen P und E lässt sich also nicht mehr in linearer Näherung beschreiben. Die Figur 1 aus pdf- Datei (0,81 MB) US 3 384 433 A verdeutlicht, dass bei Einstrahlung zweier Lichtwellen E1, E2 (aus Laserlichtquellen 2, 4) mit unterschiedlicher Frequenz in ein nichtlineares Dielektrikum 10, 10' die im Dielektrikum erzeugte Polarisation eine aus den Lichtwellenvektoren K1E und K2E resultierende Polarisationswelle K3P mit der Summenfrequenz dieser Lichtwellen umfasst.

PatentzeichnungBild vergrößert anzeigenFigur 1: Anordnung zur Konversion von Lichtenergie von einer Frequenz zu einer anderen (aus US 3 384 433 A )

Zu welchem Ausmaß die Polarisationswelle K3P wiederum eine neue Lichtwelle K3E mit dieser Summenfrequenz erzeugen kann, hängt von der Phasenbeziehung zwischen ihnen ab. Günstig hierfür ist ein Phasenverschiebungswinkel zwischen 0° und 180°, mit welchem die Polarisationswelle K3P der Lichtwelle K3E voraus läuft, mit einem maximalen Energietransfer von der Polarisationswelle zur Lichtwelle bei 90°. Da die beiden Wellen in der Regel jedoch unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten beim Durchlaufen des Dielektrikums aufweisen, ändert sich in Folge auch deren Phasenverschiebung über diese Strecke.

Die Figur 1 (oben) zeigt eine Anordnung, mit der verhindert werden soll, dass sich bei einer ungünstigen Phasenverschiebung die Richtung des Energietransfers umkehrt und die Amplitude der Lichtwelle K3E abnimmt. Hierzu dient ein Körper 8, zusammengesetzt aus einer Vielzahl planparalleler Platten 10, 12 gleicher Dicke, die alle aus einer nicht-zentrosymmetrischen Substanz wie beispielsweise Zinksulfid bestehen. Die Platten 10 und 12 unterscheiden sich voneinander jedoch bezüglich ihrer Struktur, da es sich jeweils um Material von enantiomorphen Kristallindividuen ("Rechts"- und "Linksform") handelt. Diese Konstruktion bewirkt, dass sich die Phase der Polarisationswelle K3P an jeder Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Platten um 180° verschiebt, während die Lichtwellen hiervon unbeeinflusst bleiben. Die einzelnen Platten wiederum sind derart dimensioniert, dass die Änderung der Phasenverschiebung zwischen der Polarisationswelle und der Lichtwelle K3E beim Durchlaufen der jeweiligen Platte etwa 180° beträgt. Auf diese Weise kann die Phasenverschiebung - bei Bereitstellung einer geeigneten anfänglichen Phasenverschiebung mittels einer dünneren Platte 10' - über den gesamten Körper im gewünschten Bereich von 0° bis 180° gehalten werden und somit ein kumulativer Aufbau der Amplitude der Lichtwelle K3E erfolgen.

Bohrlochsonde

Eine Apparatur zur Bestimmung von Fluiden, die sich in porösen Erdformationen um ein Bohrloch herum befinden, ist in der pdf- Datei US 3 242 422 A beschrieben (Figur 2).

PatentzeichnungBild vergrößert anzeigenFigur 2: Apparatur zur Bohrlochmessung (aus US 3 242 422 A )

In einem Gehäuse 16, das fest ansitzend an der Wand eines Bohrlochs 35 geführt wird, befindet sich ein Magnet 17, der ein statisches, leicht inhomogenes Magnetfeld in der gegenüberliegenden Erdformation 36 erzeugt. Weiterhin befindet sich im Gehäuse eine Spule 18, mittels derer ein zusätzliches magnetisches Wechselfeld generiert wird, das sich in Resonanz mit der Winkelfrequenz der Spins der zu untersuchenden Teilchen, beispielsweise Protonen, befindet. Protonen - streng genommen H+-Teilchen - sind in diesem Kontext deshalb von Bedeutung, da sie gebunden in sogenannten "protonreichen Fluiden" wie Erdöl oder Erdgas im Erduntergrund vorkommen und Kenntnisse über deren Verhalten in einem variablen Magnetfeld zur Erkundung und Lokalisierung von Kohlenwasserstoffvorkommen dienen können. Im Rahmen dieses Feldgradienten-Kernspinresonanzverfahrens lässt sich eine sogenannte "Spin-Echo-Methode" anwenden. Durch die Bewegung von Molekülen relativ zum Gradienten des statischen Magnetfeldes kommt es zu einer Abschwächung der Resonanzsignale, da die Resonanzfrequenz von der magnetischen Feldstärke abhängt. Auf diese Weise ist das Amplitudenverhältnis zweier zeitlich aufeinanderfolgender Signale ein Hinweis auf die Selbstdiffusionsrate in der jeweiligen Formation. Bei bekannten Diffusionskonstanten von beispielsweise Wasser oder Öl, kann daher auf die Art des Fluids geschlossen werden. Mit der über die Tiefe des Bohrlochs verfahrbaren Sonde kann somit ein Formationsprofil erstellt werden.

Patentdokumente zu Nicolaas Bloembergen
PublikationsnummerJahrTitel
pdf-Datei US 3 242 422 A   1954  Paramagnetic resonance precession method and apparatus for well logging 
pdf-Datei DE 1 095 326 B   1957  Vorrichtung zur Verstärkung, Erzeugung oder Frequenzumwandlung eines Mikrowellensignals 
pdf-Datei US 3 070 698 A   1959  Quantummechanical counters 
pdf-Datei US 3 239 670 A   1961  Microwave modulation of optical radiation in a waveguide 
pdf-Datei US 3 384 433 A   1962  Apparatus for converting light energy from one frequency to another 

Quellen:

[1] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Nico_2006_Tucson_Wiki.png&filetimestamp=20080910102341 [recherchiert am 23.07.2012]
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1981/bloembergen.html [recherchiert am 23.07.2012]

© 2016 Deutsches Patent- und Markenamt | 29.02.2016