DE1275206B

DE1275206B - Elektro-optischer Modulator

Info

Publication number: DE1275206B
Application number: DES91487A
Authority: DE
Inventors: Warren Michael Macek; Joseph Raymond Schneider
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1963-06-12
Filing date: 1964-06-11
Publication date: 1968-08-14
Also published as: GB1024949A; NL6406684A; US3356438A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H 03 c

Deutsche KL: 21g-4/07

Nummer: 1275206

Aktenzeichen: P 12 75 206.6-33 (S 91487)

Anmeldetag: 11. Juni 1964

Auslegetag: 14. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro-optischen Modulator zur Modulation der Amplitude elektromagnetischer Wellen sehr kurzer Wellenlänge, und allgemein bezieht sich die Erfindung auf ein elektro-optisches Modulationsgerät, das einen solchen Modulator benutzt. Der Modulator kann zur Modulation infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Lichtes und zur Modulation bei Mikrowellenfrequenzen benutzt werden. Der Lichtmodulator gemäß der Erfindung ist von jener bekannten Bauart, bei welcher das zu modulierende Licht zunächst durch einen Polarisator in einen Strahl eben polarisierten Lichtes verwandelt wird, der dann in die Modulatorzelle eintritt, in welcher der Strahl der Wirkung eines elektrischen oder magnetischen Modulationsfeldes ausgesetzt wird, wobei die Modulatorzelle die Polarisationsebene des Lichtstrahles dreht, so daß der aus der Modulatorzelle austretende Strahl eine Komponente aufweist, die in einer Ebene rechtwinklig zur ursprünglichen Polarisationsebene polarisiert ist. Die Größe und der Phasensinn dieser rechtwinklig polarisierten Komponente ändert sich in Abhängigkeit von der Größe und dem Sinn des modulierenden elektrischen oder magnetischen Feldes. Ferner ist der Modulator von der Bauart, bei welcher der aus der Modulatorzelle austretende Strahl einen Polarisationsanalysator und einen Detektor oder ein Gerät benutzt, das Änderungen auffindet oder auf diese anspricht, die durch die Modulatorzelle in dem Strahl erzeugt werden. Bei solchen bekannten Modulatoren kann der Analysator derart angeordnet werden, daß nur jene Komponente des Strahles durchtritt oder von dem Strahl getrennt wird, die in einer Ebene senkrecht zur ursprünglichen Polarisationsebene polarisiert ist, wobei diese Komponente auf den Detektor oder das Gerät fällt. In diesem Falle kann kein Licht auf den Detektor oder das Gerät gelangen, wenn das Modulationsfeld in der Modulationszelle Null ist. Es wird aber gewöhnlich ein Ausgang vorhanden sein, wenn ein Modulationsfeld angelegt ist, wobei der Phasensinn dieses Ausgangs sich umkehrt, wenn das Modulationsfeld umgekehrt wird.

Insbesondere ist ein elektro-optischer Modulator dieser Bauart bekannt, bei welchem ein durch die Modulatorzelle der* erwähnten Bauart hindurchtretender Lichtstrahl auf einen Reflektor gerichtet wird, der den Strahl zurückwirft und ihn derart richtet, daß er ein zweites Mal durch die Modulatorzelle hindurchtritt. Bei diesem bekannten Modulator der Reflexionsbauart wird der Strahl von einer Lichtquelle erhalten, von welcher auf einen Lichtpolarisator gerichtet wird, der den Strahl in einen Strahl Elektro-optischer Modulator

Anmelder:

Sperry Rand Corporation,

Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Dipl.-Ing. G. Koch
und Dr. T. Haibach, Patentanwälte,
8000 München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:
Warren Michael Macek, Huntington, N. Y.;
Joseph Raymond Schneider,
Larchmont, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 12. Juni 1963 (287 299)

eben polarisierten Lichtes umwandelt. Dieser eben polarisierte Strahl wird einer Strahlaufspaltvorrichtung in Gestalt eines halbdurchlässigen Spiegels zugeführt, und jener Teil des Strahles, der durch den Spiegel hindurchtritt, gelangt auf die Modulationszelle, die einen elektro-optischen Kristall enthält und außerdem eine Einrichtung, die dem Kristall ein Modulationsfeld aufprägt. Der Kristall ist von jener Art, die eine Drehung der Polarisationsebene des Strahles um einen Winkel bewirkt, der proportional zu dem der Modulationszelle angelegter. Modulationsfeld ist. Der aus dem Kristall mit seiner Polarisationsebene gegenüber der ursprünglichen Polarisationsebene verdreht austretende Strahl gelangt auf einen reflektierenden Spiegel, der den Strahl in den Kristall zurückreflektiert, so daß dieser durch den Kristall in der umgekehrten Richtung läuft. Bei dem zweiten Durchgang wird der Strahl einer zweiten Modulationswirkung durch das dem Kristall aufgeprägte Modulationsfeld unterworfen, so daß die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes gegenüber der ursprünglichen Polarisationsebene um den doppelten Winkel gedreht ist, um den die Polarisationsebene bei einem einzelnen Durchlauf durch den Kristall gedreht wird. Der Strahl trifft auf den halbdurehlässigen Spiegel der einen Teil des Strahles auf einen Analysator reflektiert, der in dem Strahlengang von dem Spiegel in einer Richtung rechtwinklig

zum ursprünglichen Pfad des Strahles liegt. Der Analysator ist so um die Richtung des Pfades des reflektierten Strahles orientiert, daß die Komponente des gedrehten Lichtes, das auf ihn fällt und dessen Polarisationsebene senkrecht zur Polarisationsebene des nicht rotierten Lichtes liegt, durch den Analysator läuft. Die Folge davon ist, daß der Ausgangsstrahl, der durch den Analysator läuft, amplitudenmoduliert ist gemäß dem Modulationsfeld in der Modulationszelle.

Bei diesem bekannten Modulator der Reflexionsbauart kann das Modulationsfeld veränderlich sein. Die Zelle erzeugt dann einen Ausgangslichtstrahl der gemäß einem Modulationssignal moduliert ist, das durch das Modulationsfeld dargestellt wird.

Es ist außerdem bekannt, eine Modulatorzelle der beschriebenen Art zu verwenden, um Lichtstrahlen bei Mikrowellenfrequenzen zu modulieren. Zu diesem Zweck ist die Modulationszelle als Hohlraumresonator ausgebildet und weist Einrichtungen auf, um darin eine Modulationsspannung mit Mikrowellenfrequenzen zu liefern. Es ist dabei bekannt, den Hohlraumresonator derart anzuordnen, daß der bei Mikrowellenfrequenzen oder bei einer Mikrowellenträgerfrequenz für modulierte Mikrowellensignale in Resonanz ist.

Die Reflektormodulatoren bekannter Bauart sind nicht sehr wirksam, weil wenigstens eine Hälfte der Energie im Lichtstrahl von der Quelle auf dem Wege des Strahles durch den halbdurchlässigen Spiegel auf dem Wege von der Lichtquelle zu der Modulatorzelle verlorengeht. Außerdem geht die Hälfte der Intensität des modulierten Lichtstrahles, der aus der Modulatorzelle austritt, verloren, wenn der Strahl bei seinem Eintritt in den halbdurchlässigen Spiegel reflektiert wird, wenn der benutzte Teil des Lichtstrahles auf den Analysator gerichtet wird. Außerdem geht die gesamte Lichtenergie der nicht gedrehten Komponente der Welle von dem Ausgangsstrahl verloren, die den Analysator nicht erreicht und nicht durch diesen hindurchtritt.

Dieser geringe Wirkungsgrad bei bekannten Modulatoren ist insbesondere dann unerwünscht, wenn der Modulator zur Modulation von Mikrowellenfrequenzen benutzt wird. Um diesen geringen Wirkungsgrad zu kompensieren, wird es notwendig, den Versuch zu machen, Modulationsfelder hoher Intensität anzuwenden. Im Falle des Betriebes bei Mikrowellenfrequenzen führt dies dazu, den Versuch zu machen, elektrische Modulationsfelder hoher Intensität in dem Hohlraumresonator zu erzeugen. Der Hohlraumresonator muß dann eine hohe Güte Q haben, jedoch beschränkt dies wiederum die Bandbreite der Frequenzen, bei welchen die Modulation bewirkt werden kann.

Es ist auch bereits bekannt, in den Strahlengang des zu modulierenden Strahles ein gleichzeitig als Polarisator und Analysator wirkendes Prisma einzuschalten, das die von der Modulationszelle zurückkehrende, in der Orthogonalebene polarisierte Komponente des Lichtstrahles ablenkt und auf einen Detektor richtet.

Die Erfindung geht aus von einem derartigen elektro-optischen Modulator zur Erzeugung eines intensitätsmodulierten Lichtstrahles, bei welchem ein Lichtstrahl durch einen Polarisator in einen eben polarisierten Strahl umgewandelt wird, der durch eine aus lichtdurchlässigem Material bestehende elektro-optische Modulationszelle hindurchtritt, die gemäß einem elektrischen oder magnetischen Feld den polarisierten Lichtstrahl in einen zusammengesetzten Strahl umwandelt, dessen erste Komponente in der Ebene orthogonal zu der Primärebene polarisiert ist und dessen Intensität gemäß Änderungen des aufgeprägten elektrischen oder magnetischen Feldes geändert wird, wobei ein Reflektor den zusammengesetzten Strahl so reflektiert, daß er durch die Zelle zurückläuft und eine verbesserte Modulation der orthogonal polarisierten Komponente des Strahles bewirkt, und wobei ein Analysator wenigstens einen Teil des die Modulatorzelle nach zweifachem Durchtritt verlassenden Strahles empfängt und einen Ausgangsstrahl erzeugt, dessen Intensität sich gemäß den Änderungen der Intensität der orthogonalen Komponente ändert, die in dem auf den Analysator auftreffenden Strahl enthalten ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines derartigen Modulators zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem elektro-optischen Modulator der vorstehend genannten Bauart dadurch gelöst, daß der Polarisator den gesamten von der Modulatorzelle nach einem Doppeldurchtritt zurückkehrenden Strahl empfängt und als Analysator für diesen wirkt, daß der Polarisator-Analysator in an sich bekannter Weise in einer Primärebene polarisiertes Licht in beiden Richtungen hindurchtreten läßt, wobei jede in der Orthogonalebene polarisierte Komponente des von der Modulationszelle zurückkehrenden Lichtes durch ein gleichzeitig als Polarisator und Analysator wirkendes Prisma auf einen Detektor abgelenkt wird und daß ein von dem von der Lichtquelle ausgehenden Strahl durchsetzter Reflexionsspiegel sämtliches Licht, das von der Modulationszelle durch den Polarisator-Analysator hindurchtritt, zurück durch den Polarisator-Analysator reflektiert.

Durch die Verwendung dieses an sich bekannten Polarisator-Analysators und die Verwendung eines vor der Lichtquelle angeordneten, von dem Ausgangsstrahl der Lichtquelle durchsetzten Spiegels, der eine Vervielfachung des Strahldurchtritts durch die Modulatorzelle bewirkt, tritt infolge des mehrfachen Durchgangs des Lichts durch die Modulatorzelle eine kumulative Modulation ein.

Zweckmäßigerweise ist dabei die Anordnung derart getroffen, daß zwischen dem Polarisator und der Modulationszelle eine Vorpolarisierzelle vorgesehen ist, die die eben polarisierte Welle in eine zusammengesetzte Welle umwandelt, welch letztere eine in der Orthogonalebene polarisierte Komponente aufweist, auch wenn kein Modulationssignal aufgeprägt ist, und daß die zusammengesetzte Welle der Modu-, lationszelle zugeführt wird.

Die Vorpolarisierungseinrichtung ist dabei zweckmäßigerweise ein doppelt brechender Kristall, der die orthogonal polarisierte Welle erzeugt, indem durch die Doppelbrechung sowohl eine Primärwelle, die in der Ebene der einfallenden Welle polarisiert ist, als auch eine Welle erzeugt wird, die in der senkrecht dazu stehenden Ebene polarisiert ist, wobei die Länge des Kristalls, durch welchen die zusammengesetzte Welle hindurchtritt, so bemessen ist, daß die zwei Komponenten der Welle beim Durchtritt des Kristalls entsprechenden Phasenverzögerungen unterworfen werden, die voneinander um ungefähr 45^:

abweichen, d. h. um ungefähr Vs-Periode der Lichtwelle.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines elektro-optischen Modulators gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Zeitabhängigkeit der Lichtimpulsausbreitung durch das elektro-optisehe Kristall veranschaulicht, das in dem erfindungsgemäßen Modulator benutzt wird, und zwar in bezug zu einem vollständigen Ausbreitungszyklus,

F i g. 3 und 4 graphische Darstellungen, die bestimmte Eigenschaften des erfindungsgemäßen Modulators im Vergleich mit Eigenschaften bekannter Modulatoren veranschaulichen.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektro-optischen Lichtmodulationsgerätes, das die vorstehend erwähnten Merkmale aufweist, ist in vereinfachter Form in Fig. 1 dargestellt, wobei das Lichtmodulationsgerät 10 zwei axial im Abstand zueinanderliegende parallele Spiegel 11 und 12 aufweist. Der Spiegel 12 ist im wesentlichen totalreflektierend, und der Spiegel 11 ist teilweise durchlässig und ermöglicht den Durchtritt von Licht von einer äußeren Quelle 15. Die Spiegel 11 und 12 sind aufeinander ausgerichtet, um zwischen sich einen nicht in Resonanz befindlichen Mehrfachreflexionslichtstrahl zu schaffen. In der Nähe des Spiegels 11 ist ein Polarisator-Analysator 17, z. B. ein Glan-Thompson-Prisma, wie in der Zeichnung dargestellt, oder ein Nicol-Prisma angeordnet. Die Polarisator-Analysator-Einrichtung 17 arbeitet in der Weise, daß im wesentlichen ohne Verlust eben polarisierte Lichtwellen hindurchtreten, die in einer ersten oder Primärrichtung, z. B. vertikal, polarisiert sind, diese bilden den außerordentlichen Strahl. Außerdem werden orthogonal polarisierte Lichtwellen querreflektiert, und diese bilden den gewöhnlichen Strahl. Ein Polarisator-Analysator, wie er vorstehend definiert wurde, ist auf den Seiten 500 bis 502 in dem Buch »Fundamentals of Physical Optics« von Jenkins und White, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, third edition, 1957, beschrieben. Andere bekannte Anordnungen, ζ. B. gestapelte Glasplatten, wie sie ebenfalls in der zitierten Literaturstelle beschrieben sind, können als Polarisator-Analysator 17 benutzt werden. Die wichtige Bedeutung dieser Anordnung besteht darin, daß die orthogonal polarisierte Lichtkomponente, die einer Ausbreitung von rechts nach links längs des Lichtpfades unterworfen wird, nicht absorbiert, sondern quer zu dem ursprünglichen Lichtstrahl reflektiert werden sollte.

Eine Modulatorzelle 22, die zirkulär polarisierendes Material aufweist, ist zwischen einer Vs-Wellenlänge-Platte 20 und dem Spiegel 12 in dem Mehrfachreflektionspfad des sich zwischen den Spiegeln 11 und 12 ausbreitenden Lichtes vorgesehen. Die Zelle 20 kann aus irgendeiner Einrichtung bestehen, die gemaß einem elektrischen oder magnetischen Modulationsfeld arbeitet und eine wirksame Drehung des elektrischen Feldes des eben polarisierten Lichtes bewirkt. Die Drehung kann eine Folge des Pockleseffektes, des Kerreffektes oder des Faradayeffektes usw. sein. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das zirkular-polarisierende Material der Zelle 20 ein elektro-optischer, doppelt brechender Kristall aus Ammoniumdihydrophosphat oder KaIiumdihydrophosphat, der eine Drehung infolge des. Pockleseffektes bewirkt.

Die Größe der Drehwirkung, die durch den elektrooptischen Kristall 22 bewirkt wird, ändert sich gemäß dem Augenblickswert des elektrischen Mikrowellenfeldes in dem Mikrowellenhohlraum 25. Mikrowellenenergie wird durch eine Kopplungsschleife 26 in den Hohlraum 25 gekoppelt. Kleine lichtdurchlässige öffnungen 27 und 28 in der Wand des Hohlraumes 25 erlauben den Durchtritt des Lichtstrahles durch den Hohlraum. Zweckmäßigerweise ist der Mikrowellenhohlraum 25 nicht ein solcher mit hoher Güte, damit die Bandbreite des Mikrowellenmodulationssignals nicht unnötig beschränkt zu werden braucht.

Die Lichtquelle 15 kann eine Quelle kohärenten oder nicht kohärenten Lichtes sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Modulators ist die Quelle 15 eine Laser-Lichtquelle, und der Spiegel 11 des Modulators 10 wird tatsächlich von dem Ausgangsendspiegel des Laser gebildet. Hierdurch wird eine kompakte und wirksame Anordnung für den äußeren erfindungsgemäßen Modulator geschaffen.

Wenn sich der Modulator gemäß Fig. 1 im Betrieb befindet, tritt ein Lichtstrahl 30 von der Lichtquelle 15 durch den teildurchlässigen Spiegel 11 und trifft auf das Polarisator-Analysator-Prisma 17. Der gewöhnliche Strahl ο des Lichtstrahles 30 wird längs des Pfades a-b reflektiert, und der außerordentliche Lichtstrahl e setzt sich längs des axialen Strahlpfades von links nach rechts durch das Prisma fort. Dieser axiale Lichtstrahl, der von dem Polarisator-Analysator 17 emittiert wird, ist jetzt im wesentlichen eben in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert, die durch den Polarisator-Analysator 17 bestimmt wird. Licht, das von dem Polarisator-Analysator 17 nach rechts wandert, tritt zunächst durch eine Vs-Wellenplatte 20 (A/8-Platte), die eine bekannte Einrichtung darstellt und von einem zweiachsigen Kristall gebildet wird. Der auf diesen Kristall einfallende, eben polarisierte Strahl erzeugt gewöhnliche und außergewöhnliche Komponentenwellen in dem Kristall, die einer Phasenverschiebung verschiedenen Betrages beim Durchtritt durch den Kristall unterworfen werden. Der Kristall hat eine solche Länge, daß die Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponentenwellen, wenn diese aus dem Kristall austreten, 45° (A/8) beträgt. Da die beiden orthogonalen Komponenten der austretenden Welle außer Phase sind, ist die Welle elliptisch polarisiert. Wie im Falle einer Ve-Wellenplatte 20, erzeugt das in den Kristall 25 eintretende Licht gewöhnliche und außergewöhnliche Komponentenwellen in dem Kristall, so daß die durch den Kristall hindurchtretende Welle als zusammengesetzt aus zwei orthogonalen Komponenten betrachtet werden kann, die durch die Doppelbrechung des Kristalls erzeugt werden und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Kristall laufen. Die aus dem Kristall austretende Welle, die durch die beiden Komponentenwellen jetzt außer Phase zueinander sind, ist eine elliptisch polarisierte Welle. Die Amplituden der beiden Komponenten dieser Welle und ebenso de Phasenwinkel zwischen den beiden Komponenten ändert sich mit der Mikrowellenfrequenz, weil sich die Doppelbrechung des Kristalls mit der Mikrowellenfrequenz ändert. Die

nente eines früher ausgesandten Lichtstrahles ver-• mieden werden, der jetzt von dem Eingangsspiegel 11 reflektiert wird. Infolgedessen werden die Lichtintensitäten photometrisch addiert, wobei die Kreuzproduktausdriicke im Durchschnitt Null werden. Das bedeutet, daß das Erfordernis einer räumlichen Kohärenz der Lichtwellen vermieden wird. Ein anderer Weg, diese Eigenschaft zu beschreiben, besteht darin, daß man sagt, daß der Mehrfachreflexionslichtpfad für die Lichtwellen nicht in Resonanz ist. Diese Charakteristik des Lichtstrahles kann leicht dadurch erlangt werden, daß jene Oberfläche des elektro-optischen Kristalls des Spiegels des Polarisators-Analysators und der Vorspannungs-Vs-Wellenplatte, auf welche der Strahl einfallt, optisch irregulär gestaltet wird, wobei diese Irregularität größer ist als einige Bruchteile von Lichtwellenlängen. Zum Beispiel kann der Bruchteil der Lichtwellenlängen in der Größenordnung einer Ve-Lichtwellenlänge liegen, obgleich dieser Wert nicht als kritisch anzusehen ist Die wichtige Bedeutung besteht darin, daß eine räumliche Kohärenz der Lichtwellen vermieden werden kann. Die natürliche Inhomogenität des elektrooptischen Kristalls und der Strahlaufspalteinrichtung

20

elliptisch polarisierte Welle ist äquivalent (unabhängig von den Phasendifferenzen zwischen den Komponentenwellen) einer eben polarisierten Welle, bei welcher die Polarisierungsebene gegenüber der Polarisierungsebene des ursprünglichen Strahles gedreht wurde, was durch den Polarisator-Analysator 17 bewirkt wurde. Der elliptisch polarisierte Lichtstrahl, der aus dem Kristall 22 austritt, fallt dann auf die totalreflektierende Oberfläche 12, wird im wesentlichen total durch diese reflektiert und tritt durch den elektro-optischen Kristall 22 hindurch.

Hier geschieht das gleiche wie vorher. Es wird in dem Kristall eine Welle erzeugt, die von rechts nach links gemäß F i g. 1 wandert. Diese Welle hat wiederum zwei orthogonale Komponenten, die in der Phase um verschiedene Beträge verzögert werden, wenn sie durch den Kristall hindurchtreten. Die Verzögerungen der beiden Komponenten sind gleich den entsprechenden Verzögerungen der Komponenten, die . beim ersten Durchtritt des Lichtstrahles durch den Kristall erfolgten. Daraus folgt, daß die Beträge der elliptischen Polarisation, die bei den beiden Durch-. triften des Strahles durch den Kris toll erzeugt werden, gleich sind und bei jedem Durchtritt in dem gleichen

Sinne stattfinden, so daß ihre Wirkungen kumulativ 25 trägt dazu bei, diese gewünschte Charakteristik zu sind. erreichen.

Die Wirkungen, die bei einem Durchtritt des Die Energie, die von dem' Licht innerhalb des nicht Kristalls erzeugt werden, sind äquivalent einer in Resonanz befindlichen Mehrfachreflexionshohl-Drehung der Polarisationsebene eines äquivalenten, raumes aufgebaut wird, setzt sich mit Mehrfacheben polarisierten Strahles. Eine wirksame Drehung, 30 reflexionen der nicht gedrehten Lichtkomponente die durch den zweifachen Durchtritt erzeugt wird, ist fort, bis eine stetige Bedingung erreicht ist. Hierdurch deshalb wenigstens annähernd doppelt so groß wie wird Lichtenergie längs des Pfades aufgebaut, und der bei einem einzigen Durchtritt des Strahles durch den Abzug des modulierten Lichtes in Querrichtung an Kristall. Der effektive Gesamtdrehwinkel der Polari- Stelle eines Abzugs durch den Spiegel erzeugt einen "sationsebene eines äquivalenten, eben polarisierten 35 Ausgangsstrahl, dessen Intensität beträchtlich größer Strahles ändert sich mit Mikrowellenfrequenz. Der ist als die Intensität, die in einem nicht reflektierenden Lichtstrahl tritt dann durch die Vs-Wellenplatte 20, Modulator oder einem Doppelwegmodulator bedie eine zusätzliche 45°-Phasenverzögerung zwischen kannter Bauart erreicht werden kann.
' den beiden Komponentenwellen zur Folge hat. Dieser Es soll nun eine Beziehung zwischen den Licht-Durchtritt des Strahles durch die Platte 20 vergrößert 40 wellen und dem elektrischen Wechselfeld des Mikroweiterhin die elliptische Polarisation des Lichtstrahles wellenmodulationssignals in den Mikrowellenhohlraum 25 gegeben werden. Gemäß F i g. 2 stellt die Sinuswelle E_m verschiedene Wellenlängen des Mikrowellenmodulationssignals dar, und AL repräsentiert einen kleinen willkürlichen zusätzlichen Abschnitt oder ein Pack des Lichtstrahls. At stellt die Ausbreitungszeit des zusätzlichen Lichtpacks dar, wenn dieser einmal durch den Kristall 22 tritt. Wie dargestellt, muß die Fortpflanzungszeit /Ji des Lichtpacks AL

T
relativ zu der Periode -ψ- der Mikrowellen

Halbwellenlänge sein, damit das Mikrowellenfeld sich nicht umkehrt, während der Lichtpack durch den Kristall läuft, denn wenn das Mikrowellenfeld umgekehrt würde, während der Lichtpack AL noch in dem Kristall befindlich ist, würde die Drehwirkung auf die Polarisationsebene ebenfalls umgekehrt und würde so die Gesamtdrehwirkung vermindern oder eliminieren. Es ist auch erforderlich, diese Forderung zu erfüllen,

sator-Analysator 17 hmdurchtritt, wandert nach links 60 damit es mögHch wird, ein breites Frequenzband von und fallt dann auf den Spiegel 11, und ein größerer Modulationssignalen verwenden zu können. Außert„:i „..--j ,=— j„ λ _,.__ j._ ,,.,„ ^ , „ . _{dem mußj} ^ _{zu gewänr}ieisten, daß eine ähnliche

Beziehung zwischen der Polarität des elektrischen Mikrowellenfeldes und der Fortpflanzungszeit" eines Zunahmepacks von Lichtwellen in dem Doppeldurch-" tritt des Lichtpacks durch den Kristall 22 aufrechterhalten wird, eine von zwei Bedingungen in bezug auf die Abhängigkeit zwischen der Periode der Mikro-

und erhöht den wirksamen Drehwinkel des äquivalenten, eben polarisierten Strahles.

Der nach links fortschreitende Lichtstrahl tritt dann durch den Polarisator-Analysator 17 hindurch, und die Komponente des elliptisch polarisierten Strahles steht senkrecht zu der ursprünglichen Polarisation und wird quer längs des Pfades c-d reflektiert. Das quer längs des Pfades c-d reflektierte Licht stellt den verwertbaren Ausgang des Modulators dar! Die 50 * Amplitude wird mit der Frequenz der Mikrowellenenergie in dem Mikrowellenhohlraum 25 moduliert, und der Modulationsindex des Ausgangslichtstrahles wird eine Funktion der elektrischen Feldstärke der Mikrowellenenergie in dem Mikrowellenhohlraum 25 sein.

Die ungedrehte Komponente des einmal reflektierten Lichtstrahles, die in der ursprünglichen Polarisationsrichtung polarisiert ist und durch den Polari-

Teil wird längs der Achse des Mehrfachreflexionslichtspfades zurückgerichtet und beginnt wiederum auf dem Pfad zu wandern.

Die optischen Charakteristiken des Mehrfachreflexionslieütpfades sind so gewählt, daß Interferenzeffekte zwischen dem neuen von der Lichtquelle 15 ankommenden Licht und der ungedrehten Kompo-

wellenlänge und der Fortpflanzungszeit eines willkürlichen Lichtpacks von dem Kristall 22 nach dem Endspiegel 12 und wieder zurück existieren. Eine dieser beiden Alternativen besteht darin, daß das Zeitintervall T für einen Zuwachslichtpack, in dem dieser von der linken Fläche des Kristalls 22 durch das Kristall nach dem Spiegel 12 und zurück nach der rechten Fläche des Kristalls 22 gelangt, im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode T_m einer Mikrowellenlänge ist, damit gewährleistet ist, daß der Zuwachspack des Lichtes im wesentlichen die gleiche Größe und Polarität des elektrischen Mikrowellenfeldes »sieht«. Dies ist bei AB in F i g. 2 veranschaulicht. Der Lichtpack AL »sieht« das Mikrowellenfeld an dem Punkt A beim Durchtritt durch den Kristall 22, wenn es von links nach rechts wandert, und es »sieht« im wesentlichen das gleiche Mikrowellenfeld an einem Punkt B bei dem nächsten Zyklus, wenn es wiederum durch den Kristall 22 läuft und dabei von rechts nach links nach Reflexion durch den Spiegel 12 wandert.

Die zweite mögliche Bedingung ist die, daß die Fortpflanzungszeit Tp des Lichtpacks AL beim Wandern von dem Kristall 22 nach dem Endspiegel 12 und zurück so kurz im Vergleich zur Periode einer halben

Mikrowellenlänge -y- ist, daß das elektrische Mikrowellenfeld sich in Größe oder Polarität während dieser Zeit nicht wesentlich ändert. Diese Bedingung ist bei AC in F i g. 2 dargestellt, wobei der Lichtpack AL das Mikrowellenfeld an einem Punkt A »sieht«, wenn es durch den Kristall 22 von links nach rechts wandert, und das Mikrowellenfeld an einem Punkt C »sieht«, der auf der gleichen halben Wellenlänge liegt, wenn es von rechts nach links nach Reflexion durch den Endspiegel 12 durch den' Kristall hindurchtritt.

In der vorstehenden Diskussion wurde die Arbeitsweise des Modulators gelegentlich so beschrieben, als bestände sie wirksam in einer Drehung der Polarisationsebene. Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß der beschriebene elektro-optische Doppelbrechungskristall keine reine Drehung des eben polarisierten Strahles, z. B. infolge des Faradayeffektes, erzeugt. Statt dessen erzeugt der benutzte elektrooptische Kristall elliptisch polarisierte Wellen. Jedoch ist die Erzeugung elliptisch polarisierter Wellen in der Wirkung äquivalent der Drehung einer eben polarisierten Welle, da beide Wirkungen die Erzeugung einer orthogonal polarisierten Komponente der Welle zur Folge haben. Außerdem ist die Wirkung des' Analysators auf die resultierende Welle die gleiche in beiden Fällen, und der Ausgang wird in Abhängigkeit von der Amplitude der orthogonal polarisierten Komponente erzeugt. Aus diesem Grunde wurde zur Vereinfachung der Erklärung der Ausdruck »Drehung« überall dort benutzt, wo dies zweckdienlich erschien.

Der Modulator gemäß der Erfindung kann auch als äußerer Modulator für eine nicht kohärente Lichtquelle benutzt werden.

Eine mathematische Analyse für den letzteren Fall zeigt, daß das Verhältnis von Intensität des Ausgangslichtes (/_aHS) zu Intensität des eben polarisierten Lichteingangs (I_ei„) gleich ist:

dabei ist T die Doppeldurchlässigkeit des Lichthohlraumes, die durch T = (1 — α) gegeben ist, wobei α der Doppelweg-Abschwächungsfaktor des Hohlraumes ist. Ri und R2 stellen die Reflexionsfähigkeit der Spiegel 11 bzw. 12 dar, Θ ist die relative Phasenverzögerung der orthogonalen Komponente, der zusammengesetzten Wellen bei einem einzigen Durchtritt durch den Kristall und die VfWellenplatte in Kombination, und dies ist proportional der Modulationsspannungsgröße eines elektro-optischen Signals.

Die Verbesserung des Modulators gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Einzeldurchtritts- oder nicht Reflexionsmodulatoren kann durch Benutzung des folgenden Ausdruckes bestimmt werden. Diese Formel ist eine Abwandlung der Gleichung (2), wobei V

Θ durch

Vo 2

ersetzt ist.

^laus

(TR₂) sin² Θ
1 - (TA₁ JR₂) cos² Θ

i_ms

hin

Darin gibt V die Größe der an dem elektro-optisehen Kristall des Modulators anliegenden Spannung an, und Vo gibt die Größe der Modulatorspannung an, die erforderlich ist, eine relative 180°-Phasenverzögerung durch das elektro-optische Kristall zu erzeugen, d. h. eine 90°-Winkeldrehung der Polarisationsebene des eben polarisierten Lichtes. F i g. 3 zeigt ein Kurvenbüschel, dessen Kurven nach der Gleichung 2 für verschiedene Werte von α aufgezeichnet ist, wobei die Abszisse Ausdrücke des Span-

V
nungsverhältnisses -ψ- angibt, die erforderlich sind, um eine gegebene relative Phasenverzögerung bei einem nicht reflektierenden Modulator zu erzeugen.

Die Ordinate ist in Ausdrücken des Verhältnisses -^ für einen Mehrfachwegmodulator gemäß der Erfindung aufgetragen. Als spezielles Beispiel ergibt sich unter der Annahme eines Abschwächungsfaktors von 15% und einer relativen Phasenverzögerung von 60° für einen einzelnen Durchtritt durch den Modulator ein erforderliches Spannungsverhältnis für den nicht reflektierenden Modulator von annähernd 0,67. Bei dem erfindungsgemäßen Mehrfachwegmodulator beträgt dieses Verhältnis anffihernd 0,22. Dies entspricht einem Abfall um einen Faktor 3 in der Größe der Modulationsspannung, die dem elektro-optischen System zugeführt wird.

Der beschränkende Faktor bei der Benutzung eines elektro-optischen Kristalls als Modulator ist die Energiedämpfungseigenschaft des Kristalls, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann.

P= V* π 2 ■ FC · tg δ .

Dies ist die Gleichung der Energiedämpfung für ein unvollkommenes Dielektrikum. Bei dem obigen Ausdruck ist V die Größe der Modulationsspannung, F ist die Frequenz des Modulationssignals, C ist die Kapazität des Kristalls, und tg d ist der Verlustfaktor des Kristalls. Da der Spannungsausdruck in der obigen Gleichung quadriert ist, zeigt das obige Beispiel, das den Kurven gemäß F i g. 3 entnommen wurde, daß bei einer gegebenen zulässigen'Energiedämpfung in einem gegebenen Kristall der erfindungsgemäße Modulator eine Zunahme auf den Faktor 9

1 275 2Q6

in der Modulationsfrequenz F zuläßt oder daß bei einer gegebenen Modulationsfrequenz der Energieverlust in dem Kristall um den Faktor 9 vermindert werden kann. Eine Verbesserung dieser Größenordnung macht es möglich und auch praktisch durchführbar, die Modulationsfrequenz des Lichtmodulators in höhere Bereiche des Mikrowellenfrequenzspektrums zu erstrecken.

Die Intensität des Lichtausganges des erfindungsgemäßen Modulators als Funktion der Amplitude der Modulationsspannung ist in F i g. 4 bei verschiedenen Abschwächungsfaktoren dargestellt.

Die Benutzung der Ausdrücke »nicht in Resonanz befindlicher Mehrfachreflexionslichtpfad« soll nur in dem Sinne verstanden werden, daß der optische Pfad zwischen den Spiegeln 11 und 12 nicht die Charakteristik eines Fabry-Perot-Interferometers haben soll. Wenn der erfindungsgemäße äußere Modulator tatsächlich als Fabry - Perot - Interferometer wirken würde, würde er stark mit dem Laser-Lichthohlraum gekoppelt sein, und dies würde den Laser-Hohlraum schwer belasten, was in den meisten Fällen unerwünscht ist. Wenn dies der Fall wäre, könnte es so betrachtet werden, als ob der Endspiegel 12 gemäß Fig. 1 einen Endspiegel eines Laser-Hohlraumes bilden würde und daß der Modulator tatsächlich ein Teil des Laser-Hohlraumes ist. Insofern ist es von einem äußeren Modulator gemäß der Erfindung unterschieden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektro-optischer Modulator zur Erzeugung eines intensitätsmodulierten Lichtstrahles, bei welchem ein Lichtstrahl durch einen Polarisator in einen eben polarisierten Strahl umgewandelt wird, der durch eine aus lichtdurchlässigem Material bestehende elektro-optische Modulationszelle hindurchtritt, die gemäß einem elektrischen oder magnetischen Feld den polarisierten Lichtstrahl in einen zusammengesetzten Strahl umwandelt, dessen erste Komponente in der Ebene orthogonal zu der Primärebene polarisiert ist und dessen Intensität gemäß Änderungen des aufgeprägten elektrischen oder magnetischen Feldes geändert wird, wobei ein Reflektor den zusammengesetzten Strahl so reflektiert, daß er durch die Zelle zurückläuft und eine verbesserte Modulation der orthogonal polarisierten Komponente des Strahles bewirkt, und wobei ein Analysator wenigstens einen Teil des die Modulatorzelle nach zweifachem Durchtritt verlassenden Strahles empfängt und einen Ausgangsstrahl erzeugt, dessen Intensität sich gemäß den Änderungen der Intensität der orthogonalen Komponente ändert, die in dem auf den Analysator auftreffenden Strahl enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (17) den gesamten von der Modulatorzelle (22) nach einem Doppeldurchtritt zurückkehrenden Strahl empfängt und als Analysator für diesen wirkt, daß der Polarisator-Analysator (17) in an sich bekannter Weise in einer Primärebene polarisiertes Licht in beiden Richtungen hindurchtreten läßt, wobei jede in der Orthogonalebene polarisierte Komponente {d) des von der Modulationszelle zurückkehrenden Lichtes durch ein gleichzeitig als Polarisator und Analysator wirkendes Prisma auf einen Detektor abgelenkt wird und daß ein von dem von der Lichtquelle (15) ausgehenden Strahl (30) durchsetzter Reflexionsspiegel (11) sämtliches Licht, das von der Modulationszelle (22) durch den Polarisator-Analysator (17) hindurchtritt, zurück durch den Polarisator-Analysator reflektiert.

2. Elektro - optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisator (17) und der Modulationszelle (22) eine Vorpolarisierzelle (20) vorgesehen ist, die die eben polarisierte Welle in eine zusammengesetzte Welle umwandelt, welch letztere eine in der Orthogonalebene polarisierte Komponente aufweist, auch wenn kein Modulationssignal aufgeprägt ist, und daß die zusammengesetzte Welle der Modulationszelle (22) zugeführt wird.

3. Elektro - optischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorpolarisierzelle ein doppelt brechender Kristall (20) ist, der die orthogonal polarisierte Welle erzeugt, indem durch die Doppelbrechung sowohl eine Primärwelle, die in der Ebene der einfallenden Welle polarisiert ist, als auch eine Welle erzeugt wird, die in der senkrecht dazu stehenden Ebene polarisiert ist und daß die Länge des Kristalls (20) so bemessen ist, daß die beiden Komponenten der Welle beim Durchtritt des Kristalls entsprechenden Phasenverzögerungen unterworfen werden, die voneinander um ungefähr 45° abweichen, d. h. um etwa Ve-Periode der Lichtwelle.

4. Elektro - optischer Modulator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem von der Lichtquelle (15) ausgehenden Strahl (30) durchsetzter Reflexionsspiegel (11) sämtliches Licht, das von der Modulationszelle (22) durch den Polarisator-Analysator (17) hindurchtritt, zurück durch den Polarisator-Analysator reflektiert.

5. Elektro - optischer Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsspiegel (11) Schlitze oder öffnungen für den von der Lichtquelle (15) ausgehenden anfänglichen Lichtstrahl (30) aufweist.

6. Elektro - optischer Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (15) einen Strahl kohärenten Lichtes liefert, der in einem Behälter oder einem Kristall erzeugt wird, die zwischen parallel reflektierenden Spiegeln angeordnet sind.

7. Elektro-optischer Modulator nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des ersten Reflexionsspiegels (12) von der Modulationszelle (22) so kurz ist, daß die Laufzeit des Lichtes von dem Mittelpunkt des elektrooptischen Materials nach dem Spiegel und zurück kurz ist im Vergleich mit einer Halbperiode des modulierten Signals.

8. Elektro-optischer Modulator nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des ersten Reflexionsspiegels (12) von der Modulationszelle (22) so bemessen ist, daß die Laufzeit des Lichtes von dem Mittelpunkt des elektro-optischen Materials in der Zelle nach dem Spiegel und zurück annähernd gleich ist einem geradzahligen Vielfachen von Perioden des Modulationssignals.

9. Elektro - optischer Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens

eine der optischen Oberflächen, durch welche das Licht von der Lichtquelle hindurchläuft oder durch welche es auf dem Doppelweg zwischen den Reflexionsspiegeln reflektiert wird, genügend irregulär ausgebildet ist, um zu gewährleisten, daß keine Kohärenz zwischen dem fortschreitenden und zurückkehrenden Licht besteht, so daß keine

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Interferenz in einem Ausmaß auftritt, das die Arbeitsweise beeinträchtigen könnte.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the Symposium of Optical Masers« des Polytechnic Institute of Brooklyn, April, 16 bis 19, 1963, S. 243 bis 252.

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