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Verfahren zur Lichtmodulation bei gleichzeitiger Vermeidung der Frequenzabhängigkeit
von elektrooptischen Elementen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtmodulation
bei gleichzeitiger Vermeidung der Abhängigkeit von der Folgefrequenz der Steuersignale
bei lichtsteuernden elektrooptischen Elementen, die in Abhängigkeit von den angelegten
Signalen sowohl elasto-optische, mit geometrischen Verformungen der Elemente gekoppelte,
als auch von der Verformung unabhängige optische Effekte aufweisen.
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Es ist bekannt, zur Lichtsteuerung sogenannte elektrooptische Verschlüsse
zu verwenden, die aus zwei mit senkrecht zueinander liegenden Durchlaßrichtungen
hintereinander angeordneten Polarisatoren und einem dazwischen befindlichen elektrooptischen
Kristall bestehen, der durch über zwei Elektroden anlegbare elektrische Felder steuerbar
doppelbrechend gemacht werden kann. Die durch die Doppelbrechung bewirkte Phasenverschiebung
zwischen dem außerordentlichen und dem ordentlichen Strahl drehen die Polarisationsebene
des den ersten Polarisator verlassenden linear polarisierten Lichtes um angenähert
90°, so daß es ungehindert durch den zweiten Polarisator treten kann. Zur Lichtmodulation
werden über die genannten Elektroden elektrische Felder im Kristall erzeugt, die
bestimmten Zeit-Spannungs-Funktionen folgen, durch die die Polarisationsebenen des
Lichtes um Winkel gedreht werden, die zwischen 0 und 90° liegen. Auf diese Weise
werden dem die oben beschriebene Anordnung durchsetzenden Lichtstrom die gleichen
zeitlichen Verläufe aufgeprägt, die die steuernden elektrischen Felder aufweisen.
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Die genannten Lichtmodulatoren oder Lichtverschlüsse zeigen jedoch
in der Nähe der mechanischen Resonanzstellen der elektrooptischen Kristalle in ihrem
Verhalten Unregelmäßigkeiten, die sich sehr störend bemerkbar machen und die Verwendbarkeit
dieser Anordnungen, insbesondere in Gebieten relativ hoher Modulations- bzw. Steuersignalfolgefrequenzen
stark einschränken und in vielen Fällen ganz ausschließen.
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Diese störende Frequenzabhängigkeit ist auf die Tatsache zurückzuführen,
daß der elasto-optische Effekt, also die durch die Änderungen der Abmessungen der
elektrooptischen Kristalle bewirkten Änderungen der optischen Eigenschaften dieser
Anordnungen, im Bereich der mechanischen Resonanzfrequenzen ein sehr stark ausgeprägtes
Maximum aufweist. Darüber hinaus können Schwingkristalle bekanntlich oberhalb ihres
Resonanzbereiches praktisch nicht zum Schwingen gebracht werden, so daß der elasto-optische
Effekt oberhalb dieses Bereiches verschwindet. Auf Grund dieser Gegebenheiten ist
leicht einzusehen, daß der elasto-optische Effekt in einem Frequenzbereich, der
genügend weit unter der Resonanzstelle liegt, zunächst konstant bleibt, dann in
der Nähe der Resonanzstelle des Kristalls sehr stark ansteigt, um dann praktisch
vollständig zu verschwinden. Insbesondere bei Anordnungen, bei denen nur punkt-
oder linienförmige Bereiche der Kristalle angesteuert werden, wie das z. B. bei
den elektrooptischen Zeichengeneratoren der Fall ist, treten im Resonanzbereich
parallel zu bestimmten Kristallflächen verlaufende Wellen auf, die sich, insbesondere
beim Auftreten von stehenden Wellen, sehr störend auswirken. Weitere Schwierigkeiten
treten bei Ansteuerung der Kristalle mit Rechteckimpulsen oder mit zwei zu mischenden
bzw. zu modulierenden Sinusschwingungen auf, da dabei Oberwellen entstehen, die
auch bei weit unterhalb der Resonanzstelle des Kristalls liegenden Frequenzen der
anregenden Signale im Resonanzbereich des Kristalls liegen können. Bei der Steuerung
der Kristalle mit Rechteckimpulsen, deren Impulsfolgefrequenz im Resonanzbereich
der Kristalle liegt, werden diese zu Sinusschwingungen angeregt, die sich den durch
die Steuersignale erzeugten Signalen überlagern und diese verfälschen. Die gleichen
Störungen treten auf, wenn die Oberwellen der Steuersignale im Resonanzbereich der
Kristalle liegen.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden die Kristalle durch besondere
Maßnahmen bedämpft
oder so eingespannt, daß mechanische Schwingungen
nicht entstehen konnten. Diese Maßnahmen können aber nur bei kleineren Kristallen
durchgeführt werden, da die bei größeren Kristallen, die für die meisten
Anwendungen allein in Frage kommen, die auftretenden Schwingungen und mechanischen
Beanspruchungen so groß werden, daß die mechanische Festigkeit der verwendeten Materialien
überschritten wird.
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Eine weitere Schwierigkeit beim Arbeiten mit piezo-elektrischen Lichtsteuerelementen
im Bereich höherer Signalfolgefrequenzen entsteht bei der Erzeugung der zur Steuerung
erforderlichen elektrischen Signale. Die erforderlichen elektrischen Steuersignale
bestehen nämlich in der Regel aus Rechteckimpulsen unterschiedlicher Länge, die
Spannungen von einigen hundert bis einigen tausend Volt aufweisen müssen. Bei Impulsfolgefrequenzen,
die über 10 000 Hz liegen, müssen diese Gleichstromimpulse sehr hohe Flankensteilheiten
aufweisen, die bei extrem hohen Impulsfolgefrequenzen bis in den Nanosekundenbereich
reichen können, was zu Schwierigkeiten, zumindest aber zu einer Erhöhung des technischen
Aufwandes bei dem elektronischen Teil derartiger Anlagen führt.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung bei einem
Verfahren zur Lichtmodulation bei gleichzeitiger Vermeidung der Abhängigkeit von
der Folgefrequenz der Steuersignale bei lichtsteuernden elektrooptischen Elementen,
die in Abhängigkeit von den angelegten Signalen sowohl elastooptische, mit geometrischen
Verformungen der Elemente gekoppelte als auch von der Verformung unabhängige optische
Effekte aufweisen, vorgesehen, daß die Steuersignale aus Hochfrequenz-Schwingungszügen
aufgebaut sind, deren Frequenz über dem Bereich, in dem die elasto-optischen Effekte
auftreten, liegt und deren Länge der Dauer der kürzesten vorhandenen Signallängen
oder solchen Bruchteilen davon entspricht, die gleichzeitig ganzzahlige Bruchteile
aller in Frage kommenden Signallängen sind.
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Dieses Verfahren der Ansteuerung von elektrooptischen lichtsteuernden
Elementen hat eine Reihe von Vorteilen, die die Verwendbarkeit dieser Elemente für
neue Anwendungsgebiete und höhere Frequenzbereiche möglich machen und dabei gleichzeitig
eine Verminderung des technischen Aufwandes und eine Erhöhung der Betriebssicherheit
ermöglichen. So wird durch die Verwendung der genannten Hochfrequenz-Steuerimpulse
die Frequenzabhängigkeit der lichtsteuernden Elemente aufgehoben, ohne daß eine
besondere Einspannung oder Bedämpfung der verwendeten Kristalle erforderlich wäre.
Besonders vorteilhaft ist dabei das Verschwinden des obenerwähnten ausgesprochen
starken Maximum im Be- ; reich der mechanischen Resonanzfrequenzen der elektrooptischen
Kristalle.
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Der Wirkungsgrad der nach diesem Verfahren beschriebenen Anordnung
wird zwar durch den Verzicht auf die Ausnutzung des elasto-optischen Effekts etwas
verringert, die Viefalt der Anwendungsmöglichkeiten wird daher gegenüber den Anordnungen,
die mit eingespannten oder stark bedämpften Kristallen arbeiten, wesentlich erhöht.
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Als weiterer Vorteil ist noch die Tatsache zu erwähnen, daß die Überlagerung
der gewünschten Rechtecksignale durch Sinusschwingungen, die auch bei stark bedämpften
Kristallen nicht ganz vermieden werden kann, durch das vorliegende Verfahren vollständig
entfällt.
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Als besonders wichtig sind die Vorteile zu betrachten, die durch Vereinfachung
an den elektronischen Teilen dieser Anordnungen auftreten. So ist es wesentlich
einfacher und technisch weniger aufwendig, Hochfrequenz-Schwingungszüge mit hohen
Spannungen zu erzeugen, als dies bei Gleichspannungs-Rechteckimpulsen der Fall ist.
Dadurch, daß die für den Betrieb derartiger Anlagen erforderlichen Hochfrequenz-Schwingungszüge
veränderlicher Länge aus kurzen, sich nahezu nahtlos aneinander anschließenden Teilimpulszügen
aufgebaut werden, ergeben sich weitere Vereinfachungen an den elektronischen Einrichtungen.
So ist es bei der Erzeugung von kurzen Hochfrequenz-Schwingungszügen möglich, die
Schwingungsgeneratoren durch Nadelimpulse, Vorderflanken von Rechteckimpulsen oder
durch Differenzierung gewonnene Impulsspitzen zur Abgabe von Impulsschwingungszügen
definierter Länge anzuregen. Der dabei erforderliche elektronische Aufwand ist geringer
als bei Schwingungserzeugern, die durch Gleichstrom-Rechteckimpulse zur Abgabe von
Schwingungszügen nicht definierter Länge angeregt werden sollen.
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Diese Vorteile fallen deshalb besonders ins Gewicht, weil bei vielen
Anwendungen, beispielsweise bei elektrooptischen Zeichengeneratoren, zwanzig und
mehr derartiger Hochfrequenz-Schwingungsgeneratoren erforderlich sind, die Spannungen
in der Größenordnung von 1000 Volt erzeugen müssen, so daß selbst Maßnahmen, die
bei normalen Betriebsspannungen nur relativ kleine technische Vorteile und Vereinfachungen
erbringen sollten, wegen der Anzahl der verwendeten Einheiten und der Höhe der zu
beherrschenden Spannungen doch einen großen technischen Fortschritt bedeuten.
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Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt F i g.1 das Prinzipschema eines elektrooptischen Verschlusses, F i g. 2
den Verlauf der Phasenlage des indirekten elektrooptischen Effektes, F i g. 3 den
Verlauf der Durchlässigkeitskurve der in F i g. 1 dargestellten Anordnung, F i g.
4 die Modulation des Lichtstrahls in einer Anordnung nach F i g. 1, die mit Rechteckimpulsen
mit einer Impulsfolgefrequenz im Bereich der Eigenfrequenz des elektrooptischen
Kristalls betrieben wird, F i g. 5 den Verlauf der Modulation des Lichtstrahls bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In F i g. l ist eine prinzipielle Anordnung zur Ausnutzung des elektrooptischen
Effektes dargestellt, die in der Literatur als elektrooptischer Verschluß bezeichnet
wird. In dieser Figur ist ein elektrooptisch aktiver Kristall s zwischen einem Polarisator
4 und einem Analysator 8 angeordnet. Die Durchlaßrichtungen des Polarisators
4 und des Analysators 8 schließen, wie durch die Doppelpfeile angedeutet,
einen Winkel von 90° ein. Hinter dem Analysator 8 befindet sich eine Mattscheibe
9. Das Licht einer hellen punktförmigen Lichtquelle 1 wird durch die
Kollimatorlinse 2 parallel gerichtet und als paralleles Strahlenbündel 3 durch die
Anordnung geleitet. Im Beispiel gemäß F i g.1 ist der Kristall 5 ein einachsiger
Ammonium-Dihydrogen-Phosphat-Kristall,
der senkrecht zu einer optischen
Achse geschnitten ist. Infolgedessen wird der Polarisationszustand des den Kristall
in Richtung seiner optischen Achse durchsetzenden Lichtes in feldfreien Kristall
nicht verändert, so daß normalerweise keinerlei Licht durch die gekreuzten Polarisatoren
4 und 8 auf die Mattscheibe 9 gelangt. Die durchstrahlten Flächen 5 a und
5 b des Kristalls 5 sind in bekannter Weise mit halbdurchlässigen Elektroden
6 und 7 belegt, von denen die eine geerdet ist, während die andere
mit einer elektrischen Spannungsquelle 10 über einen Schalter 11 verbunden
werden kann. Dabei wird durch das zwischen den Elektroden 6 und
7 entstehende elektrische Feld der Kristall infolge des elektrooptischen
Effekts in der Durchstrahlungsrichtung optisch doppelbrechend und verändert den
Polarisationszustand des ursprünglich in Durchlaßrichtung des Polarisators 4 linear
polarisierten Lichtbündels. Je nach der an den Kristall 5 gelegten Spannung kann
mehr oder weniger Licht durch den Analysator 8 hindurchtreten, so daß die
Mattscheibe 9 in Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spannung erhellt
wird. Die größte Helligkeit, die theoretisch dem halben in die Anordnung eingestrahlten
Lichtstrom entspricht, wird erzielt, wenn die an den Kristall s angelegte Spannung
gleich der für den Kristall charakteristischen A/2-Spannung ist. Die 2/2-Spannung
ist bekanntlich die Spannung, bei der die Wegelängen der beiden Strahlungskomponenten
in Richtung der Achsen des Indexelipsoides des Kristalls beim Durchlaufen des Kristalls
einen Wegelängenunterschied von einer halben Wellenlänge erfahren. Die wichtigsten
A/2-Spannungen sind: Ammoniumdihydrogenphosphat ... 9,6 kV Ka,liumdihydrogenphosphat
....... 7,5 kV Mit schwerem Wasser substituiertes Kaliumdihydrogenphosphat
..... 3,4 kV Da schon bei geringeren Wegelängendifferenzen als einer halben
Wellenlänge beträchtliche Aufhellungen auftreten können, genügen unter Umständen
die 0,2fachen Werte der oben angegebenen .1/2-Werte.
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Der im obengenannten Beispiel beschriebene Effekt setzt sich aus zwei
Teileffekten zusammen: der unmittelbaren Einwirkung des elektrischen Feldes auf
die Elektronenkonfiguration der Kristallbausteine (direkter optischer Effekt) und
dem durch die piezoelektrische Deformation sekundär hervorgerufenen ; Effekt (indirekter
elektrooptischer Effekt, elastooptischer Effekt,). Die aus dem erstgenannten Effekt
resultierende Empfindlichkeit Edirekt ist frequenzunabhängig und weist keine Phasenverschiebung
in bezug auf das elektrische Steuersignal auf. Die aus dem zweitgenannten Effekt
resultierende Empfindlichkeit Eindir. ist sowohl in ihrer Amplitude als auch in
ihrer Phasenlage, wie in F i g. 2 dargestellt, frequenzabhängig.
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Der gesamte elektrooptische Effekt wird durch phasengerechte Addition
des direkten und des indirekten Effektes erhalten. In der F i g. 3 ist die vektorielle
Addition der Empfindlichkeiten Cfdirekr und eindir, bei drei Frequenzen durchgeführt,
wobei die zu einer Frequenz gehörigen Empfindlichkeiten gleichartig gestrichen sind.
Bei 103 Hz addieren sich gemäß den Phasenlagen nach F i g. 2 und
3 edi,ekt und
(9indir. linear. Wenig unterhalb der Resonanzfrequenz
ist Hindi,. gegenüber edi,ekt um etwa 50° in der Phase verschoben, so daß
die Resultante I" =E" nicht ganz die algebraische Summe der Beträge von
direkt und (iindir. annimmt. Oberhalb der Resonanzfrequenz sind edirekt
undindir. gegenphasig, ihre Vektorsumme ist also gleich ihrer algebraischen Differenz.
Bei hohen Frequenzen verschwindet die durch den indirekten Effekt hervorgerufene
Empfindlichkeit eindir. vollkommen. Hier ist die Gesamtempfindlichkeit e"' gleich
der durch den direkten Effekt bedingten Empfindlichkeit und wie diese frequenzunabhängig.
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Es ist der Grundgedanke der Erfindung, durch Mischung der Signalspannung
mit einer Hochfrequenzspannung in dem Frequenzbereich zu arbeiten, in dem nach F
i g. 3 der indirekte Effekt verschwindet. Die Wirkung dieser Überlagerung sei an
Hand eines einfachen Problems erläutert: Mittels eines elektrooptischen Lichtmodulators
soll ein Lichtstrahl durch zwei sinusförmige Signale der Frequenzen f o und f 1
mit den Spannungsamplituden U, und U1 moduliert werden. Dabei sei fo gleich der
piezoelektrischen Resonanzfrequenz des Kristalls und f 1 << fo. In der herkömmlichen
Technik wären die Empfindlichkeiten (2o und e1 nach Größe und Phasenlage verschieden
und wäre demzufolge auch der Modulationsgrad des zu verarbeitenden Lichtstrahls
verschieden. Bei Anwendung des Erfindungsgedankens, der eine Mischung der zu verarbeitenden
Signale mit einer Hochfrequenzspannung der Frequenz fHF > f. vorsieht, ist
die an den Lichtmodulator gelegte Spannung: U= Uosin2nfot-sin2irfHFt+Ulsin2.-cfit-sin2irfHF-t.
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Dieser Ausdruck kann entsprechend den Additionstheoremen der Winkelfunktionen
auch geschrieben werden:
Die resultierende Spannung U setzt sich also additiv aus vier Teilspannungen zusammen,
deren Frequenzen fHF-fo, fHF+fo, fHF-fl und fHF+fl wegen fHF % fo > f1 groß
gegenüber der Resonanzfrequenz fo sind und gemäß F i g. 3 dem Frequenzbereich angehören,
in dem die Empfindlichkeit E frequenzunabhängig ist. Beide Signalspannungen werden
dem Lichtstrahl daher entsprechend den Amplituden Uo und U1 gleichmäßig aufmoduliert.
Wird die in F i g.1 dargestellte Anordnung mit elektrischen Rechteckimpulsen gesteuert,
deren Folgefrequenz mit der Resonanzfrequenz 5 zusammenfällt, so wird, wie in F
i g. 4 dargestellt, der Kristall zu Sinusschwingungen angeregt, die einen sinusförmigen
Verlauf des indirekten elektrooptischen Effekts zur Folge haben. Diesem sinusförmigen
Verlauf des indirekten elektrooptischen Effekts überlagert sich der rechteckförmige
direkte elektrooptische Effekt, was
zu einem Verlauf der Durchlässigkeit
D der ganzen Anordnung gemäß F i g. 4 führt. Es ist leicht einzusehen, daß bei Auftreten
von Rechtecksteuerimpulsen, die zwischen den eingezeichneten Steuerimpulsen liegen,
die in der unteren Kurve auftretenden Durchlaßimpulse unter den positiven Bereichen
der Sinuslinie liegen. Es tritt also nicht nur eine Verfälschung der elektrischen
Steuerimpulse auf, sondern es kann auch vorkommen, daß solche Impulse, wenn sie
im negativen Bereich der Sinusschwingung auftreten, ganz. unterdrückt werden. Wird,
wie gemäß der Erfindung vorgesehen, die Anordnung mit elektrischen Hochfrequenzimpulsen
gesteuert, deren Frequenz über dem Frequenzbereich des elektrooptischen Effekts
liegt, so kommt, wie aus F i g. 5 ersichtlich, der indirekte elektrooptische Effekt
nicht zur Geltung, so daß die bei den bisher bekannten Anordnungen auftretenden
.unerwünschten Unregelmäßigkeiten des Frequenzganges fortfallen. In F i g. 5 werden
die elektrischen Steuerimpulse durch den oberen Linienzug und die dadurch bewirkte
Lichtdurchlässigkeit D der ganzen Anordnung durch den unteren Linienzug dargestellt.
Da die Durchlässigkeit D nicht frequenzabhängig ist, werden die elektrischen Steuerimpulse
uMerfälscht durch die Lichtdurchlässigkeit wiedergegeien. Ein weiterer Vorteil dieses
Verfahrens besteht darin, daß die Erzeugung hochfrequenter Schwingungszüge höherer
Spannung einen wesentlich geringeren elektronischen Aufwand erforderlich macht,
als dies bei der Erzeugung von Gleichstromrechteckimpulsen gleicher Spannung der
Fall ist.