DE2140440A1

DE2140440A1 - Lichtmodulationssystem

Info

Publication number: DE2140440A1
Application number: DE19712140440
Authority: DE
Inventors: John L Elhcott City Wentz, Md (V St A)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-08-17
Filing date: 1971-08-12
Publication date: 1972-02-24
Also published as: US3684350A; GB1363885A; GB1368598A

Description

2H0UQ

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 11. August 1971

. Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Lichtmodulationssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an einem Lichtmodulationssystem für polarisiertes Licht.

Die britische Patentschrift 1 066 612 zeigt ein Lichtmodulationssystem zur elektronischen Steuerung des Durchgangs polarisierten Lichts. Das dort gezeigte Modulationssystem ist dem optischen Resonanzhohlraum einer mit angeregter Strahlungsemission arbeitenden Anordnung sowie einem einfachen Lichtschalter zugeordnet.

Dieses System hat sich wegen seiner Fähigkeit, bei sehr hohen Frequenzen, außerdem bei auf dem einschlägigen Gebiet als verhältnismäßig niedrig angesehenen Modulationsspannungen zu arbeiten, in starkem Umfang eingeführt. Sowohl bei diesem bekannten System als auch bei dem System nach der vorliegenden Erfindung erfolgt die Lichtmodulation durch direkte Polarisierungs-Modulation. Bei dem aus der britischen Patentschrift 1 066 612 bekannten System müssen Typ und/oder Ausmaß der Polarisation bekannt sein, um die richtige Einstellung vornehmen und damit das System wirksam machen zu können. In der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden, gleichlaufenden parallelen Patentanmeldung .......... wird ein Lichtmodulationssystem zur Modulation von Licht beschrieben, das von der Polarisation des einfallenden Lichtes unabhängig ist. Mit anderen

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Telefon (0211) 32O8 58 Telegramme Custopat

Worten, das System der gleichlaufenden parallelen Patentanmeldung ist in der Lage, Lichtenergie mit beliebiger Polarisierung zu modulieren. Die elektro-optische Modulatorkomponente dieses Systems kann mit der des in der GB-PS 1 066 612 beschriebenen Systems identisch sein, da die Verbesserung dort darin besteht, daß den elektro-optischen Kristallen des Modulators ein doppelt-brechender Kristallähnlich dem doppeltbrechenden Kristall der vorliegenden Erfindung zwischen dem einfallenden Licht und dem ersten elektro-optischen Kristall zugeordnet wird. Der doppeltbrechende Kristall teilt einfallendes Licht in zwei orthogonale Komponenten auf und erzeugt gleichzeitig eine seitliche Verschiebung zwischen den orthogonalen Komponenten, so daß zwei parallele Lichtstrahlen erhalten werden, die die elektro-optischen Komponenten durchsetzen. Bei der gleichlaufenden parallelen Patentanmeldung kann der einfallende Lichtstrahl beliebig polarisiert sein, während bei dem System nach der GB-PS 1 066 612 ebenso wie bei dem System nach der vorliegenden Erfindung der einfallende Lichtstrahl entweder linear, zirkulär oder elliptisch polarisiert sein muß.

Die einzelne Lichtstrecke oder -bahn des Systems nach der GB-PS 1 066 612 und die beiden Lichtstrecken der gleichlaufenden parallelen Patentanmeldung enthalten jeweils zwei seriell angeordnete elektro-optische Kristalle, um jede natürliche Doppelbrechung auszuschalten, jedoch ist jeder Kristall jeweils nur im Hinblick auf eine der beiden orthogonalen Porarisationskomponenten wirksam. Der Durchgang einer orthogonalen Polarisationskomponente durch einen auf diese bestimmte Komponente nicht einwirkenden Kristall bedeutet eine unnötige Dämpfung des Lichtstrahls.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Verringerung der optischen Übertragungsverluste in einem System zur Modulation polarisierten Lichtes wie es Gegenstand der GB-PS 1 066 612 bzw. der vorerwähnten gleichlaufenden Parallelanmeldung ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Lichtmodulationssystem für eine Quelle polarisierten Lichtes erfindungsgemäß gekennzeichnet durch

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eine Einrichtung zur Aufnahme eines einfallenden Lichtstrahls und zur Aufteilung dieses Lichtstrahls in zwei orthogonale Komponenten, die gleiche Amplituden haben und längs zweier im Abstand voneinander liegender, zueinander paralleler Lichtstrecken verlaufen, einen jeweils in die parallelen Lichtstrecken geschalteten ersten bzw. zweiten einachsigen doppeltbrechenden elektro-optischen Kristall, eine Einrichtung zur Beaufschlagung mindestens eines der beiden einachsigen doppeltbrechenden elektro-optischen Kristalle mit einem zur Änderung des Brechungsindex der Kristalle geeigneten elektrischen Feld sowie eine Einrichtunq zur Aufnahme der aus den

parallelen

Kristallen austretenden, längs der beiden/Lichtstrecken verlaufenden Komponenten.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen an-Jiand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Darstellung des Aufbaus eines Systems nach der Erfindung;

Fig. 2 den Aufbau der Fig. 1 in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3 und 4 Querschnitte durch Fig. 2 längs den Linien III-III bzw. IV-IV, in Richtung der dort eingetragenen Pfeile gesehen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung bei Einsatz in Verbindung mit einem Lichtintensitäts-Modulator; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführung der Erfindung bei Einsatz als Q-Schalter für einen Perot-Fabry-Hohlraum eines mit angeregter Strahlungsemission arbeitenden Verstärkers oder Oszillators.

Kurz gesagt wird mit der vorliegenden Erfindung ein elektro-opti-

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sches Licht-Modulationssystem zur Verfügung gestellt, das sich allgemein als Lichtschalter und insbesondere zur Lichtmodulation einsetzen läßt, wobei es sich vor allem zur Modulation des Q-Schalters eines Perot-Fabry-Hohlraumes eines Verstärkers oder Oszillators für angeregte Strahlungsemission eignet. Mit Hilfe des Systems läßt sich eine kontinuierliche Änderung bei der übertragung von Licht oder eine Pulsmodulation bewirken. Dabei kann mit sehr hohen Geschwindigkeiten nach der Art eines "Ein-Aus"-Schalters gearbeitet werden, um in dem optischen Resonanzhohlraum eines Verstärkers oder Oszillators für angeregte Strahlungsemission hin- und herreflektierte Lichtenergie schlagartig zu sperren bzw. einzuschalten.

Ein zur Veranschaulichung dienendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung macht von den Komponenten eines Modulationssystems, wie es in der GB-PS 1 066 612 beschrieben und beansprucht ist, in Verbindung mit doppeltbrechenden Kristallen und geeigneten Zusatzeinrichtungen wie einer Halbwellenplatte Gebrauch, um zwei optische Ubertragungsstrecken gleicher optischer Streckenlänge für ausgesuchte Anteile der Lichtenergie zur Verfügung zu stellen und damit die Übertragungsverluste für eine bestimmte Polarisierung aufweisende Lichtenergie zu verringern. VTährend das System entsprechend der Parallelanmeldung der Anmelderin sich zur Steuerung der Lichtenergie beliebiger Polarisierung eignet, ist die vorliegende Erfindung auf ein verbessertes elektro-optisches System gerichtet, bei dem die optischen Übertragungsverluste oder die Modulationsspannung um einen Faktor 2 verringert werden, wenn die Polarisation der Lichtenergie bekannt ist.

Mit Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, bei der das System verwendet werden soll, wenn lediglich die Modulation der Polarisation eines in einer einzigen Richtung verlaufenden Lichtstrahles gewünscht wird. Weiter unten wird ein anderes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das System so ausgelegt ist, daß die Lichtenergie in einer mehrfachreflektierten Bahn gesteuert werden kann.

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Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt in der Zuordnung von doppeltbrechenden Kristallen wie den Kristallen 2 und 3, die an sich bekannte Eigenschaften haben, bisher jedoch nicht in dem hier erläuterten Zusammenhang eingesetzt wurden, sowie in der Verwendung einer Halbwellen-Polarisierungs-Rotationseinrichtung zusammen mit den doppeltbrechenden Kristallen, so daß für beide orthogonale Polarisationskomponenten des einfallenden Lichtes gleiche optische Streckenlängen durch den Modulator (Nullverzögerung) erhalten werden.

Für optische Modulationssysteme der hier betrachteten Art werden allgemein einachsige elektro-optische Kristalle verwendet, um Lichtstrahlen durch Polarisierung zu modulieren. Spezielle bevorzugte Beispiele gehören dem Dxhydrogenphosphattyp wie etwa Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) an. Diese Kristalle, die normalerweise einachsig sind, werden zweiachsig, wenn längs einer der optischen Hauptachsen ein elektrisches Feld angelegt wird. Derartige Kristalle haben eine Achse, nämlich die Z-Achse, längs der der Brechungsindex durch Anlegen einer Spannung nicht geändert wird. Der elektro-optische Effekt beruht auf Änderungen des Brechungsindex, die sich längs der beiden anderen Achsen X und Y einstellen, wenn längs der Z-Achse ein elektrisches Modulationsfeld angebracht wird.

Wie weiter mit Fig. 1 gezeigt, wird ein einfallender Lichtstrahl 1, der wie mit dem Vektor 6 angedeutet_Ä linear polarisiert ist, d.h. unter 45° gegenüber den Achsen des doppjieltbrechenden Kristalls 2 verläuft, durch den Kristall 2 doppelt gebrochen, so daß sich zwei orthogonale Komponenten in den Lichtstrecken 7 und 8 ergeben. Die Achse der Lichtstrecke 7 wird dabei in einer zu der Achse des einfallenden Lichtstrahls 1 normalen Richtung um einen von der doppeltbrechenden Wirkung und der Länge des Kristalls 2 abhängigen Betrag verschoben. Der Kristall 2 löst somit den linear polarisierten Lichtstrahl 1 in zwei Komponenten auf, die in zwei entsprechenden parallelen optischen Bahnen seitlich zueinander versetzt verlaufen. Die Lichtenergie der Lichtstrecken 7 und 8 .kann durch einen optischen Phasenmodulator 4 mit elektro-optischen Kristallen 10 und 11 geleitet werden, die so angeordnet sind, daß

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sie in den Lichtstrecken 7 und 8 eine Phasenverzögerung bewirken können. Eine der Achsen X oder Y der Kristalle 10 und 11, beispielsweise die X-Achse, ist parallel zu der orthogonalen Komponente des zugehörigen Eingangsstrahls ausgerichtet, während die andere Achse Y parallel zu der Bahn des Lichtstrahls ausgerichtet ist. Die längs der Strecken 7 und 8 von dem Phasenmodulator 4 austretende Energie kann mittels einer Halbwellenplatte 9 und eines Kristalls 3, der die gleichen Eigenschaften wie der Kristall 2 aufweist und sich invers zu dem Kristall 2 verhält, zu einem einzigen austretenden Lichtstrahl zusammengefaßt werden, der dieselbe ■ Polarisation wie der einfallende Lichtstrahl hat. Die Halbwellen- w platte 9 dient dazu, die Längen der optischen Lichtstrecken 7 und 8 auszugleichen, so daß bei Null-Modulationsspannung Null-Verzögerung erhalten wird. Dieser Ausgleich wird durch Umwandlung der vertikal polarisierten Komponente in eine horizontal polarisierte Komponente sowie durch Umwandlung der horizontal polarisierten Komponente in eine vertikal polarisierte Komponente erhalten. Als Ergebnis liefert die in dem doppeltbrechenden Kristall 3 stattfindende Wiedervereinigung eine zusätzliche Streckenlänge für den durch den Kristall 2 nicht abgelenkten Lichtstrahl.

Durch Anlegen einer Modulationsspannung an die Kristalle 10 und 11, die ausreicht, um zwischen Polarisationsvektoren 13 und 14 des k längs der Strecken 7 und 8 verlaufenden Lichtes eine Phasenverschiebung von 180° zu erzeugen, kann der austretende Vektor 6* gegenüber dem einfallenden Vektor 6 um 90° gedreht werden.

Wenn die vorliegende Erfindung als Lichtmodulator oder Lichtschalter entsprechend Fig. 1 der Zeichnung eingesetzt wird, wird der austretende Lichtstrahl I¹ durch einen geeigneten Analysator 12 geleitet, um eine Intensitätsmodulation des Lichtstrahls zu bewirken. Die Intensitätsmodulation wird durch Polarisationsmodulation des resultierenden austretenden Lichtvektors 6' relativ zu der Polarisationsebene des Analysators bewirkt. Wenn die Erfindung jedoch, wie in Verbindung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, als ein Q-Schalter für eine mit angeregter Strahlungsemission arbeitende Einrichtung eingesetzt wird, so wird der elektro-

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optische Modulator mit dem optischen Hohlraum eines Lasers gekoppelt, wobei das Lasermedium polarisiert wird. Da der Laser nur in bezug auf eine bestimmte Polarisationsebene verstärkt und oszilliert, ist es möglich, mittels, des elektro-optischen Modulators nach der Erfindung den Anteil des regenerativ in das Lasermedium rückgekoppelten Lichtes zu steuern. Bei dem mit polarisiertem Licht arbeitenden System entsprechend der GB-PS 1 066 612 und dem mit beliebig polarisiertem Licht arbeitenden System nach der gleichlaufenden Anmeldung müssen beide orthogonale Komponenten der Lichtenergie seriell durch die beiden elektro-optischen Kristalle geleitet werden. Bei der vorliegenden Erfindung gelangt nur die eine Hälfte der Lichtenergie, d.h. der Lichtenergie der Komponente, auf die eingewirkt wird, durch einen elektro-optischen Kristall, während die andere Hälfte durch den anderen Kristall gelangt, so daß für das System gegenüber dem System nach der GB-PS 1 066 612 sowie gegenüber dem System nach der gleichlaufenden Patentanmeldung eine Reduzierung der optischen Wbertragungsverluste um den Faktor 2 erzielt wird.

Die Kristalle 2 und 3 dienen zur Erzeugung, Trennung bzw. Wiedervereinigung der orthogonalen Komponenten der Energie in dem Lichtstrahl 1, dessen Polarisationsebene durch den Vektor 6 angedeutet ist. Um eine ausreichende räumliche Trennung zu erhalten, so daß die Ziele der Erfindung verwirklicht werden können und somit eine der Komponenten durch den einen elektro-optischen Kristall 10, die andere dagegen durch den elektro-optischen Kristall 11 verläuft, muß für die Kristalle 2 und 3 das richtige Material gewählt werden. Ferner muß die Kristallgeometrie optimiert werden, indem der einfallende Lichtstrahl sorgfältig im Verhältnis zu den optischen Achsen der Kristalle ausgerichtet wird. Diese in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu erfüllende Forderung ist insofern im wesentlichen die gleiche wie bei dem System der gleichlaufenden Parallelanmeldung. Es wurde gefunden, daß/zweiachsiger Kristall, der für einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 4000 bis 15000 8 eine WinkeItrennung von etwa 9,5° ergibt, innerhalb der praktischen Grenzen des Kristalls eine ausreichende Trennung gewährleistet, um die Ziele der Erfindung zu verwirkli-

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chen. Die Trennung der orthogonalen Komponenten des Lichtstrahls in der mit Fig. 2 und 3 veranschaulichten Weise zeigt, daß der gegenüber der horizontalen und der vertikalen Achse unter 45° polarisierte Lichtstrahl 1 in zwei orthogonale Komponenten aufgelöst wird, von -denen die eine den gewöhnlichen Strahl (O-Strahl) darstellt, der horizontal verläuft und durch den Vektor 14 angedeutet ist. Die andere Komponente entspricht dem außergewöhnlichen Strahl (E-Strahl), der ebenfalls horizontal verläuft und durch den Vektor 13 angedeutet ist.

Fig. 2 und 3 zeigen, daß bei richtiger Ausrichtung der physikalischen Achse des Kristalls 2 im Verhältnis zu dem einfallenden Lichtstrahl 1 der gewöhnliche Strahl 0 bei seinem Durchgang durch den Kristall 2 nicht abgelenkt wird, sondern die mit dem Vektor 14 angedeutete horizontale Komponente enthält. Der gewöhnliche Strahl 0 fällt mit der optischen Achse der Lichtstrecke 8 durch den elektro-optischen Kristall 11 zusammen. Der außergewöhnliche Strahl E tritt parallel zu dem gewöhnlichen Strahl 0 (Lichtstrecke 8) aus und folgt der Lichtstrecke 7. Die Ablenkung des außergewöhnlichen Strahls E, so daß dieser parallel zu dem gewöhnlichen Strahl 0 verläuft, wird durch den zweiachsigen Kristall 2 aufgrund seines doppeltbrechenden Verhaltens hervorgerufen.

Der außergewöhnliche Strahl E und der gevröhnliche Strahl 0 treten an der in der Zeichnung rechten Seite der elektro-optischen Kristalle 10 und 11 parallel zueinander aus und passieren dann die Halbwellenplatte 9. Die HaIbwellenplatte 9 dreht die Polarisationsebene der Strahlen E und 0, so daß sich bezüglich des Kristalls 3 in der mit Fig. 4 veranschaulichten Weise die austretenden Strahlen O¹ bzw. E¹ ergeben. Diese austretenden Strahlen O¹ und E¹ werden invers zu der Trennung der Strahlen in dem Kristall 2 in dem Kristall 3 wiedervereinigt, den sie als Ausgangs-Lichtstrahl 1' verlassen.

der
Es sei angenommen, daß/elektro-optische Phasenmodulator 4 nicht erregt wird, so daß der elektrische Vektor 13 des außergewöhnlichen Strahls E und der Vektor 14 des gewöhnlichen Strahls 0 jeweils

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in der gleichen orthogonalen Lage bleiben, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Beide Strahlen E und 0 durchlaufen die Kristalle 10 und 11 geradlinig, ohne zusätzliche seitliche Achsenverschiebung. Wenn der außergewöhnliche Strahl E¹ in den Kristall 3 eintritt, so wird er zu der optischen Achse des gewöhnlichen Strahls O¹ zurückgelenkt, und der Ausgangs-Lichtstrahl 1' weist dieselbe 'Polarisierung wie der einfallende Lichtstrahl auf, der durch den Vektor 6 angedeutet ist, welcher unter 45° zu der horizontalen bzw. vertikalen Achse verläuft.

Es sei nun angenommen, daß der elektro-optische Phasenmodulator 4 erregt wird, d.h., sich hinsichtlich der Lichtschalterwirkung in einer als geschlossen bezeichenbaren Stellung befindet. Der einfallende Lichtstrahl wird in die beiden im Abstand voneinander verlaufenden Strahlen E und 0 aufgeteilt, die längs der im Abstand voneinander angeordneten Lichtstrecken entsprechend Fig. 1 und 2 verlaufen. Die lineare Polarisierung des einfallenden Lichtstrahls 1 wird in zwei orthogonale Komponenten aufgelöst, von denen die eine dem außergewöhnlichen Strahl E längs der Lichtstrecke 7 entspricht und dabei vertikal ausgerichtet ist, während die andere Komponente dem gewöhnlichen Strahl 0 längs der Lichtstrecke 8 entspricht und horizontal ausgerichtet ist. Wenn die beiden Strahlen den elektro-optischen Phasenmodulator 4 durchlaufen, wird die Phasendifferenz zwischen den Strahlen E und 0 in einem Maße geändert, das von der Größe der angelegten Modulationsspannung abhängt. Nach der Wiedervereinigung der Strahlen O¹ und E¹ in dem Kristall 3 ist der resultierende Vektor 6¹ polarisationsmoduliert. Für eine induzierte Phasendifferenz von 180° zwischen den Strahlen E und 0 ist die Polarisierung des resultierenden Vektors 6' orthogonal zu der Polarisierung des einfallenden Strahls 6. Daher läßt sich eine Lichtschalterwirkung erhalten, indem ein Analysator (nicht dargestellt) in den austretenden Lichtstrahl L^? geschaltet-wird, dessen Polarisationsvektor orthogonal zu dem Vektor 6 bzw, pareilleL zu dem polarisationsmodulierten Vektor 6¹ ausgerichtet ist.

Bei Anwendung der Erfindung In Verbindung mit dem Perot-Fabry-Hohlraum einer mit angeregter Strahlunqsemlsslon arbeitenden Anord-

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- IO -

nung und unter Annahme der gleichen oben genannten Bedingungen wie für den einfallenden Lichtstrahl 1 mit der in Fig. 1 und 2 durch den Vektor 6 angedeuteten Polarisierung wären der Kristall 3 und die Halbwellenplatte 9 nicht anwesend, sondern durch einen Spiegel 15 ersetzt, wie er in Fig. 5 und 6 gezeigt ist. Wie mit Fig. 5 dargestellt, weist ein mit angeregter Strahlungsemission arbeitendes System, bei dem von der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht wird, den Spiegel 15 sowie einen weiteren Spiegel 17, einen Laserstab 16, einen linearen Polarisator 21 sowie einen optischen Phasenmodulator entsprechend dem vorstehend beschriebenen auf. Einer der beiden Spiegel, etwa der Spiegel 17, kann teilreflektierend W sein, so daß das kohärente Licht von dem Spiegel 17 wie durch die Pfeilspitze angedeutet als von rechts nach links verlaufender Ausgangsstrahl 18 abgegeben würde. Das System weist außer dem Laserstab 16 eine geeignete Lichtquelle wie die Blitzröhre 22 auf, die mittels einer Energiequelle 23 in bekannter Weise erregt werden kann. Die Steuerung der Modulation des Ausgangsstrahls 18 kann mit Hilfe der an die elektro-optischen Kristalle 10 und 11 angelegten Spannung über den Treiber 24 erfolgen.

Wie in Fig. 6 gezeigt, würden die beiden orthogonalen Komponenten der Lichtstrecken 7 und 8 durch den Spiegel 15 reflektiert, und wenn der Phasenmodulator 4 eine Vorspannung aufweist, die einer k Phasenverzögerung Null entspricht, so wurden die beiden Komponen ten zu den elektro-optischen Kristallen 10 und 11 zurückkehren und mit derselben Polarisierung in dem Kristall 2 wiedervereinigt v/erden. Das Licht kann diesen Zyklus, bei dem es zwischen den beiden Spiegeln 15 und 17 hin- uric! herreflektiert v.'ird, wiederholen. Wenn der Phasenmodulator -1 auf eine Vorspannung crebracht wird, die einer Phasenverzögerung yon 90° entspricht, so wurde die resultierende Polarisierung orthogonal zu der Polarisierung des ursprünglichen einfallenden Lichtstrahls sein. Die regenerative oder positive¹. Fopp lung zwlschon tl'jr Aur;g uigsenergie des Laser.sfcabRS IG an ! don angeregten Partikeln des Lasermcirl lums würde daher durch die Wirkung de« Polari im hors 21 gesperrt werden.

ist

hLnzuv/n Γ;·>π, -laß dar Lichtstrahl in -lein Plmsenmodulator

2 Ü 0 y 0 9 / 1 1 2 7

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4 zv/ei Phasenverzögerungsvorgängen unterworfen wird und infolgedessen die Phasenverzögerungs-Vorspannung für jeden Durchlauf nur 90° zu entsprechen braucht.

Wenn der Laserstab 16 aus einem Material besteht, das einen polarisierten Ausgang erzeugt, so wäre es nicht notwendig, den Polarisator 21 zwischen dem rechten Ende des Laserstabes 16 und dem doppeltbrechenden Kristall 2 anzuordnen.

Nachstehend wird die Wirkungsweise des optischen Phasenmodulators 4 anhand Fig. 2 erläutert, die erkennen läßt, wie die Spannung zwischen den Anschluß 26 und Masse 27 angelegt wird. Die Steuerspannung wird dem Ausgang des Treibers 24 zugeführt. Die Spannungen greifen parallel an den elektro-optischen Kristallen 10 und 11 längs zueinander orthogonaler Achsen an.

Der elektro-optische Effekt ist das Ergebnis einer hervorgerufenen Doppelbrechung, die sich ergibt, wenn der Kristall längs einer bestimmten Achse mit einem elektrischen Feld beaufschlagt wird. Ein bestimmter Kristalltyp, der beispielsweise Verwendung finden kann, sind Kristalle vom Dihydrogenphosphattyp, deren Arbeitsweise sich im vorliegenden Zusammenhang als sehr zufriedenstellend erwiesen hat. Die elektro-optische Wirkung in diesen Kristallen ergibt sich aus der hervorgerufenen Doppelbrechung, die bei Beaufschlagung des Kristalls mit einem elektrischen Feld längs einer bestimmten Achse auftritt. Die speziellen Eigenschaften elektro-optischer Kristalle lassen sich am besten anhand des Fresnelindex-Ellipsoids angeben, das zu den Haupt-Brechungsindizes des Kristalls proportionale Achsen hat. Auf einen solchen Kristall fallendes eben polarisiertes Licht erzeugt eine Doppelbrechung und eine Phasenverzögerung zwischen den orthogonalen Komponenten des einfallenden, längs der optischen Hauptachse des Kristalls schwingenden Lichtes.

In einachsigen Kristallen sind zwei der Brechungsindizes in dem Ellipsoid gleich. Daher tritt für sich senkrecht zu der Ebene gleicher Indizes fortpflanzendes Licht keine Phasenverzögerung auf. Diese Fortpflanzungsrichtung bestimmt die optische Achse des

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Kristalls. Kristalle, bei denen die Hauptindizes ungleich sind, werden als zweiachsig bezeichnet, d.h., sie haben zwei optische Achsen. Elektro-optische Kristalle, die normalerweise einachsig sind, werden zweiachsig, wenn das elektrische Feld parallel zu der Z-Achse angelegt wird. Daher werden die Brechungsindizes für parallel zu der X- und Y-Achse schwingendes Licht durch längs der Z-Achse angelegte Spannungen geändert, so daß unter diesen Umständen der X- und der Y-Index nicht länger gleich sind.

Wenngleich dies nicht unbedingt notwendig ist, so haben die langgestreckten elektro-optischen Kristalle 10 und 11 doch vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt. Sie können einen rein rechtekkigen Querschnitt haben, solange die Abmessungen längs den entsprechenden Z-Achsen dieselben sind. Die physikalische Achse jedes Stabes soll in oder senkrecht zu der 110-Ebene des Kristalls (entsprechend dem Miller-System zur Bezeichnung der Flächen und inneren Ebenen eines Kristalls) und ebenso parallel zu der X-Y-Ebene liegen.

Da zwei getrennte linear polarisierte orthogonale Strahlen vorhanden sind, auf die der Phasenmodulator 4 getrennt einwirkt, ist es wichtig, daß die elektro-optischen Kristalle 10 und 11 eine Geometrie haben, entsprechend der der außergewöhnliche Strahl E und der gewöhnliche Strahl 0 absolut parallel zu einer der optischen Hauptachsen der jeweiligen Kristalle verlaufen. Wenn dies der Fall ist, so sind die folgenden Phasenbeziehungen charakteristisch für die Polarisation der orthogonalen Komponenten des eben polarisierten Lichts für beide sich parallel zu der Achse des vorliegenden Systems fortpflanzende Strahlen.

Es seien Nx, Ny und Nz die Hauptbrechungsindizes für die X-, Y- und Z-Kristallachsen und L die Länge des Kristalls längs der Lichtstrecke. Ferner sei d die Breite des Kristalls in Richtung quer zu der Längsachse. Da die Kristalle einen quadratischen Querschnitt haben, verläuft die Strecke d stets parallel zu den Z-Achsen der jeweiligen Kristalle. Mit "K sei die Wellenlänge der mit dem Lichtstrahl 1 angedeuteten einfallenden Strahlung bezeichnet.

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Beim Durchgang durch den Kristall 10 längs der X-Achse des Kristalls erfährt die Y-Komponente der Polarisation eine Phasenänderung von

K = ² fr ¹¹Ny (1)

■ λ.

rad. Da die Vektoren 13 und 14 senkrecht zu der Z-Achse verlaufen, erstreckt sich keine Komponente parallel zu dieser Achse.

Beim Durchgang durch den Kristall 11 längs der Y-Achse dieses Kristalls erfährt die X-Komponente der Polarisation eine Phasenänderung von

0 = 2 TT ^LNx (2)

rad. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Komponenten ist

Δ 0 = 0_V - 0, = 2 TT L [N - N ] (3)

x y —^3 x Υ

Liegt kein elektrisches Feld an den Z-Achsen der beiden Kristalle 10 und 11 an, so sind die Brechungsindizes N und N gleich, d.h., Ν_χ = N = N . Die Phasendifferenz zwischen den austretenden senkrechten Komponenten jedes linear polarisierten Einfallstrahls ist dann Null, d.h.,

(Δ 0 = 0).

Die ursprüngliche Polarisation jedes einfallenden Lichtstrahls 0 und E bleibt erhalten.

Wenn längs der Z-Achse der beiden Kristalle ein elektrisches Feld angelegt wird, d.h., wenn die Elektroden 10a und 10b des Kristalls 10 und die Elektroden 27a und 27b des Kristalls 11 mit elektrischem Potential beaufschlagt werden, sind die Brechungsindizes Ν_χ und N der beiden Kristalle nicht mehr gleich. Wenn diese Kristalle mit dem elektrischen Feld beaufschlagt werden „ x^ird der eine der Indizes größer, der andere dagegen kleiner. Dies läßt sich durch die Beziehungen

N = N + Δ Ν
und

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K=N + Δν (5)

y o

ausdrücken, worin Δ. N die durch das Anlegen des elektrischen Feldes hervorgerufene Änderung des Brechungsindex ist. Entsprechend einer Veröffentlichung in Journal of the Optical Society of America, Vol. 39, Oktober 1949, Seite 805, wurde von B. H. Billings ermittelt, daß

N = ^r63^V ₂ ^N3o. (6)

2d

Durch Ersetzen des Wertes N und N in der Gleichung (3) ergibt sich

φ =

worin r_c-> eine elektro-optische Konstante und V eine an die Z-63 . - ζ

Achse angelegte Spannung sind.

Durch Anlegen der richtigen Spannung an die Z-Achsen der beiden Kristalle 10 und 11 und geeignete Abstimmung der Spannung auf die Längs- bzw. Querabmessungen des Kristalls ist es möglich, dafür zu sorgen, daß die linearen Komponenten des einfallenden Lichtstrahls, der an dem rechten Ende des Kristalls 11 austritt, eine Phasendifferenz von Tf rad_f d.h.

Δ0 = Tf (8)

haben. Wenn diese letztgenannte Bedingung gilt, so wird die durch den Vektor 6 repräsentierte Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls 1 beim Austritt desselben am rechten Ende des Kristalls 11 um 90° gedreht.

Die Spannung, die erforderlich ist, um eine Drehung von 90° der Eingangspolarisation hervorzurufen, kann durch Einsetzen der Werte N = N +An und N=N-An in den Gleichungen (4) bzw. O sowie des Wertes Δ. 0 = T in Gleichung (8) in Gleichung (3) ermittelt werden. Durch Auflösung erhält man

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- 15 Der Faktor

2r,,N 3
63 ο

wird die Halbwellenspannung genannt, das ist die Spannung, die notwendig ist, um eine Phasenverschiebung von Tr rad zwischen den austretenden Komponenten des einfallenden Strahls zu erzeugen, so daß sich eine Änderung von 90° zwischen der Polarisation des einfallenden und des ausfallenden Strahls ergibt, wenn ein elektrisches Feld parallel zu der Z-Achse angelegt wird und gleichzeitig das Licht parallel zu der Z-Achse verläuft. Die Halbwellenspannung ist eine Funktion von L/d, so daß die Modulationsspannung durch entsprechende Wahl des gewünschten Wertes für dieses Verhältnis innerhalb praktischer Grenzen eingestellt werden kann. Da es möglich ist, durch geeignete Spannung eine Polarisationsdrehung .zwischen äem einfallenden und dem ausfallenden Strahls von 90° zu erzeugen, läßt sich eine vollkommene Lichtschalterwirkung erhalten. Ebenso ist ersichtlich, daß das Licht sich kontinuierlich zwischen einem Maximum und einem Minimum modulieren läßt.

Da die einfallende Lichtenergie in zwei orthogonale Komponenten zerlegt wird, die jeweils auf eine einzelne Lichtstrecke oder -bahn beschränkt sind, in der dann nur ein einziger elektro-optischer Kristall auf die jeweilige Komponente einwirkt, werden die optischen Übertragungsverluste gegenüber Systemen, bei denen beide Komponenten die beiden elektro-optischen Kristalle nacheinander durchlaufen müssen, um den Faktor 2 verringert.

Patentansprüche; 209809/1127

Claims

Patentansprüche

Lichtmodulationssystem für eine Quelle polarisierten Lichts, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Aufnahme eines einfallenden Lichtstrahls und zur Aufteilung dieses Lichtstrahls in zwei orthogonale Komponenten, die gleiche Amplituden haben und längs zweier im Abstand voneinander liegender, zueinander paralleler Lichtstrecken (7, 8) verlaufen, einen jeweils in die parallelen Lichtstrecken geschalteten ersten bzw. zweiten einachsigen doppeltbrechenden elektro-optischen Kristall (2, 3), eine Einrichtung zur Beaufschlagung mindestens eines der beiden einachsigen doppeltbrechenden elektro-optischen Kristalle mit einem zur Änderung des Brechungsindex der Kristalle geeigneten elektrischen Feld sowie eine Einrichtung zur Aufnahme der aus den Kristallen austretenden, längs der beiden Lichtstrecken (7, 8) verlaufenden Komponenten.

Lichtmodulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufnahme eines einfallenden Lichtstrahls ein doppeltbrechendes Element aufweist.

Lichtmodulationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufnahme der aus den Kristallen austretenden, längs der beiden parallelen Lichtstrecken verlaufenden Komponenten eine in die Lichtstrecken (7, 8) geschaltete Halbwellenplatte (9) sowie eine Einrichtung zur Aufnahme von Licht aus den beiden parallelen Strecken und zur Wiedervereinigung zu einem einzelnen, zu dem einfallenden Lichtstrahl im wesentlichen kollinearen Lichtstrahl aufweist.

Lichtmodulationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufnahme der parallelen Lichtstrahlen zusätzlich eine Einrichtung zur Umwandlung der Polarisationsmodulation der Komponenten in eine Intensitätsmodulation aufweist.

5. Lichtmodulationssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Einrichtung zur Wiedervereinigung der parallelen Strecken zu einem einzigen Lichtstrahl ein doppeltbrechendes Element aufweist, das dieselben Eigenschaften wie das doppeltbrechende Element der Einrichtung zum Auffangen des einfallenden Lichtstrahls hat.

6. Lichtmodulationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufnahme der parallelen Lichtstrahlen eine Einrichtung aufweist, um die Lichtenergie der orthogonalen Komponenten zu den Kristallen zurückzuwerfen.

7. Lichtmodulationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die einachsigen doppeltbrechenden elektro-optischen Kristalle im wesentlichen den gleichen Brechungsindex und die gleiche Länge haben und mit ihren optischen Achsen senkrecht zu der Achse der parallelen Lichtstrecken ausgerichtet sind, die eine der beiden anderen Achsen eines Kristalls parallel zu der gegenüberliegenden der beiden anderen Achsen des anderen Kristalls verläuft, die beiden gegenüberliegenden Achsen der beiden Kristalle parallel zu den parallelen Lichtstrecken und die anderen Achsen parallel zu dem elektrischen Vektor der orthogonalen Komponenten des hindurchfallenden Lichtstrahls verlaufen und das elektrische Feld längs dieser optischen Achsen angelegt ist.

8. Lichtmodulationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die doppeltbrechenden Elemente jeweils so zu den Achsen der einfallenden Lichtstrahlen ausgerichtet sind, daß die jeweiligen optischen Achsen mit dem elektrischen Vektor des (der) einfallenden Lichtstrahls(en) einen Winkel von 45° einschließen.

KN/hs 3

2098Q&/1127