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Modulator für sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Modulator für sehr kurze linear polarisierte
elektromagnetische Wellen, insbesondere mit einer im Bereich der Lichtwellen liegenden
Wellenlänge, unter Verwendung eines für die Wellen wenigstens teilweise transparenten,
unter dem Einfluß eines Magnetfeldes die Polarisationsebene der Wellen drehenden
Mediums.
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Es ist bekannt, daß eine linear polarisierte Lichtwelle, welche durch
ein transparentes Medium geht, das unter dem Einfluß eines starken magnetischen
Feldes in Richtung der Lichtfortpflanzung steht, einer Rotation der Polarisationsebene
unterworfen wird. Der Rotationswinkel ist proportional der Länge des Mediums, durch
welches die Wellen hindurchgehen, und der Intensität des magnetischen Feldes. Dieser
Effekt ist als der Faraday-Effekt bekannt. Es sind auch Modulatoren für Hochfrequenzschwingungen
bekannt, die eine Polarisationsbeeinflussung in einem Hohlleitungsabschnitt bewirken,
der teilweise mit Ferrit ausgefüllt ist, das von einer Modulationsspule entsprechend
der Modulation vormagnetisiert wird. Bei diesen bekannten Anordnungen ist es relativ
schwierig, hohe Modulationsfrequenzen, beispielsweise bis in den Bereich von 1 GHz
hinein, einwandfrei zu verarbeiten. Vor allem machen sich schädliche Kapazitäten
und Trägheitserscheinungen störend bemerkbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Modulator zu schaffen,
der nach dem Prinzip der Polarisationsdrehung arbeitet und auch bei hohen Modulationsfrequenzen
einwandfrei arbeitet. Insbesondere soll dieser Modulator auch für Lichtwellen geeignet
sein, die von einer Lichtquelle praktisch konstanter Intensität, wie eine Glühlampe,
ausgehen.
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Ausgehend von einem Modulator für sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische
Wellen, insbesondere mit einer im Bereich der Lichtwellen liegenden Wellenlänge,
unter Verwendung eines für die Wellen wenigstens teilweise transparenten, unter
dem Einfluß eines Magnetfeldes die Polarisationsebene der Wellen drehenden Mediums,
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß als die Polarisationsebene
drehendes Medium eine lichtdurchlässig dünne Schicht aus magnetisierbarem Material
vorgesehen ist, die im Feldbereich einer von dem Modulationsstrom durchflossenen
Spule angeordnet ist, und daß diese dünne Schicht derart in Richtung und Stärke
vormagnetisiert ist, daß die Ummagnetisierung durch den Modulationsstrom im Bereich
der kohärenten Rotation erfolgt.
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Vorteilhaft ist es, wenn zur Vormagnetisierung ein äußeres magnetisches
Gleichfeld dient. Dabei empfiehlt es sich, wenn, in Wellenausbreitungsrichtung betrachtet,
hinter der dünnen Schicht gelegen, ein Analysator zur Auskopplung der die dünne
Schicht durchdringenden Welle vorgesehen ist. Unter einem Analysator wird bekanntlich
ein Polarisationsfilter verstanden, das zur Analyse der Polarisationsebene von Wellen
dient, die die dünne Schicht durchdrungen haben. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn
die dünne Schicht schräg zur Einfallrichtung der Wellen angeordnet ist, und wenn
eine Auskopplungsvorrichtung für die an der Schicht reflektierten Wellen vorgesehen
ist.
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Dünne magnetisierbare Schichten, vorzugsweise aus Permalloy, sind
an sich bekannt. Sie werden für überschnelle Nachrichtenspeicher hergestellt und
sind bei einer Dicke von 500 A und darunter lichtdurchlässig. Derartige dünne Schichten
sind auch für parametrischen Betrieb bereits vorgeschlagen und auch in der Verwendung
als regelbare Induktivitäten. Die Herstellung derartiger Schichten geschieht entweder
durch Aufdampfen, Aufstäuben oder galvanisches Aufbringen auf einen nichtmagnetischen
Träger. Sie besitzen eine Vorzugsrichtung, und für Magnetisierungen quer zu dieser
Richtung lassen sich ihre magnetischen Eigenschaften nicht mehr durch eine einzige
Hystereseschleife beschreiben; vielmehr ist es zweckmäßig, hierfür die sogenannte
kritische Kurve (Astroide) anzugeben. Die Astroide ist eine allgemeine Aussage über
die Eigenschaften dünner Schichten; sie beinhaltet sämtliche vorkommenden Hystereseschleifen
und beschreibt außerdem noch den Mechanismus, durch den jeweils das Ummagnetisieren
zustandekommt (Wandverschiebung,
Spinrotation). Eine genaue Erläuterung
der Astrolde findet sich in der Arbeit von P r o eI s t e r, Methfessel und Kingberg,
»Thin magnetic films« UNESCO/NS/ICIP/K.2., wo extrem dünne magnetisierbare Schichten,
vor allem aus Permalloy, als Speicherelemenete für Rechenanlagen behandelt werden.
Aber nicht nur dieser unterschiedliche Anwendungszweck ist dort im Vergleich zum
Erfindungsgegenstand gegeben, sondern auch die Betriebsart, die ein wesentliches
Merkmal des Erfindungsgegenstandes mit bildet, ist dort anders. Bei diesen Informationsspeichern
für Rechenanlagen kommt es nämlich darauf an,. nur ein Kippen der inneren Magnetisierung
der Schicht in zwei entgegengesetzten Richtungen sicherzustellen. Beim Erfindungsgegenstand
wird demgegenüber ein gewisser Bereich ständig durchlaufen, und darauf kommt es
ganz besonders an.
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In der Fig.9. ist die Astroide einer derartigen dünnen Schicht gezeigt.
Wird die Schicht durch ein magnetisches Kraftfeld beaufschlagt, dessen Linien parallel
zur Vorzugsrichtung HL (=leichte Richtung) liegen, so läßt sich die Größe des Feldes
in die Abszisse H, des Diagramms einzeichnen.
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Bei senkrecht dazu stehendem Feld gilt ein Wert auf der Ordinate H"
und ein Punkt an beliebiger Stelle im Diagramm bedeutet ein schräges Feld, das sich
aus einer Komponente Hl und einer Komponente H, zusammensetzen läßt.
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Dieser Punkt beschreibt also die Amplitude und Richtung des beaufschlagenden
Feldes. Die sich in der dünnen Schicht einstellende Magnetisierung M (M entspricht
in sehr guter Näherung der Induktion B) findet man durch folgende Konstruktion.
Von dem Punkt aus legt man die Tangente an die Astroide. Die Tangente gibt die Richtung
der in der Schicht sich einstellenden Magnetisierung an; ihr Betrag ist immer gleich
groß, unabhängig davon, welche Größe das Primärfeld hat. Diese Konstruktion ist
für zwei Beispiele, die Punkte P1 und P2 in der Fig. 1, durchgeführt. Für P2 sind
zwei Magnetisierungen möglich, welche sich einstellt, hängt von der Vorgeschichte
der Schicht ab: Im Gegensatz zu den meisten magnetischen Materialien ist es also
durchaus möglich, daß die magnetische Induktion B eine andere Richtung hat als die
magnetische Feldstärke H.
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Man erkennt, daß sich bei sämtlichen Punkten außerhalb der Astroide
auf der linken Seite des Diagramms eine nach links gerichtete Magnetisierung einstellt.
Analoges gilt für die rechte Seite. Innerhalb der Astroide sind stets beide Fälle
möglich. Diesem Verhalten innerhalb: der Astroide entspricht eine Hysterese, denn
für ein angelegtes Feld sind zwei Induktionen möglich, eine positive (=rechte) und
eine negative (=linke). Fernerhin sind in die Astroide noch Bereiche eingezeichnet,
die angeben, durch welchen physikalischen Vorgang die dünne Schicht ummagnetisiert
wird. Bewegt sich ein Arbeitspunkt z. B. innerhalb des rechten oder linken Zipfels
der Astroide, geschehen die Induktionsänderungen durch Blochwandverschiebung. Außerdem
sind noch Magnetisierungsänderungen durch kohärente und inkohärente Rotation möglich.
Bei der ersten drehen sich sämtliche Spins einer dünnen Schicht gleichzeitig von
ihrem Anfangs- in den Endzustand; dieser Vorgang ist nahezu trägheitslos. Inkohärente
Rotation bedeutet, daß sich die Spin-Richtungen nacheinander, statistisch verteilt,
ändern. Bei dem erfindungsgemäßen Modulator soll nur der Bereich der kohärenten
Rotation verwendet werden.
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Wenn der Arbeitspunkt A auf der Geraden G (vgl: Fig.2) wandert, ergibt
sich ein verlustfreier Arbeitsbereich, in dem eine nahezu trägheitslose Modulation
der zu beeinflussenden Wellen möglich ist. Die Gerade G liegt parallel zur leichten
Achse H, und ist mindestens so weit nach oben (Gerade G) bzw. nach unten (Gerade
G') verschoben (beide Bereiche sind brauchbar), daß sie die innere Astroidenfläche
nicht schneidet. Das ist wesentlich, weil hierdurch Hysteresefreiheit erzwungen
ist. Der Arbeitspunkt durchläuft dabei stets den Bereich kohärenter Rotation.
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Die Verschiebung der Arbeitsgeraden aus dem Koordinatenursprung geschieht
durch die Vormagnetisierung in der Richtung HS, Die Modulationsspule ist so anzubringen,
daß sie mit den Kraftlinien in der Richtung HL verkettet ist. Ein entsprechender
Aufbau ist in der Fig. 3 gezeigt. L 1 und L 2 sind die Anschlüsse der Modulationsspule
und die senkrecht dazu stehende Spule dient zur Gleichstromvonmagnetisierung H".
Durch einen der Modulationsspule zusätzlich zum Modulationsstrom zugeführten Gleichstrom
läßt sich somit die Lage des Arbeitspunktes innerhalb des Diagramms eindeutig festlegen.
Die Vormagnetisierung in Richtung der Modulationsspule ist auch in der Weise möglich,
daß .eine von der Vormagnetisierungsspule getrennte, jedoch hierzu achsengleiche
Spule vorgesehen wird, die nur der Zuführung eines Vormagnetisierungsstromes dient.
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An Stelle der beiden Vormagnetisierungsspulen, die senkrecht zueinander
stehen, ist auch eine einzige, schräg stehende Vormagnetisierungsspule möglich,
in der der entsprechende Strom fließt. Außer mit Hilfe von stromdurchflossenen Spulen
kann die Vormagnetisierung auch durch Permanentmagnete erzeugt werden, wobei sich
z. B. magnetische Nebenschlüsse zur genauen Einstellung des Arbeitspunktes A empfehlen.
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Eine weitere, für die Zwecke der Erfindung gut geeignete Arbeitsgerade
ist in der Fig. 4 gezeigt. Auch hier geht die Arbeitsgerade G nur durch den Bereich
der kohärenten Rotation. Durch eine Vormagnetisicrung H", diesmal in leichter Richtung
HI, wird bezweckt, daß sich der Arbeitspunkt stets in der linken Hälfte des Diagramms
befindet. Der rechts der Ordinate gelegene Bereich ist analog ausnutzbar. Damit
sind Spins (= Magnetisierungen) immer nach links gerichtet. Dies gilt auch für den
Bereich innerhalb der Astroide, wo im allgemeinsten Fall ja beide Richtungen möglich
wären. Es wird also erreicht, daß auch innerhalb der Astroide kein Aufspalten in
eine hystereseartige Erscheinung auftrifft, und die entsprechenden Verluste werden
somit vermieden. Für die Einstellung des Gleichstrom-Arbeitspunktes bzw. die Vormagnetisierung
gilt das zur vorstehend geschilderten Arbeiseraden Gesagte.
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In der Fig. 5 ist ein- Lichtmodulator nach der Lehre der Erfindung
dargestellt. L ist eine Lichtquelle, die paralleles Licht liefert. L könnte beispielsweise
ein Laser sein: Unter einem Laser wird ein im Gebiet der Lichtwellen arbeitender
Maser verstanden (vgl. z. B. Electronics, Juli 1960, S. 43). P1 und P2 sind Polarisationsfilter
(Polarisator und Analysator), und D ist die dünne Schicht, die um den Winkel a schräg
zur übrigen Anordnung angebracht ist (a kann beispielsweise
45°
sein). Nicht eingezeichnet ist das Spulenpaar, durch welches die Schicht in leichter
und schwerer Richtung entsprechend den vorstehenden Ausführungen vormagnetisiert
wird. Die Spulenströme sollen so eingestellt sein, daß die Spins die Richtung S
haben. Am Ende der Anordnung bei M tritt das modulierte Licht aus.
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In der Fig. 6 ist nochmals ein Teil der Versuchsanordnung (von oben
gesehen) dargestellt. S ist der summarische Spinvektor. Durch sein Komponente S'
wird das polarisierte Licht gedreht. Der Analysator ist so eingerichtet, daß das
so gedrehte Licht durchgelassen wird. Bei einer beliebigen anderen Lage des Magnetisierungsfaktors
S tritt weniger oder kein Licht aus dem Analysator aus. Die Modulationsspule ist
mit Mod bezeichnet.
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Wegen der schnellen Ummagnetisierbarkeit dünner Magnetschichten ist
die Anordnung bis zu Modulationsfrequenzen von z. B. 1 GHz verwendbar.
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In analoger Weise kann auch die Tatsache, daß von dünnen Schichten
auch das reflektierte Licht in der Polarisation gedreht wird (Kerr-Effekt), zur
Konstruktion eines Modulators in der bereits erwähnten Weise verwendet werden.