DE1539768A1 - Device for modulating, deflecting or otherwise changing the properties of a beam of coherent waves - Google Patents
Device for modulating, deflecting or otherwise changing the properties of a beam of coherent wavesInfo
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Description
ρ 15 39 768.9 Braunschweig, den 23. 12-· 1968ρ 15 39 768.9 Braunschweig, December 23rd - 1968
Unser Zeichen: Kl/kl - C 707Our reference: Kl / kl - C 707
CoF Compagnie de generale de telegraphie Sans FiI
47, Rue Dumont d'Urville
Paris 16 / FrankreichCoF Compagnie de generale de telegraphie Sans FiI 47, Rue Dumont d'Urville
Paris 16 / France
Vorrichtung zur Modulation,Ablenkung oder sonstigen Änderung der Eigenschaften eines Strahls kohärenter WellenDevice for modulation, deflection or other modification the properties of a ray of coherent waves
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Modulation ,Ablenkung oder sonstigen Änderung der Eigenschaften eines Strahls kohärenter Wellen mit Hilfe eines im Strahlengang angeordneten Körpers und mit Mitteln,mit denen die physikalischen Eigenschaften des Körpers veränderbar sind.The invention relates to a device for modulation, deflection or otherwise changing the properties of a beam of coherent waves with the help of an in the beam path arranged body and with means by which the physical Properties of the body are changeable.
Es ist bekannt,in einem Strahl kohärenter Lichtwellen,die von einem Laser ausgehen, bzw.elektromagnetischer Wellen,die von einem Maser ausgehen,einen Kristall,insbesondere Amnoniumdihydrogenphosphat (ADP) oder Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) anzuordnen und durch Anlegen einer Spannung den Dielektrizitätstensor und damit die optischen Eigenschaften des Kristalls zu beeinflussen,um auf diese Weise eine Modulation oder eine Ablenkung des Strahls kohärenter Wellen zu erzielen. Für eine Strahlmodulation mit derartigen KristallenIt is known that in a beam of coherent light waves that emanate from a laser or electromagnetic waves that start from a burl, a crystal, in particular Amnonium dihydrogen phosphate (ADP) or potassium dihydrogen phosphate (KDP) to be arranged and the Dielectric tensor and thus the optical properties of the crystal to influence in this way a modulation or to achieve a deflection of the beam of coherent waves. For beam modulation with such crystals
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Form 20/5 1000 6. 65 fypuc Ü! ιi£s iUyen (Art / s 1 ads. 2 Nr. 1 Satz 3 dos Anaerungsgöts. v. 4. ä. 1967)Form 20/5 1000 6. 65 fypuc Ü! ιi £ s iUyen (Art / s 1 ads. 2 No. 1 sentence 3 dos Anaerungsgöts. v. 4. Ä. 1967)
werden Spannungen benötigt, die im Hochspannungsbereich liegen.voltages are required that are in the high voltage range.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die mit wesentlich geringeren Spannungen betrieben werden kann und mit der wesentlich größere Modulationsbreiten erzielbar sind.The object of the invention is to create a device of the type mentioned at the outset, which has significantly less Voltages can be operated and with which much larger modulation widths can be achieved.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der im Strahlengang der kohärenten Wellen angeordnete Körper ein Halbleiter ist und daß Mittel vorgesehen sind,mit denen die Plasmafrequenz in dem Halbleiter veränderbar ist.This object is achieved according to the invention in that the body arranged in the beam path of the coherent waves is a semiconductor and that means are provided with which the plasma frequency in the semiconductor can be changed.
Bei einer Vorrichtung zur Frequenzmodulation des Strahls kohärenter «Vellen sind in Strahlrichtung hintereinander Elektroden vorgesehen,die den Halbleiter umschließen.In a device for frequency modulating the beam, coherent waves are arranged one behind the other in the direction of the beam Electrodes are provided which enclose the semiconductor.
Bei einer Vorrichtung zur Änderung der Richtung des Strahls kohärenter rfellen sind zwei einander gegenüberliegende Elektroden quer zur Strahlrichtung angeordnet*In a device for changing the direction of the beam of coherent layers, there are two opposing electrodes arranged across the beam direction *
Bei einer weiteren Ausführungsform zur Frequenzmodulation des Strahls ist der Halbleiter zur Strahlrichtung geneigt angeordnet. In a further embodiment for frequency modulating the beam, the semiconductor is arranged inclined to the beam direction.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung zwecks Intensitätsmodulation des Strahls ist zur Beeinflussung der Plasmafrequenz eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hilfslichtstrahles vorgesehen, der auf den Halbleiter projiziert wird und intensitätsmodulierbar ist.In one embodiment of the invention for the purpose of intensity modulation of the beam, a device for generating an auxiliary light beam is provided to influence the plasma frequency, which is projected onto the semiconductor and can be intensity-modulated.
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—3— \ kJ \J \J ß \J \S - 3— \ kJ \ J \ J ß \ J \ S
Bei einer weiteren Ausfiihrungsform ist der Halbleiter in einem parallel zu seiner Achse verlaufendem magnetischen Feld angeordnet.In a further embodiment, the semiconductor is in arranged a parallel to its axis magnetic field.
Als Halbleiter finden vorzugsweise dotierte Halbleiter Verwendung.Doped semiconductors are preferably used as semiconductors.
Es besteht die Möglichkeit,mehrere Halbleiter in der Bahn des Strahls hintereinander anzuordnen,wobei die einzelnen Halbleiter jeweils mit Mitteln zur Änderung der Plasmafrequenz versehen sind, mit denen jeweils spezielle Eigenschaften des Strahls veränderbar sind.There is a possibility of multiple semiconductors in the path of the beam one behind the other, the individual semiconductors each having means for changing the plasma frequency are provided, with each of which special properties of the beam can be changed.
Die Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben:The invention is described below in connection with the drawing:
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung zur Frequenz- oder Amplitudenmodulation eines Wellenstrahls.FIG. 1 shows an example of a semiconductor device for frequency or amplitude modulation of a wave beam.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung,mit der die Ausbreitungsrichtung eines Strahls kohärenter Wellen verändert werden kann.Figure 2 shows a device with which the direction of propagation of a beam of coherent waves can be changed.
Figur 3 zeigt eine Abwandlung einer Vorrichtung zur Frequenzmodulation eines Strahls kohärenter Wellen.FIG. 3 shows a modification of a device for frequency modulation a ray of coherent waves.
Gemäß Figur 1 ist ein Halbleiter S in der Bahn eines kohärenten Lichtstrahls b,der von einem Laser L ausgeht,angeordnet.Eine Gleichspannungsquelle V in Verbindung mit Elektroden A und B, die den Halbleiter S umschließen,gestattet,in den Halbleiter Ladungsträger zu injizieren und zwar in Richtung des elektrischen Feldes,das zu dem Strahl b im wesentlichen parallel verläuft.According to FIG. 1, a semiconductor S is arranged in the path of a coherent light beam b, which emanates from a laser L. One DC voltage source V in connection with electrodes A and B, which surround the semiconductor S, allows in the semiconductor To inject charge carriers in the direction of the electric field, which runs parallel to the beam b substantially.
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Beträgt für eine Spannung V«0 die Dichte der Ladungsträger im Halbleiter n,so führt eine veränderliche Spannung zwischen A und B zu einer Veränderung der Dichte n,die die Plasmafrequenz des Halbleiters (f ) bestimmt.Dabei besteht folgenderFor a voltage V «0 is the density of the charge carriers in semiconductor n, a variable voltage between A and B leads to a change in density n, which is the plasma frequency of the semiconductor (f)
Zusammenhang: ,·>Connection:, ·>
2 1 η + e* 2 1 η + e *
ist: e die Ladung eines Elektrons, m die äquivalenteis: e is the charge of an electron, m the equivalent
Ladungsmasse und £ die Dielektrizitätskonstante des ψ Halbleiters.Charge mass and £ the dielectric constant of the ψ semiconductor.
Der Strahl b kann den Halbleiter S nur dann durchdringen,wenn die Strahlfrequenz f gleich oder höher als f ist.Im letzteren Fall tritt der Strahl am Ausgang von S mit einer Phasenverschiebung aus,die von dem Verhältnis von f„/f abhängt. Es genügt daher,einen Halbleiter zu verwendender eine Dichte η aufweist, derart,daß f <f ist, und die Dichte der Träger durch Einwirken auf die Injektion zu verändern. Das letztere erfolgt durch die Spannung V derart,daß f sich verändert und immer niedriger ' als f bleibt,um am Ausgang von S einen Strahl b' zu erzielen, der phasenmoduliert und somit auch frequenzmoduliert ist.The beam b can penetrate the semiconductor S only if the beam frequency f is equal to or higher than f. In the latter case, the beam emerges at the exit of S with a phase shift which depends on the ratio of f / f. It is therefore sufficient to use a semiconductor which has a density η such that f <f and to change the density of the carriers by acting on the injection. The latter is effected by the voltage V in such a way that f changes and always remains lower than f in order to obtain a beam b 'at the output of S which is phase-modulated and thus also frequency-modulated.
Es ist weiterhin möglich,die Anordnung nach Figur 1 zu verwenden,wenn fD>f ist. Dabei wird der Strahl total reflektiert, wenn kein quer verlaufendes elektrisches Feld (V=*O) vorhanden ist. Bei Anlegen von Spannungen V kann jedoch der Strahl am Ausgang von S mit von V abhängigen Dichten zum Austritt gebracht w4rden.Es wird so eine Amplitudenmodulation des Anfangssignals erzielt,die von einer Phasen- bzw.Frequenzmodulation It is also possible to use the arrangement according to FIG. 1 if f D > f. The beam is totally reflected if there is no transverse electric field (V = * O). If voltages V are applied, however, the beam at the output of S can be brought to the exit with densities that depend on V. In this way, an amplitude modulation of the initial signal is achieved that of a phase or frequency modulation
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begleitet ist.909829/0885
is accompanied.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung,bei der ein dotierter Halbleiter S verwendet wird,in dem sich die Trägerdichte quer zur Richtung des Laserstrahls ändert. Derartige räumliche Änderungen treten naturgemäß in Halbleitern infolge der Diffusion der injizierten Träger auf. Ist die Bedingung f < f erfüllt,so bildet der Halbleiter S für den ve« ihn durchdringenden Strahl ein Medium mit veränderlichem Index in Richtung senkrecht zum Strahl.Figure 2 shows a device in which a doped semiconductor S is used in which the carrier density changes across the direction of the laser beam. Such spatial changes naturally occur in semiconductors as a result of the diffusion of the injected carriers. Is the condition f If <f is fulfilled, the semiconductor forms S for the ray penetrating it a medium with variable index in the direction perpendicular to the beam.
Der Strahl wird daher gebeugt und tritt aus dem Halbleiter S als Strahl b1 mit einer neuen Richtung unter einem Winkel '< zur ursprünglichen Richtung aus.Die neue Richtung kann durch eine Spannung V verändert werden,die zwischen den Elektroden A1 und B1 angelegt wird,so daß ein elektrisches Feld senkrecht zum Strahl entsteht. Folglich kann durch Einwirken auf die Injektion durch V in einfacher Weise elektronisch die Strahlrichtung verändert werden.The beam is therefore bent and emerges from the semiconductor S as beam b 1 with a new direction at an angle '<to the original direction. The new direction can be changed by a voltage V applied between the electrodes A 1 and B 1 so that an electric field is created perpendicular to the beam. Thus, by acting on the injection through V, the direction of the jet can be changed electronically in a simple manner.
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung,bei der der Halbleiter S zum Strahl b geneigt angeordnet und so dotiert ist,daß er in Längsrichtung ein starkes Gefälle der Ladungsträgerdichte hat. Flächen gleicher Dichte/sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Eine dieser Flächen,^ , hat eine Plasmafrequenz,die Höher als die Frequenz des Lasers ist. Der Strahl b wird daher an dieser Fläche total reflektiert und kehrt als b' zurück. Durch Modulation der Spannung V wird die Fläche^, veranlaßt, in Strahlrichtung mit einer wechselnden Geschwindigkeit U vorwärts und rückwärts zu wandern.Für kleine Ablenkwinkel ist die Frequenz f' des reflektierten Strahls gegeben durch :Figure 3 shows a device in which the semiconductor S for Beam b is inclined and doped so that it is in the longitudinal direction has a steep gradient in the density of charge carriers. Areas of equal density / are shown by dashed lines. One of these surfaces, ^, has a plasma frequency that Is higher than the frequency of the laser. The ray b is therefore totally reflected on this surface and returns as b '. By modulating the voltage V, the area ^, is caused in the direction of the beam with an alternating speed U To hike forward and backward. For small angles of deflection is the frequency f 'of the reflected beam given by:
9 0 9 8 2 9/08859 0 9 8 2 9/0885
Ο IJΟ IJ
f ( i =. =— ) ' (c = Lichtgeschwindigkeit)f (i =. = - ) '(c = speed of light)
Der Strahl ist daher frequenzmoduliert.The beam is therefore frequency modulated.
Die Erfindung kann auf verschiedene andere Arten neben den in den Figuren 1—3 erläuterten ausgeführt werden. Beispielsweise kann die genannte Plassiiafrequenz durch einen Hilfslichtstrahl^ der auf den Halbleiter projiziert und intensitätsmoduliert fc wird,verändert werden,statt durch eine elektrische Spannung.The invention can be practiced in various other ways besides those illustrated in Figures 1-3. For example can the said Plassiia frequency by an auxiliary light beam ^ which is projected onto the semiconductor and is intensity-modulated fc, instead of being changed by an electrical voltage.
Es ist somit möglich,in dem Halbleiter eine Folge von itfanderwellen suit einer Frequenz N zu erregen,die im wesentlichen niedriger als die Laserfrequenz ist. Diese ./ellenzüge erzeugen in dem Halbleiter Zonen, in denen f <" f ist ,-weiche mit Zonen3 It is thus possible to excite a sequence of itfander waves at a frequency N which is substantially lower than the laser frequency in the semiconductor. These ./ellenzzüge create zones in the semiconductor, in which f <"f, - soft with zones 3
in denen f > f ist,abwechseln, und breiten sich längs des Pin which f> f alternate and spread along the P.
Halbleiters mit einer Phasengesehwindi^keit U aus,die u.a.von N abhängt φ Der otrahi wird von der ersten Zone,auf die er aufgrifft und in der f >f ist ,reflektiert .„ähnlich wie bei der Vorrichtung gemäß Fig,3 , Da diese Zone in Bezug auf eine feste Ebene mit einer Geschwindigkeit U wandert,besteht wieder die Beziehung:Semiconductor with a phase velocity U, which depends on N φ The otrahi is reflected from the first zone on which it hits and in which f> f. "Similar to the device according to FIG. 3, since this zone moves with a velocity U in relation to a fixed plane, there is again the relationship:
f af ( 1- JLIL- )f a f (1- JLIL-)
Es ist weiterhin möglich,in dem Halbleiter fellen vom "Helicon"-Typ zu erregeneDiese winden vor JaGrSmillet in "Les Annales de Radioelectrcite" K3EX,April 19649SO122-160 und Juli 1964, S«232 ■» 2569f/i@ auch vor EeBovj®FB U0M0C,Steele in "Proceedings of the I££E,Ok.tα 1964,S. 1107-1108, beschrieben. Der HalbleiterIt is also possible, skins in the semiconductor from the "Helicon" type to attract e These squirm before JaGrSmillet in "Les Annales de Radioelectrcite" K3EX, April 1964 9 S O 122-160 and July 1964, P "232 ■" 256 9 f / i @ also before E e Bovj®FB U 0 M 0 C, Steele in "Proceedings of the I ££ E, Ok.tα 1964, pp. 1107-1108. The semiconductor
y u J ö ι a / υ b υ b Bm ommi |yu J ö ι a / υ b υ b Bm ommi |
wird dabei in einem magnetischen Feld parallel zur Achse des Halbleiters angeordnet und auf Grund dieses Feldes können sich die Heliconwellen im Halbleiter fortpflanzen,obgleich ihre Frequenz niedriger als die Plasmafrequenz des Halbleiters ist. Die Heliconwellen erzeugen in dem Halbleiter Trägerdichten, die mit der Phasengeschwindigkeit der Wellen wandern.is arranged in a magnetic field parallel to the axis of the semiconductor and can due to this field the helicon waves propagate in the semiconductor, although their frequency is lower than the plasma frequency of the semiconductor is. The helicon waves generate carrier densities in the semiconductor, which migrate with the phase velocity of the waves.
Da das Magnetfeld zu schwach ist,um das Lichtsignal zu beeinflussen, ist das letztere nur gegenüber den Dichteschwankungen empfindlich,die die Heliconwellen begleiten. Dies führt zu ™ einem Betrieb ähnlich wie nach Figur 3,gestattet jedoch eine größere Frequenzänderung.Since the magnetic field is too weak to influence the light signal, the latter is only sensitive to the density fluctuations that accompany the Helicon waves. This leads to ™ an operation similar to that of FIG. 3, but allows a greater change in frequency.
Die Erfindung kann vielfach Anwendung finden.Als Beispiel sei eine Anordnung genannt,bei der ein auf einen Empfänger-Bildschirm gerichteter Laserstrahl drei Halbleitervorrichtungen durchläuft,von denen die eine den Strahl in seiner Intensität entsprechend den Modulationssignalen moduliert,während die beiden anderen Vorrichtungen den Strahl in zwei zueinander senkrechten Richtungen ablenken. Es wird so eine äquivalente Anordnung zu einer Fernsehempfänger-Bildröhre,bei der ein intensitätsmodulierter Elektronenstrahl vertikal und horizontal abgelenkt wird,geschaffen. Fügt man eine vierte Halbleitereinrichtung zur Frequenzmodulation des Strahls mit den Chrominanzsignalen hinzu,so kann auf dem Schirm ein Farbfernsehbild erzeugt werden. Die Erfindung kann auch bei von MASER-Einrichtungen (Microwave Amplifiers by Stimulated .Emission of Radiation) angewandt werden,die nach dem gleichen Prinzip kohärente Wellen mit lediglich anderer Frequenz (UHF) erzeugen.The invention can be used in many ways. Let me take as an example called an arrangement in which a laser beam directed at a receiver screen three semiconductor devices one of which passes through the beam in its intensity according to the modulation signals, while the other two devices modulate the beam in two to each other deflect vertical directions. It thus becomes an arrangement equivalent to a television receiver picture tube in which a Intensity-modulated electron beam is deflected vertically and horizontally, created. A fourth semiconductor device is added to the frequency modulation of the beam with the chrominance signals, a color television picture can be displayed on the screen be generated. The invention can also be used in MASER devices (Microwave Amplifiers by Stimulated. Emission of Radiation), which use the same principle to generate coherent waves with only a different frequency (UHF).
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