DE1541725A1

DE1541725A1 - Magisches Tee mit Gitter

Info

Publication number: DE1541725A1
Application number: DE19661541725
Authority: DE
Inventors: Garrett Charles Geoffre Blythe
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-11-30
Filing date: 1966-08-17
Publication date: 1970-04-02
Also published as: GB1165553A; US3436143A; DE1541725B2

Description

Magisches Tee mit Gitter

Die Erfindung betrifft Einrichtungen, um Strahlungen, insbesondere Strahlungen im infraroten oder jenseits des infraroten Teils des elektromagnetischen Spektrums zu kombinieren.

Eine Vielzahl von Vorschlägen ist in jüngster Zeit auf die Nachrichtenübertragung im sichtbaren, im infraroten oder jenseits des infraroten Teils des elektromagnetischen Spektrums gerichtet. Diese Vorschläge wurden auf Bauelemente wie Oscillatoren, Verstärker, Modulatoren, Frequenzschieber und Fokussiereinrichtungen für derartige Nachrichtenverbindungen konzentriert.

Trotzdem wird eine Anzahl von anderen Einrichtungen für die erfolgreiche Verwirklichung eines derartigen Nachrichtensystems benötigt. Hierunter befinden sich Einrichtungen zur Kombination von zwei Eingangsstrahlen um z. B. die Summe und die Differenz der Amplitudenphasensektoren dec beiden Eingangsstrahlen mit gleicher Frequenz zu liefern. Der Digferenzausgang für in Phase befindliche Strahlungen ist in Nullabgleichsystemen nützlich, während der Summenausgang für in Phase befindliche Strahlungen für automatische

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Verstärkungsregelungsanordnungen nützlich ist, um die Sättigung von Vielkanalverstärkern zu verhindern. In dem allgemeineren Fall einer Vektorsumme oder Differenz erlaubt ein Vergleich der Summen-und Differenz Strahlungen die Bestimmung ihrer Eingangsamplituden oder ihrer relativen Eingangsphase, wenn einer dieser drei Werte gegeben ist.

Eine derartige Einrichtung wird manchmal "Magisches T" genannt. Trotzdem besteht keine Einrichtung dieser Art, die für infrarote Strahlung, insbesondere ungelenkte infrarote Strahlung geeignet ist.

Diese Erfindung hat daher das Ziel, die Amplitudenphasenvektorsumme und -Differenz von zwei Eingangsstrahlungen gleicher Frequenz im infraroten und jenseits des infraroten Teils des Spektrums zu liefern.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Amplitudenphasenvektorsumme und -differenz von zwei gleichpolarisoerten Eingangsstrahlungen dieser Art von einem dünnen verlustfreien metallischen Gitter geliefert werden kann, das so orientiert ist, daß es beide Strahlen mit dem gleichen Einfallswinkel 0 auf entgegengesetzten Seiten empfängt, wobei der reflektierte Teil des einen Strahls in einer Linie mit dem durchgelassenen Teil des anderen Strahls liegt. Für die Erfindung ist kennzeichnend, daß die durchgelassenen und reflektierten Teile jedes Eingangs Strahls gleiche Amplitude

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haben, d.h. daß die Energie jedes Eingangsstrahls in zwei Hälften ohne Seitenbeugungskeulen aufgespalten wird und daß die d und der Mittenabstand a der langgestreckten parallelen Gitterelemente

Grenzen liegen.

Insbesondere liegt entsprechend einem Merkmal der Erfindung daa Verhältnis der Eingangs wellenlänge "λ zum Mittelabstand a der Elemente im Bereich

1 + sin 0 < Ά << 9 cos 0 (1)

wobei das Verhältnis a zum Gitterparameter D einer nachfolgend angeführten Beziehung genügt, bei der der Gitterparameter D die Elementbreiie d ist, wenn die Gitterelemente sich parallel zur Polarisation der Strahlen ausdehnen und bei der der Gitterparameter D der Spalt a-d ist, wenn sich die Gitter elemente senkrecht zur Polarisation der Strahlen ausdehnen.

Es sei bemerkt, daß die im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Polarisation die Polarisation des elektrischen Feldvektors der Strahlung ist. Es ist möglich, jede Polarisation in Bezug auf die Richtung der Längs ausdehnung der Gitterelemente zu benutzen, vorausgesetzt daß das Gitter in entsprechender Weise ausgebildet ist. Doch soll in allen Fällen die Richtung der Längs aus dehnung der Gitter elemente senkrecht zur Einfallsebene liegen, wobei diese Ebene die Ebene ist, die durch die Senkrechte zum Gitter und die Fortpflanzungsrichtung des Eingangsstrahls beim Auftreffen auf das Gitter definiert ist. D fi Q ft IA/(J'M 1

6AD ORIGINAL

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung läßt sich anhand der nachfolgenden eingehenden Erläuterung und der beigefügten Zeichnungen erreichen.

Fig. 1 zeigt Kurven, welche den Zusammenhang der Eigenschaften eines metallischen Gitters bei erfindungsgemäßer Verwendung beschreiben.

Fig. 2 zeigt ein Schema der Beziehungen der Reflexion und der Durchlässigkeit für ein verlustfreies metallisches Gitter.

Fig. 3 ist teilweise eine schematische Aufsicht und teilweise ein Blockschema, das eine bevorzugte Ausführung der Erfindung zeigt, wobei die Vektordiagramme A-F Beispiele der AmplitudenphasenvektorbeZiehungen an den angegebenen Punkten in der Ausführung der Fig. 3 geben.

Fig. 4 ist eine bildliche Vorderansicht des in der Aasführung der Fig. 3 verwendeten metallischen Gitters.

Fig. 5 ist teilweise eine schematische Aufsicht und teilweise ein Blockschema, das eine andere Ausführung der Erfindung zeigt, bei der ein dielektrisches Trägermaterial für das metallische Gitter verwendet wird.

Fig. 6 zeigt eine Abänderung der Ausführung der Fig. 5 unter Verwendung von Ein- und Austrittflächen mit Brewster'schem Winkel auf dem dielektrischen Trägermaterial anstelle eines Antireflexüberzugs.

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Fig. 7A, 7B und Fig. 7C zeigen eine Aufsicht, eine Vorderansicht und eine Seitenansicht einer anderen Abänderung der Ausführung der Fig* 5, bei der ebenfalls Eintritts- und Austrittsflächen mit Brewster¹ schem Winkel benutzt werden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der ein senkrechtes Einfallen der Strahlen auf dem Gitter benutzt wird.

Eine kurze Erklärung der theoretischen Grundlage der Erfindung wird zum Verständnis der verschiedenen Ausführungen und ihrer Arbeitsweise nützlich sein.

Wenn eine Strahlung auf eine Anordnung von langgestreckten parallelen leitenden Elementen auftrifft, die senkrecht zur Anordnung verhältnismäßig dünn sind, treten kennzeichnende Phasenverschiebungen zwischen dem einfallenden, reflektierten und durchgelassenen Wellen in der Ebene eines derartigen Gitters auf, die den Grenzbedingungen der elektrischen und magnetischen Felder genügen. Dies gilt für infrarote Strahlungen und für Strahlungen jenseits des Infraroten, wie auch für sichtbare Strahlungen und Mikrowellenstrahlungen.

Die bisherige Entwicklung von Gittern zur Verwendung als Mikrowellenpolarisierungselemente hat diejenigen Gitter mit Elementen, die sich parallel zur Polarisation des elektrischen Feldes ausdehnen, als induktive Gitter behandelt, während diejenigen Gitter mit

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Elementen, die sich senkrecht zur Polarisation des elektrischen Feldes ausdehnten, als kapazitives Gitter behandelt wurden. Es wurde gezeigt, daß zur Erzielung der gleichen Arbeitsweise der beiden Gitterarten das Verhältnis des Mittelabstands a zur Elementbreite b bei einem induktiven Gitter gleich dem Verhältnis des Mittelabstands a zum Spalt a-d zwischen den Elementen bei einem kapazitiven Gitter sein soll. Für die jeweiligen Gitterarten können die Parameter M und a-d als Gitterparameter D bezeichnet werden.

Für den Fall eines teilweise reflektierenden und teilweise durchlassenden Gitters soll die nachfolgende Vektorbeziehung definiert werden:

1 + r = t, (2)

wobei r die Reflexion und t die Durchlässigkeit des Gitters ist.

Für ein erfindungsgemäß verwendetes Gitter ist zu fordern, daß

I?I - |t| (3,

d. h. die Größe der Reflexion und der Durchlässigkeit muß gleich sein, damit ein Eingangs strahl gleichmäßig zwischen den reflektierten und durchgelesenen Komponenten aufgespalten wird«

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In Fig. 2 ist eine grafische Darstellung angegeben, die zur Erläuterung dieser Beziehung nützlich ist. Es ist ein Kreis 21 mit einem Einheitsradius geschlagen, der den Eingangsstrahl darstellt. Um die Bezugaamplitude und Phase zu schaffen, wird ein Einheitsvektor von der Mitte des Kreises zu einem Punkt auf dem rechten Teil des Kreises gerichtet. Dann wird zwischen dem diametral gegenüberliegenden Punkt und der Mitte ein Kreis 22 mit dem Durchmesser 1 geschlagen. Dieser Kreis 22 ermöglicht es, die notwendige 90 -Beziehung zwischen der Reflexion und der Durchlässigkeit zu erhalten, in dem diese in einen halbkreisförmigen Teil des Kreises eingeschrieben werden, er ermöglicht ferner der Forderung zu genügen, daß für ein vollkommen reflektierendes Gitter (t = 0) eine Eingangsquelle bei der Reflexion eine 180 Phasenumkehr erleidet. Man sieht, daß für Jrj = \ t j der Vektor f bei -135° oder -(180 -45°) in Bezug auf den Einheitsvektor eingeschrieben wird. Um t als Vektorsumme von r und dem Einheitsvektor zu erhalten, wird ein Parallelogramm vervollständigt.

Aus den grafisch in Fig. 2 erläüterden Prinzipien und aus gewissen anderen technischen Betrachtungen können die notwendigen Eigenschaften des Gitters hergeleitet werden, um die erforderlichen Beziehungen zwischen der Reflexion und der Durchlässigkeit zu erhalten. Insbesondere sind die Grenzen für das Verhältnis der Wellenlänge "X. zum Mittelabstand a in der obigen Einführung als

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Gleichung 1 gegeben. Es sei bemerkt, daß die Wellenlänge Ά in Gleichung (1) die Wellenlänge im dielektrischen Trägermedium ist, wenn das Gitter durch ein derartiges Medium getragen wird. Eine grafische Darstellung der Beziehung von D/^ zu a/^ ist in Fig. 1 als Kurve 12 für den Fall eines 45 Einfalls der Eingangs strahlen gegeben. Damit die Werte für andere Einfallswinkel leichter berechnet werden können, ist die Kurve für senkrechten Einfall der gleichen durchgelassenen und reflektierten Komponenten ergibt, in Fig. 1 als Kurve 11 dargestellt. Es sei weiter bemerkt, daß für einen nicht senkrechten Einfall die Richtung der Längsausdehnung der Gitterelemente senkrecht zur Einfallsebene, d.h. zur Ebene mit dem Winkel 0 liegen soll.

Nachfolgend sind repräsentative Werte für die Kurven 11 und 12 gegeben, die zur Berücksichtigung einer Änderung des Einfallswinkels 0 verallgemeinert sind:

D cos Q .X

0.00053 0,0012 0, 0029 0,0098 0,011 0,027 0, 08 0,19 0,36 0,47 0,60

009&U/07VV -_.

a	cos 0
	X
0.	105
o,	121
0,	145
0,	197
0,	2
o,	272
o,	4
o,	6
o,	8
o,	9
1,	0

In jedem Fall ist ^, die Wellenlänge im Trägermedium, wenn ein solches vorhanden ist, sonst ist X die Wellenlänge im freien Raum oder in der Atmosphäre.

Um die Herstellung von metallischen Gittern zur Verwendung im infraroten Teil des Spektrums zu erleichtern, ist der nachfolgende Parameterbereich vorzuziehen, der innerhalb des breiten oben in Gleichung (1) spezifizierten Bereichs liegt.

1, 2 (1-tein 0)< ^ < 5, 6 cos 0 (4)

cL

In dieser Beziehung liefert der Faktor 1, 2 einen bevorzugten Spielraum in Bezug auf den Grenzwert für seitliche Beugungskeulen. Während der Faktor 5,4 demFaktor 9 in Gl. (1) aus praktischen Betrachtungen vorzuziehen ist, die sich auf die Breite der Elemente und der Spalte zwischen ihnen beziehen, welche in der Nähe dieser Grenze klein sind.

Die bevorugte Ausführung der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Das metallische Gitter 34, das aus den langgestreckten Elementen 31 besteht, deren Enden zu sehen sind, ist ein Gitter allgemeiner Art, das Gitter ohne Träger genannt wird. Wie aus der Vorderansicht der Figur 4 ersichtlich ist, sind die einzelnen Elemente 31 an ihren Enden in den metallischen Halterungen 38 und 39 an-

Auf
geordnet. jAjiybjn das Gitter 34 fallen zwei Eingangsstrahlen der Quellen 32 und 33, die beide eine Polarisation des elektrischen Feldes haben, die parallel zu den Gitterelementen 31 liegt. Bie

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Quellen 32 und 33 sind so angeordnet, daß sie ihre Strahlen unter dem gleichen Winkel 0 auf die entgegengesetzten Seiten des Gitters richten, wobei die reflektierte Komponente des einen Strahls ineiner Linie mit der durchgelassenen Komponente des anderen Strahls liegt.

Für Eingangs Strahlungen von 119 η haben die Gitterelemente 31 vorzugsweise eine Breite d = 0,033 χ 119 η oder 3, 93 « und einen Mittelabstand von 0, 365 χ 119 ii oder 43,4 ja. Die Herstellung eines derartigen Gitters ohne die elektrischen Träger liegt innerhalb der Möglichkeiten des Standes der derzeitigen Technik. Z. B. werden z. Zt, derartige feine Gitter ohne Träger in der Fernsehröhrenkameratechnik verwendet, sie sind im Handel erhältlich.

Die Quellen 32 und 33 sind z.B. Wasserdampf-Laser der Art, wie sie von W. R. Benett jr. im Aufsatz "inversion Mechanisms in Gas Lasers¹¹, Applied Optic Supplement No. 2, Chemical Lasers, (1965) Seite 3 ff und Seite 33 beschrieben sind. Sie arbeiten bei der Wellenlänge 118, 65 η jenseits des infraroten Gebiets, Diese Laseranordnungen sind von L. El, S. Mathias und A_? Crocker in y Letters, 13, S. 35 (1964) oder von A. Crocker u«a, in Nature, 201, S, 250 (1964) beschrieben.

OQtlU/0911

Zur Vereinfachung der Erklärung der Arbeitsweise der Ausführung der Figur 3 ist angenommen, daß die Quellen 32 und 33 einen Abstand vom Gitter 34 haben, so daß die coherente Welle des Strahls der Quelle 33 der coherenten Welle des Strahls der Quelle 32 um 90 in der relativen Phase am Gitter 34 nacheilt. Ferner ist angenommen, daß die Quellen 32 und 33 in der Phase durch die Phasenverkopplungsschaltung 35 verkoppelt sind. Diese Beziehung ist durch die Amplitudenphasenvektordiagramme A und B angedeutet, welche die relativen Phasen der einfallenden Wellen am Gitter 34 angeben. Es sei besonders bemerkt, daß diese Amplitudenphasenvektoren nicht mit den Polarisationen der Welle verwechselt werden dürfen, die für beide Wellen die gleichen sind. D.h. die elektrischen Feldstärkevektoren liegen parallel zu den Gitterelementen in Fig. 3. Die reflektierte Komponente der Welle der Quelle 32 erleidet beim Verlassen des Gitters 34 im Vergleich zur einfallenden Welle eine Phasennacheilung von 180 -45 . Die 45 -Komponente wurde oben anhand der Figur 2 erklärt. Diese Phasennacheilung ist im Diagramm fi! dargestellt. Die durchgelassene Komponente der Welle der Quelle 33 erleidet am Gitter 34 im Vergleich zur einfallenden Welle der Quelle 33 eine Phasennacheilung von 45 wie im Diagramm D dargestellt ist. Daher sind die beiden eben genannten Komponenten in Phase und ihre Amplituden addieren sich arithmetisch. Da die Amplituden der sich addierenden Komponenten jeweils proportional den entsprechenden Eingangsamplituden sind, ist die Summe der Komponentenamplituden proportional der Summe der Eingangsamplituden. 009Θ1 Λ

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Die reflektierte Komponente der Quelle 33 erleidet am Gitter 34 im Vergleich zur Eingangswelle der Quelle 33 eine zusätzliche Phasennacheilung von 180 - 45 , wie es im Diagramm F dargestellt ist. Die durchgelassene Komponente der Welle der Quelle 32 erleidet am Gitter 34 im Vergleich zur einfallenden Welle der Quelle 32 eine Phasennacheilung von 45 , wie es im Diagramm E dargestellt ist. Daher sind die beiden letzterwähnten Komponenten um 180 außer Phase, wie es in den Diagrammen E und F dargestellt ist, wobei die kleinere Amplitude von der größeren subtrahiert wird. Da die Komponentenamplituden jeweils proportional den entsprechenden Eingangs amplituden sind, ist die ergebende Amplitudendifferenz proportional der Amplitudendifferenz der Eingangsamplitude.

Das obige Beispiel der Arbeitsweise wurde für eine relative Phase von 90 der Eingangswellen gegeben, um eine kollineare Vektorkombina« tion am Ausgang zu erhalten. Trotzdem wird im allgemeinen Fall, bei dem die Eingangswellen eine andere Phasendifferenz als 90 haben, eine Vektorsumme und eine Vektordifferenz das Ergebnis der beiden Ausgangskombination sein. Wie oben erwähnt wurde, können zwei der drei Eingangsparameter, d.h. die jeweiligen Amplituden oder die relative Phase, berechnet werden, wenn einer von ihnen und die Ausgangsamplituden gemessen werden. Ferner wurde das obige Beispiel der Arbeitsweise für ein induktives Gitter 34 gegeben. Für ein kapazitives Gitter 34 (die Wellen sind so polarisiert, daß der elektrische Feldstärkenvektor senkrecht zu den

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Elementen 31 ist und der Spalt zwischen den Elementen beträgt nunmehr O, 033 χ 119 u, während die Elementbreite d gleich (-0, 365-0, 033) χ 119 u ist) erleiden die jeweiligen durchgelassenen oder reflektierten Komponenten, die den oben beschrieb benen entsprechen, Phasenvoreilungen, deren Größe gleich den oben angegebenen Phasennacheilungen ist.

Es kann ferner wünschenswert sein, die vorliegende Erfindung für Eingangs strahlen im Bereich von 8-14 η zu verwenden, der ein sogenanntes atmosphärisches Fenster im infraroten Teil des Spektrums ist. Insbesondere ist für X« = 10, 6 η D/λ» = 0,33 und a/λ. etwa gleich 0, 92 für ein Gitter ohne Träger.

Ein derartiges Gitter ohne Träger ist schwieriger herzustellen als das oben beschriebene Gitter ohne Träger, Daher ist es in einem derartigen Fall vorzuziehen, stattdessen ein Gitter mit Träger zu benutzen, wie es in den Figuren 5, 6 oder 7A, B, C dargestellt ist.

Bei dem in Figur 5 dargestellten Gitter mit Träger sind die Gitterelemente 51 auf der breiten Fläche eines rechtwinkligen Prismas 55 aus Silicium angeordnet, derart, daß die anderen Flächen des Blocks senkrecht zu den Richtungen einer der beabsichtigten Eingangsstrahlungen und einer der beabsichtigten Ausgangs Strahlungen liegen. Die Gitterelemente 51 können auf dem Block 55 durch ein fotografisches Verfahren aufgebracht werden. Ein weiteres recht-

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winkliges Prisma 54 aus Silicium wird dann mit seiner breiten Fläche auf die Gitterelemente 51 mit solchem Druck aufgepreßt, daß eine.glatte Grenzfläche von Silicium zu Silizium entsteht. Andererseits kann eine Grenzfläche von Luft zu Silizium vermieden werden, wenn zwischen die Elemente 51 auf der Fläche des Blocks 55 zusätzlich kristallines Silizium aufgebracht wird bevor der Bbck 54 gegen die Fläche gedrückt wird. Jedes dieser Verfahren kann auch bei den abgeänderten Ausführungen der Figuren 7 und benutzt werden, -rfi/ die später beschrieben werden.

Ein Antireflexüberzug 56 wird auf die anderen Oberflächen des Siliziumblocks 54 entweder vorher oder zuletzt bei der Herstellung aufgebracht, um unerwünschte Reflexionen an den Oberflächen, durch die die Strahlung hindurchgehen soll, zu verhindern. In gleicher Weise werden die offenen Oberflächen des Blocks 55,durch die die Strahlung hindurchgehen soll, mit Antireflexüberzügen versehen. Diese Überzüge können z. B. Siliziummonoxid sein, das auf der Oberfläche des Siliziums entsteht und das einen Brechungsindex von etwa 1, 84 hat. Man sieht, daß dieser Aufbau einen schiefen Einfall an den dielektrischen Grenzflächen vermeidet, bei denen die Tendenz besteht, daß Reflexionen auftreten, ferner wird eine Grenzfläche zwischen verschiedenen Dielektrika in der Ebene des Drahtgitters überhaupt vermieden.

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Fp\r eine Strahlung von 10, 6 ja und für ein induktives Gitter, wie es in Figur 5 dargestellt ist, ist der Parameter d/^» vorzugsweise gleich 0, 12 und a/JJ^ ist gleich 0, 6. Diese Werte sind wegen des Brechungsindex des Siliziums von 3, 4 größer als die oben für ein Gitter ohne Träger angegebenen Werte, so daß die Wellenlänge der Laserstrahlung innerhalb des Siliziums entsprechend geändert wird.

Man kann die dielektrischen Überzüge 56 und 57 weglassen, wenn man die Eintritts»-.und Austrittsflächen des Dielektrikums unter dem Brewster¹ sehen Winkel in Bezug auf die Eingangsstrahlung in einer solchen Ebene anordnet, daß der elektrische Feldstärkenvektor schief zur Oberfläche liegt. So nimmt in Figur 6 für den Fall, daß der elektrische Feldstärkenvektor senkrecht zu den Gitterelementen 61 liegt, die sich ergebende tragende Anordnung einschl. der Siliziumblöcke 64 und 65 die Form eines Parallelepipeds an, von dem wenigstens zwei Flächen Rhomben sind. Man sieht, daß die Strahlungen der Quellen 62 und 63 so auf die Blöcke 64 und 65 einfallen, daß sie die Gitter elemente 61 von entgegengesetzten Seiten schneiden. Der Brewster¹ sehe Winkel erscheint zwischen dem Strahlweg und der Senkrechten zu den Eintritts- und Austrittsflächen. Innerhalb der tragenden Anordnung liegt die Eingangsebene jedes Strahls wieder senkrecht zur Längsausdehnung der Gitterelemente. Da die elektrische Feldstärke ebenfalls senk-

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recht zu den Gitter elementen liegt, ist das aus den Elementen 61 bestehende Gitter ein kapazitives Gitter. Die Werte der Elementbreite und des Spaltes zwischen den Elementen sind nunmehr vertauscht, wobei der Mittenabstand ungeändert bleibt. Insbesondere ist der Spalt zwischen den Elementen 61 geteilt durch gleich 0,12 und a^v i^s* wieder 0, 6,

Um das Prinzip der Eintritts- und Austrittsflächen mit Brewster¹ schem Winkel auf ein induktives Gitter mit Träger anzuwenden, muß ein Parallelepiped verwendet werden, das in zwei Abmessengen rhombisch ist, d. h. wenigstens vier Flächen sind Rhomben, wie es in den Fig. JFA, 7B und 7C dargestellt ist. In diesem Fall sind die Parameter der Gitterelemente 71 die gleichen wie für die Gitterelemente 51 der Fig. 5. Die Blöcke 74 und 75 bestehen z. B. aus Silizium. Man sieht, daß die Strahlungen der Quellen 72 und elektrische Feldvektoren aufweisen, die parallel zu den Gitterelementen 71 liegen. Bei der Ausführung der Figuren 7A, 7B und 7C liegt innerhalb der tragenden Anordnung die Ebene des Einfalls der Strahlen auf das Gitter wieder senkrecht zum Gitter.

Eine Anordnung zur Verwendung eines Gitters

mit senkrechtem Einfall als magisches T ist in Fig. 8 dargestellt.

Die Elemente 91 bestehen aus einem Gitter ohne Träger der oben anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen Art. In senkrechter Richtung fallen Eingangsstrahlen ein, die durch die koherenten

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Strahlungsquellen 92 und 93 geliefert werden und die durch die Zirkulatoren 94 und 95 gehen. Die Vektor summen und Differenz strahlen werden an den seitlichen Ausgängen der Zirkulatoren 94 und 95 geliefert.

Die Zirkulatoren 94 und 95 sind z.B. von der Art, wie sie im Aufsatz "An Optical Circulator" von William B. Ribberns in Applied Optics, 4, 1037, August 1965, beschrieben sind, wobei gewisse Abänderungen in den Faradey-Rotatoren vorgenommen sind. Der vierte Ausgang hat in jedem Fall kein Interesse, da die Quellen 92 und 93 nur eine Polarisation der Eingangs strahlung liefern.

Im Betrieb spaltet das aus den Elementen 91 bestehende Gitter jeden der Eingangsstrahlen auf, wobei die eine Hälfte durchgelassen und die andere Hälfte jedes Strahls reflektiert wird. Die Polarisationen der reflektierten und durchgelassenen Komponenten, die in derselben Richtung fortschreiten, werden in einem der Zirkulatoren um 45 gedreht, so daß sie durch einen Drahtgitterpolarisator in einen der angegebenen Ausgänge des Zirkulators reflektiert werden.

Bei dieser Ausführung beträgt der Einfallswinkel 0 (Null Grad), wobei die Kurve 11 der Fig. 1 unmittelbar zur Auswahl eines geeigneten Gitters benutzt werden kann.

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Die Gitterelemente können auf einer dielektrischen Unterlage der Art gebildet werden, wie sie in den Figuren 5, 6, 7A, 7B und 7C beschrieben ist, und zwar durch herkömmliche Sichtgravierätzung oder durch lichtempfindliche Gasphasen-Ätzung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1J Einrichtung zur Kombination von Energie, bestehend aus einem metallischen Gitter (z. B. 34) aus parallelen langgestreckten Elementen (z.B. 32), die teilweise durchlässig und teilweise reflektierend für elektromagnetische Energie der Wellenlänge "^ sind, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Quelle (z. B. 32 u. 33) für Strahlen dieser Energie mit gleicher Polarisation, die nicht schief zu den Elementen orientiert ist, wobei die Strahlen in einer Ebene senkrecht zur Längsausdehnung der Elemente unter Winkeln 0 zu der Senkrechten auf dem Gitter gerichtet sind, um gleiche Portpflanzungsrichtungen für die durchgelassene Komponente eines der Strahlen und die reflektierte Komponente fles anderen Strahls zu ergeben, wobei die Elemente (z.B. 31) einen Mittenabstand a haben, der der Beziehung

1 + sin 0 < ^- <9 cos 0
a

genügt, ferner^

einen Gitterparameter D, der der Forderung genügt, daß das Verhältnis von a zu D das Gitter in die Lage versetzt, jeden Strahl in gleiche durchgelassene und reflektierte Komponenten aufzuspalten, wobei D die Elementenbreite d ist, wenn die Polarisation parallel zur Längs aus dehnung der Elemente liegt und wobei D gleich a-d ist, wenn die Polarisation senkrecht zur Längsausdehnung der Elemente liegt.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis

jeder Wellenlänge 2v zum Mittelabstand a der Elemente im Bereich

1, 2 (1 + sin 0)< -Ä < 5,4 cos O

el

liegt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitter den Strahlen eine Dicke darbietet, die viel kleiner als die Breite d ist und daß die langgestreckten Elemente auf einer durchlässigen Unterlage angebracht sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Unterlage auf beiden Seiten des Gitters angebracht ist und Eintritts- und Austrittsflächen für Strahlen ergibt, die senkrecht zu den Fortpflanzungsrichtungen der Strahlen liegen, wobei Antireflexüberzüge auf den Eintritts- und Austrittsflächen aufgebracht sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Unterlage auf beiden Seiten des Gitters in Form eines Parallelepipeds angebracht ist, um Eintritts- und Austrittsflächen mit dem Brewster'sehen Winkel zu den Fortpflanzungsrichtungen der Strahlen zu schaffen.

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6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die durchlässige Unterlage auf beiden Seiten des Gitters

als rhombisches Parallelepiped angebracht ist und Eintritts- und Austrittsflächen mit dem Brewster'sehen Winkel zu den Strahlen ergibt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• ■ mit ■—=- durch eine stetige Punktion in Beziehung

Öteht, die im wesentlichen durch die folgenden Punkte dargestellt wird:

a cos O D cos 0 -κ 0,105 0, 00053 0, 121 0,0012 0, 145 0,0029 0, 197 0,0098 0,2 0,011 0,272 0, 027 0,4 0,08 0,6 0, 19 0,8 0,36 0,9 0,47 1,0 0,60

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die Winkel 0 Null Grad betragen, wobei die Einrichtung einen ersten und einen zweiten Zirkulator enthält, die zwischen der ersten bzw. der zweiten Quelle und dem metallischen Gitter angeordnet sind.

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