DE1298213B

DE1298213B - Optical transmitter or amplifier whose output beam is deflected by ultrasonic waves

Info

Publication number: DE1298213B
Application number: DEJ29454A
Authority: DE
Inventors: Pole Robert Vladimir
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-11-27
Filing date: 1965-11-25
Publication date: 1969-06-26
Also published as: GB1075169A; FR1453762A

Description

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Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Ab- Signalquelle kann sowohl die Frequenz.als auch die lenkung des Ausgangsstrahls eines optischen Senders Amplitude des elektrischen Signals verändern, wooder Verstärkers bekannt. Dabei werden rotierende durch entsprechende Änderungen in der Frequenz Spiegel, Prismen und doppelbrechende Kristalle ver- und Amplitude der Ultraschallwellen 15 erzeugt wendet. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß 5 werden.There are already various methods for starting the signal source, both the frequency and the directing the output beam of an optical transmitter to change the amplitude of the electrical signal, wooder Amplifier known. It will be rotating due to appropriate changes in the frequency Mirrors, prisms and birefringent crystals and amplitude of the ultrasonic waves 15 are generated turns. All of these procedures have in common that 5 become.

das Ablenken des Ausgangsstrahls erst nach dem Das stimulierbare Medium 9 wirkt als Linse auf Verlassen des optischen Senders oder Verstärkers Grund der fokussierenden Wirkung der Flächen 9 c erfolgt. und9d. Die Spiegel 6 und 7 sind in konjungierten Nach anderen bekannten Verfahren erfolgt bereits Flächen bezüglich des stimulierbaren Mediums 9 des innerhalb des optischen Senders oder Verstärkers eine io optischen Senders angeordnet. Daher wird der Beeinflussung seiner Emissionsfähigkeit, so daß das Spiegel 6 durch das stimulierbare Medium 9 auf die erzeugte Licht sich nur in einer ausgewählten Rieh- Fläche des Spiegels 7 abgebildet, während der Spietung ausbreiten kann. Die Beeinflussung der Emis- gel 7 auf die Fläche des Spiegels 6 abgebildet wird, sionsfähigkeit des optischen Senders erfolgt dabei Da die Spiegel 6 und 7 konzentrisch zu den mittels elektrischer oder magnetischer Felder und 15 Flächen 9 c und 9 d angeordnet sind, wird der auch mittels Beugungserscheinungen an Ultraschall- optische Resonator 4 als konjungiert konzentrischer wellen. ■ Resonator bezeichnet. Der Resonator 4 ist winkel-Der optische Sender oder Verstärker gemäß der mäßig indifferent, da es viele mögliche vom Symme-Erfindung, bei dem auch der Ausgangsstrahl auf triepunkt 8 ausgehende und radial verlaufende Wege Grund von Beugungserscheinungen an Ultraschall- ao für die von der Schwingungsausbreitung gibt. Wenn wellen abgelenkt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daher der optische Resonator 4 durch eine geeignete daß das stimulierbare Medium aus zwei symmetri- Anregungsenergiequelle 21 zur Überbesetzung der sehen Teilen besteht, zwischen denen eine scheiben- strahlenden Energiestufen angeregt wird, sendet das förmige Ultraschallzelle angeordnet ist, deren Haupt- stimulierbare Medium 9 Licht in alle vom Symmefläche senkrecht zur Verbindungslinie der Mittel- 25 triepunkt 8 ausgehende Richtungen aus. punkte der Spiegel des optischen Resonators ausge- Gemäß der Erfindung wird die Lichtaussendung richtet ist. des optischen Senders auf eine oder mehrere Rich-Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung tungen durch die Wirkung der Ultraschallzelle 11 bewird nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnun- grenzt. Gemäß den gutbekannten Beugungserscheigen näher erläutert, von denen zeigt 30 nungen erzeugt die Ultraschallzelle ein Beugungs-F i g. la eine schematische Darstellung eines opti- muster, das auf die Spiegel 6 und 7 durch die Linsenschen Senders gemäß der Erfindung, wirkung des stimulierbaren Mediums 9 abgebildetthe deflection of the output beam only after the stimulable medium 9 acts as a lens on leaving the optical transmitter or amplifier due to the focusing effect of the surfaces 9c . and9d. The mirrors 6 and 7 are arranged in conjugated areas with respect to the stimulable medium 9 of the optical transmitter within the optical transmitter or amplifier. Its emissivity is therefore influenced, so that the mirror 6 can spread out through the stimulable medium 9 onto the generated light only in a selected area of the mirror 7 during the reflection. The influencing of the emis- is imaged on the surface of the mirror 6 gel 7, sion ability of the optical transmitter is carried out, since the mirrors are arranged 6 and 7 concentrically to the means of electric or magnetic fields and 15 surfaces 9 c and 9 d, is the well by means of diffraction phenomena at the ultrasonic optical resonator 4 as conjugated concentric waves. ■ called resonator. The resonator 4 is angularly the optical transmitter or amplifier according to the moderately indifferent, since there are many possible from the Symme invention, in which the output beam on triepunkt 8 and radially extending paths due to diffraction phenomena at ultrasonic ao for the vibration propagation gives. If waves is deflected, the optical resonator 4 is characterized by a suitable transmission that the stimulable medium consists of two symmetrical excitation energy source 21 for overpopulating the parts, between which a disk-radiating energy level is excited, the shaped ultrasonic cell is arranged whose main stimulable medium 9 emits light in all directions emanating from the symmetrical surface perpendicular to the line connecting the central triangle 8. According to the invention, the light emission is directed. of the optical transmitter to one or more areas. According to the well-known diffraction disks explained in more detail, of which 30 shows openings, the ultrasonic cell generates a diffraction fi g. 1a is a schematic representation of an optical pattern that imaged the effect of the stimulable medium 9 on the mirrors 6 and 7 by the lens transmitter according to the invention

Fig. Ib eine graphische Darstellung der Intensität wird.Fig. Ib becomes a graph of the intensity.

der verschiedenen Ordnungen des Beugungsbilds, das Die optischen Eigenschaften des optischen Reso-the different orders of the diffraction pattern, which The optical properties of the optical reso-

durch den optischen Sender nach Fig. la erzeugt 35 nators 4 sollen durch eine Gruppe von Strahlen 25 a generated by the optical transmitter according to Fig. La 35 nators 4 are to be through a group of beams 25 a

wurde und bis / in F i g. la erläutert werden. Die für dieses Bei-and up to / in F i g. la be explained. The for this case

F i g. 2 ein Diagramm, das zwei Wege für die Licht- spiel ausgewählten Strahlen 25 α verlaufen senkrechtF i g. 2 is a diagram showing two paths for the light play selected rays 25 α run perpendicularly

aussendung des optischen Senders nach Fig. la zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen 15.Emission of the optical transmitter according to FIG. 1 a for the direction of propagation of the ultrasonic waves 15.

darstellt, die den in der Fig. Ib dargestellten Ord- Beim Durchlaufen der Strahlen 25 durch die Zelle 11When the rays 25 pass through the cell 11, the order shown in FIG

nungen der Beugungsbilder höchster Intensität ent- 40 werden sie in eine Vielzahl von radial diver-the diffraction patterns of the highest intensity, they are divided into a multitude of radially different

sprechen. gierenden Strahlen 256 bis / gebeugt. Die Strahlenspeak. yawing rays 256 to / diffracted. The Rays

Der Querschnitt des optischen Resonators 4 des 25 6 werden durch die Mediumsfläche 9 d am PunktThe cross section of the optical resonator 4 of the 25 6 are through the medium surface 9 d at the point

optischen Senders ist in F i g. la dargestellt. Ein Paar 30 auf dem Resonatorspiegel 7 fokussiert. Die Strah-optical transmitter is shown in FIG. la shown. A pair 30 focused on the resonator mirror 7. The jet

von Spiegeln 6 und 7 bildet die äußere Begrenzung len 25 c bis / werden in ähnlicher Weise an denof mirrors 6 and 7 forms the outer boundary len 25 c to / are in a similar manner to the

des optischen Resonators. Bei den Spiegeln 6 und 7 45 Stellen 31 bis 34 fokussiert.of the optical resonator. For mirrors 6 and 7, 45 points 31 to 34 are in focus.

handelt es sich um Kugelspiegel. Es können jedoch In Übereinstimmung mit den Beugungserscheinunauch Zylinderspiegel verwendet werden. In jedem gen entstehen helle Flecke in dem Bereich der Punkte Falle geht aus der Fig. la die Wirkungsweise des 30, 32 und 34, während der Bereich um die Punkte optischen Resonators an jedem beliebigen Quer- 31 und 33 dunkel ist. F i g. 1 b zeigt die Intensitätsschnitt hervor. 50 verteilung des auf den Resonatorspiegel 7 fokussier-Die Spiegel 6 und 7 haben einen gemeinsamen ten Lichts. Eine Gruppe scharfer Intensitätsmaxima Mittelpunkt 8, der das Symmetriezentrum des gesam- 30', 32' und 34' entspricht den Punkten 30, 32 und 34 ten optischen Resonators darstellt. Das stimulier- auf dem Resonatorspiegel 7. Die Schärfe der Maxima bare Medium des optischen Senders besteht aus zwei hängt von den optischen Eigenschaften der Zelle 15, Teilen 9 α und 9 b mit den Oberflächen 9 c und 9d, 55 des stimulierbaren Mediums 9 und verschiedener andie zentrisch zum Punkt 8 liegen. Die Flächen 9 c und derer Parameter des optischen Resonators ab. Der 9 d sind Kugelflächen. Sie können jedoch auch Zylin- Bereich in der F i g. 1 b, der den Punkten 31 und 33 derflächen sein. Eine Ultraschallzelle 11 wird durch auf dem Spiegel 7 entspricht, läßt erkennen, daß einen piezoelektrischen Kristall 13 angefacht, wo- dort die Intensität im wesentlichen null ist. durch in der Zelle Ultraschallwellen 15 erzeugt wer- 60 Das Diagramm der F i g. Ib zeigt ein Beugungsden. Die Zelle 11 ist mit einem den Ultraschall ab- bild, in dem das Intensitätsmaximuni 32', das die sorbierenden Material dem Anpassungswiderstand 17 höchste Intensität aufweist, als von nullter Ordnung abgeschlossen, so daß alle Ultraschallwellen 15 von bezeichnet wird, da es in der Richtung der Strahlen dem piezoelektrischen Kristall 13 zu dem Anpas- 25 α liegt. Die Intensitätsmaxima 30' und 34', die die sungswiderstand 17 laufen, wobei im wesentlichen 65 nächsthöchste Intensität aufweisen, werden als von keine Reflexionen in die entgegengesetzte Richtung erster Ordnung bezeichnet, da sie denen von nullter erfolgen. Eine Signalquelle 19 führt dem piezoelek- Ordnung benachbart sind. Ein weiteres Paar von trischen Kristall 13 ein elektrisches Signal zu. Diese Intensitätsmaxima ist in Fig. Ib mit zweiter Ord-it is a spherical mirror. However, cylindrical mirrors can also be used in accordance with the diffraction patterns. In each case, bright spots arise in the area of the points trap, the mode of operation of the 30, 32 and 34 can be seen in FIG. F i g. 1 b shows the intensity section. 50 distribution of the focusing on the resonator mirror 7 The mirrors 6 and 7 have a common th light. A group of sharp intensity maxima center 8, which represents the center of symmetry of the entire 30 ', 32' and 34 'corresponds to the points 30, 32 and 34 th optical resonator. The stimulating on the resonator mirror 7. The sharpness of the maxima bare medium of the optical transmitter consists of two depends on the optical properties of the cell 15, parts 9 α and 9 b with the surfaces 9 c and 9 d, 55 of the stimulable medium 9 and different which are centric to point 8. The surfaces 9 c and their parameters of the optical resonator. The 9 d are spherical surfaces. However, you can also see the cylinder area in FIG. 1 b, of the points 31 and 33 derflächen. An ultrasound cell 11 is shown on the mirror 7, reveals that a piezoelectric crystal 13 is fanned, where the intensity is essentially zero. by generating ultrasonic waves 15 in the cell. The diagram in FIG. Ib shows a diffractive end. The cell 11 is imaged with an ultrasound image in which the intensity maximum 32 ', which the sorbent material to the matching resistor 17 has the highest intensity, is of zero order, so that all ultrasound waves 15 are referred to as being in the direction of the rays of the piezoelectric crystal 13 to the adapter 25 α . The intensity maxima 30 'and 34', which run the resistance 17, with essentially 65 having the next highest intensity, are referred to as having no reflections in the opposite direction of the first order, since they occur from those of the zeroth. A signal source 19 leads to the piezoelek order are adjacent. Another pair of tric crystal 13 provide an electrical signal to it. This intensity maxima is shown in Fig. Ib with the second order

nung bezeichnet. Die anderen Beugungsbilder höherer Ordnung sind nicht dargestellt.designation. The other higher order diffraction patterns are not shown.

Für ein vorgegebenes elektrisches Signal der Signalquelle 19 entsteht ein bestimmtes Beugungsbild auf dem Spiegel 6 und 7 während des Anwachsens der Energie in dem stimulierbaren Medium 9, dem die Energie durch die Anregungsenergiequelle 21 zugeführt wird. Wenn jedoch das stimulierbare Medium 9 Licht aussendet, wird die Aussendung auf die Wege beschränkt, längs deren die höchste Güte Q vorhanden ist.For a given electrical signal from the signal source 19, a certain diffraction image is produced on the mirrors 6 and 7 during the increase in energy in the stimulable medium 9, to which the energy is supplied by the excitation energy source 21. If, however, the stimulable medium 9 emits light, the emission is restricted to the paths along which the highest quality Q is present.

Die Güte Q des Lichtwegs, der dem Beugungsbild nuUter Ordnung entspricht, der die höchste Güte aufweist, wird durch ein Paar Blenden 36 und 37 vermindert, die die Aussendung des Lichts des optischen Senders in Richtung des Beugungsbilds nullter Ordnung verhindern. Der Lichtweg mit der nächst höchsten Güte in dem optischen Resonator 4 liegt längs des Weges der Strahlen 25 b und / vor, entsprechend dem Beugungsbild erster Ordnung in F i g. Ib. Licht- ao reflexionen bilden sich entlang der Wege aus, die die Strahlenbündel 25 ft und / durchlaufen, wobei jedes Strahlenbündel ein Beugungsbild erzeugt, das aber gegenüber dem Zentrum der Spiegel 6 und 7 versetzt ist. Da das Beugungsbild nullter Ordnung die höchste Intensität besitzt (und in diesem Fall nicht durch die Blenden 36 und 37 an seiner Ausbildung behindert wird), wächst die Energie längs des Strahlengangs 25 b an. In der gleichen Weise besitzt das Beugungsbild erster Ordnung, das durch die Strahlen 25 / ge- bildet wird, die höchste Intensität und veranlaßt das Anwachsen der Energie in dem Strahlengang 25 /.The quality Q of the light path, which corresponds to the diffraction pattern of the lowest order, which has the highest quality, is reduced by a pair of diaphragms 36 and 37, which prevent the emission of the light from the optical transmitter in the direction of the diffraction pattern of the zeroth order. The light path with the next highest quality in the optical resonator 4 lies along the path of the rays 25 b and /, corresponding to the first order diffraction image in FIG. Ib. Light ao reflections are formed along the paths which the bundles of rays 25 ft and / pass through, each bundle of rays generating a diffraction image which, however, is offset from the center of the mirrors 6 and 7. Since the zero order diffraction image has the highest intensity (and in this case is not hindered in its formation by the diaphragms 36 and 37), the energy increases along the beam path 25b . In the same way, the first order diffraction image formed by the rays 25 / has the highest intensity and causes the energy in the beam path 25 / to increase.

F i g. 2 zeigt die Richtung der Lichtaussendung des optischen Senders. Die Strahlen 25 b und / verlaufen längs den Wegen mit der höchsten Güte Q in dem optischen Resonator 4. Die Aussendung des Lichts des optischen Senders erfolgt bevorzugt längs dieser Wege anstatt längs Wegen mit geringerer Güte Q, die den Beugungsbildern höherer Ordnung, die in Fig. Ib dargestellt sind, entsprechen.F i g. 2 shows the direction of light emission from the optical transmitter. The rays 25 b and / run along the paths with the highest quality Q in the optical resonator 4. The light from the optical transmitter is preferably emitted along these paths instead of along paths with a lower quality Q, which correspond to the higher-order diffraction patterns shown in FIG Ib are shown correspond.

Es wurde ein konjungiert konzentrischer optischer Resonator 4 eines optischen Senders dargestellt, bei dem Beugungserscheinungen dazu benutzt werden, um die Richtung des ausgesandten Lichts selektiv zu beeinflussen. Die Ultraschallzelle 11 liefert fortschreitende Ultraschallwellen 15, die ein Beugungsbild erzeugen, das durch die Linsenwirkung der Teile 9 α und 9 b des stimulierbaren Mediums 9 auf den Spiegeln 6 und 7 abgebildet wird. Die Lage der Beugungsbilder kann durch Verändern der Frequenz des von der Quelle 19 gelieferten Signals geändert werden, während die Intensität des Beugungsbilds jeder Ordnung durch Steuern der Amplitude des von der Quelle 19 gelieferten Signals verändert werden kann.A conjugated concentric optical resonator 4 of an optical transmitter has been shown, in which diffraction phenomena are used to selectively influence the direction of the emitted light. The ultrasonic cell 11 provides progressive ultrasonic waves 15, which generate a diffraction image obtained by the lens action of the parts 9 α and 9 b of the active medium 9 is imaged on the mirrors 6 and 7. FIG. The position of the diffraction patterns can be changed by changing the frequency of the signal supplied by the source 19, while the intensity of the diffraction pattern of each order can be changed by controlling the amplitude of the signal supplied by the source 19.

Das in Fig. Ib dargestellte Beugungsbild liegt symmetrisch zu dem nullter Ordnung. Daher erzeugt der in Fig. la dargestellte optische Resonator, bei dem das Beugungsbild nullter Ordnung unterdrückt ist, zwei Beugungsbilder gleicher Ordnung und gleicher Intensität und sendet das Licht längs zweier Wege aus, wie das in F i g. 2 dargestellt ist.The diffraction pattern shown in Fig. Ib is symmetrical to the zeroth order. Therefore, the optical resonator shown in Fig. La generates at which the zero order diffraction image is suppressed, two diffraction images of the same order and same intensity and emits the light along two paths, like the one in FIG. 2 is shown.

Wenn nur ein Weg für die Lichtaussendung erwünscht ist, wird die Güteß längs einem der in F i g. 2 dargestellten Wege verschlechtert. Ein anderes Verfahren, um nur einen Weg der Lichtausbreitung zu erhalten, besteht darin, die Ultraschallzelle 11 um das Symmetriezentrum 8 zu drehen, während das stimulierbare Medium 9 und die Spiegel 6 und 7 in fester Lage angeordnet bleiben, so daß das Beugungsbild nullter Ordnung außerhalb der Spiegel 6 und 7 anstatt in deren Zentrum zu liegen kommt. Bei diesem letzteren Verfahren wird eine Hälfte des in F i g. Ib dargestellten Beugungsbilds außerhalb der Spiegele und 7 abgebildet, während die restliche Hälfte des Beugungsbilds auf den Spiegeln 6 und 7 abgebildet wird. In dieser Weise wird das gesamte Volumen des stimulierbaren Mediums benutzt, um nur eine Hälfte des Beugungsbilds zu erzeugen, was zu größerer Intensität des ausgesandten Lichts führt.If only one path for the light emission is desired, the quality is along one of the in F i g. 2 ways shown deteriorated. Another method to only use one way of light propagation is to rotate the ultrasonic cell 11 about the center of symmetry 8, while the stimulable medium 9 and the mirrors 6 and 7 remain arranged in a fixed position, so that the zero order diffraction image outside the mirrors 6 and 7 instead of being in the center of it. In this latter method, one half of the amount shown in FIG. Ib shown diffraction image outside the mirrors and 7, while the remaining half of the Diffraction image is imaged on the mirrors 6 and 7. In this way, the entire volume of the stimulable medium used to generate only half of the diffraction image, resulting in larger Intensity of the emitted light leads.

Eine andere Abwandlung des optischen Senders besteht darin, daß eine zweite oder dritte Ultraschallzelle 11 vorgesehen wird, wenn mehr Möglichkeiten zum Beeinflussen der Richtung, in der das Licht des optischen Senders ausgesandt wird, erwünscht sind.Another modification of the optical transmitter is that a second or third ultrasonic cell 11 is provided when more ways to influence the direction in which the light of the optical transmitter is sent, are desired.

Um einen stabilen optischen Sender, der wenig schwingungsempfindlich ist, zu erhalten, kann der Raum zwischen dem stimulierbaren Medium und den Spiegeln 6 und 7 mit einem transparenten Material gefüllt werden, das einen kleineren Brechungsindex als das stimulierbare Medium 9 besitzt, wie beispielsweise Glas, wenn das stimulierbare Medium 9 ein Rubin ist.In order to obtain a stable optical transmitter that is not very sensitive to vibrations, the Space between the stimulable medium and the mirrors 6 and 7 with a transparent material be filled, which has a smaller refractive index than the stimulable medium 9, such as Glass if the stimulable medium 9 is a ruby.

Claims

Patent claims:

1. Optical transmitter or amplifier whose output beam is deflected due to diffraction phenomena of ultrasonic waves, characterized in that the stimulable medium (9) consists of two symmetrical parts (9 a, 9 b) , between which a disc-shaped ultrasonic cell (11) is arranged whose main surface is aligned perpendicular to the line connecting the center points of the mirrors of the optical resonator.

2. Optical transmitter or amplifier according to claim 1, characterized in that the stimulable medium (9) is spherical or cylindrical and is between two concentric spherical shell or cylinder jacket-shaped mirrors (6,7), each of which represents the image surface of the other due to the lens action of the stimulable medium.

3. Optical transmitter or amplifier according to claims 1 and 2, characterized in that that the ultrasonic cell (11) is closed with a sound-absorbing material (17), so that advancing ultrasonic waves form the diffraction grating in the ultrasonic cell.

4. Optical transmitter or amplifier according to claims 1 to 3, characterized in that the formation of the 0 th order diffraction pattern on the reflectors of the optical transmitter attached central diaphragms (36, 37) is prevented.

1 sheet of drawings