DE1547380A1

DE1547380A1 - Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines polarisierten Strahles

Info

Publication number: DE1547380A1
Application number: DE19661547380
Authority: DE
Inventors: Harris Thomas Jerome
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-12-27
Filing date: 1966-12-22
Publication date: 1970-01-22
Also published as: US3481661A; DE1547380B2; GB1124139A; FR1505818A

Description

Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines polarisierten Strahles

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines polarisierten Strahles mit zwei voneinander verschiedenen möglichen Lagen der Polarisationsebene um diskrete Beträge.

Es sind Anordnungen zur Ablenkung von Lichtstrahlen vorgeschlagen worden, bei denen ein linear polarisierter Strahl durch ein doppelbrechendes Prisma geleitet wird, das den Strahl in einer Lage seiner Polarisationsrichtung im wesentlichen unabgelenkt durchläßt, während der Strahl bei einer anderen Lage seiner Polarisationsebene eine interne Totalreflexion erfährt. Der Strahl wird durch weitere Prismen wieder parallel zu seiner ursprünglichen Richtung ausgerichtet. Ein Nachteil dieser in der US-Anmeldung 373 499 beschriebenen Anordnung liegt

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darin, daß eine größere Anzahl von relativ großen spannungsfreien doppelbrechenden Prismen erforderlich ist, was zu hohen Kosten der Anlage führt. Weiterhin treten bei diesen Anordnungen Lichtverluste auf, da der in einem Prisma abgelenkte Strahl durch ein zweites Prisma hindurchtreten muß, um wieder in die ursprüngliche Richtung ausgerichtet zu werden.

Es sind weiterhin auch schon Anordnungen zur Ablenkung eines linear

vorge s chlagen

polarisierten Strahles vyorden, bei denen die Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahls durch elektrooptische Elemente steuerbar um 90 drehbar ist. Hinter diesen elektrooptischen Anordnungen sind jeweils doppelbrechende Kristalle angeordnet, die der Strahl je nach der Lage seiner Polarisationsebene entweder als ordentlicher oder als außerordentlicher Strahl durchsetzt. Zur Erreichung größerer Seitenversetzungen sind Kristalle von erheblichen Ausmaßen erforderlich, die außer beträchtlichen Lichtverlusten auch den Nachteil haben, daß sie die Anordnung verteuern und schwer machen.

Es ist weiterhin auch schon bekannt geworden, einen Lichtstrahl mit Hilfe mechanisch bewegter Spiegel oder Prismen steuerbar abzulenken. Diese Anordnungen sind aber langsam und sind bei -längerem Gebrauch einem nicht unerheblichen Verschleiß unterworfen.

Eine andere Möglichkeit, einen steuerbar parallel zu sich selbst verschieblichen Strahl zu erzeugen, ist durch die Verwendung von K^iho-

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dens tr ahlo ezillogr aphen gegeben. Diese Art der Erzeugung eines parallel zu sich selbst verschieblichen Strahles ist jedoch umständlich und hat weiterhin den schwerwiegenden Nachteil, daß die erreichbaren Lichtintensitäten relativ klein sind, auf keinen Fall aber mit den durch optische Sender oder Verstärker erreichbaren Lichtintensitäten vergleichbar sind.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung eine Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines polarisierten Strahles mit zwei voneinander verschiedenen möglichen Lagen der Polarisationsebene um diskrete Beträge angegeben, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jeweils hinter einem an sich bekannten elektrooptischen Element zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene ein doppelbrechendes Element mit einer in einer Lage der Polarisationsebene des Strahles diesen reflektierenden und in einer anderen Lage der Polarisationsebene diesen durchlassenden spiegelnden Fläche und ein den reflektierten Strahl parallel zu seiner ursprünglichen Richtung ausrichtendes spiegelndes Element angeordnet ist.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils aus einer steuerbaren elektrooptischen Einheit zur Drehung der Polarisationsebene und zwei spiegelnden Elementen bestehende Ablenkstufen zur Ablenkung um verschiedene Beträge und/oder in verschiedene Richtungen hintereinander im Lichtweg angeordnet sind. Es hat sich dabei als besonders

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vorteilhaft herausgestellt, daß der Strahl in aufeinanderfolgenden Stufen jeweils um Beträge abgelenkt wird, die zueinander im Verhältnis 1:2:4 ...n stehen.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem Behälter mit einer Flüssigkeit untergebracht sind, dessen Brechungsindex im wesentlichen dem höheren Brechungsindex der doppelbrechenden Elemente gleich ist, während der Brechungsindex der zweiten reflektierenden Elemente im wesentlichen gleich oder kleiner als der niedrigere Brechungsindex der doppelbrechenden Elemente ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: die schematische Darstellung einer aus mehreren Ablenk

stufen bestehenden Anordnung zur Strahlablenkung gemäß der Erfindung,

Fig. 2: eine Anordnung zur optischen Weglängenkompensation«

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung besteht der Generator 11 zur Erzeugung von linear polarisiertem Licht aus einer vorzugsweise als optischer Sender oder Verstärker ausgebildeten Lichtquelle 13. Um das

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Licht dieser Lichtquelle linear zu polarisieren, ist der Polarisator im Sträilenweg angeordnet. Die Polarisationsebene des den Polarisator 15 verlassenden Strahles 17 liegt, wie durch die kurzen vertikalen Linien angedeutet, parallel zur Zeichnungsebene, Dieser Strahl wird im folgenden als ordentlicher Strahl bezeichnet. Ein beispielsweise aus Kunststoff bestehender rechteckiger Behälter 21 enthält dielektrisches OeI oder eine andere geeignete Flüssigkeit 23 mit einem Brechungsindex, dessen optimale Größe im folgenden noch zu erläutern sein wird. An der linken Seite des Behälters ist ein optisch ebenes, beispielsweise aus Kristall bestehendes Eintrittsfenster 25 vorgesehen, das bei senkrechtem. Lichteinfall die Richtung des Strahles nicht verändert. Der Behälter 21 ist mit einem Deckel 27 staub- und feuchtigkeitsdicht verschlossen. An der rechten Seite des Behälters 21 ist ein dem Fenster 25 ähnliches Fenster 29 zum Austritt der Strahlen angeordnet. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Anordnung um 90 zu drehen, so daß die Strahlen nicht parallel zur Zeichnungsebene sondern senkrecht zu ihr abgelenkt werden.

Jede Ablenkstufe ist in eine Flüssigkeit 23 getaucht und besteht aus zwei Einheiten. Die erste im Lichtweg liegende Einheit ist ein elektrooptisches Element 31 zur Phasensteuerung. Das Phasen steuernde Element 31 besteht aus einem elektrooptischen Kristall 33, der beispielsweise aus Kalium, Dihydrogenphosphat oder aus Amonium Dihydrogenphosphat und aus Kupferchlorid besteht. An gegenüberliegenden Seiten

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des Kristalls 33 sind durchsichtige Elektroden 35 und 36 angeordnet. Die durchsichtige Elektrode ist über einen in geeigneter Weise isolierten Leiter übef einen außerhalb des Behälters angeordneten Schalter 37 mit einer Hochspannungsquelle +V diverse verbunden. Die Elektrode 36 ist mit einer außerhalb des Behälters liegenden Erde verbunden. Ist der Schalter, wie in Fig. 1 dargestellt, offen, so hat die phasensteuernde Einheit keine Wirkung auf den polarisierten Strahl 17. Ist der Schalter 37 geschlossen, so daß eine Spannung an den beiden Elektroden liegt und ein den elektrooptischen Kristall durchsetzendes elektrisches Feld entsteht, so wird die Lage der Polarisationsebene des linear polarisierten Strahls um 90 gedreht. Bei Verwendung von Kalium Dihydrogenphosphat ist eine Spannung von etwa 7700 Volt erforderlich, um die gewünschte Drehung der Polarisationsebene zu bewirken. Bei Erregung der Einheit 31 liegt die Ebene des diese Einheit verlassenden polarisierten Strahles, wie durch die eingezeichneten kleinen Kreise angedeutet, senkrecht zur Papierebene. Dieser Strahl wird im folgenden als außerordentlicher Strahl bezeichnet. Wegen der hohen verwendeten Spannungen muß die verwendete Flüssigkeit bzw. das OeI einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe elektrische Duchbruchs spannung aufweisen.

Hinter der phasensteuernden Einheit 31 ist als zweites Element der Ablenkstufe ein reflektierendes Element 41 angeordnet. Dieses Element besteht aus der doppelbrechenden Platte 43, die an der dem Strahl zugewandten Seite eine optisch ebene Fläche aufweist. Die optische Achse

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der reflektierenden doppelbrechenden Platte 43 liegt parallel zu ihrer reflektierenden Fläche und senkrecht zur Zeichnungsebene. Die Platte 43 ist relativ dünn, sie hat eine Dicke von einigen mm, die jedoch ausreicht, der Platte die^ erforderliche mechanische Festigkeit zu geben, und besteht vorzugsweise aus einem Kalkspatkristall. Es können aber auch Elemente aus salpetersaurem Natron verwendet werden. Die Kalkspatplatte ist unter einem Winkel von 20 zur optischen Achse geneigt angeordnet, so daß ein Einfallwinkel von 70 entsteht, der größer als der kritische Winkel der Totalreflexion für außerordentlichen polarisierten Strahl ist. Die Flüssigkeit 23 hat einen -Brechungsindex, der im wesentlichen dem höheren Brechungsindex der Kalkspatplatte 43 an-

1.

gepaßt ist. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise aus chloriertem Diphenyl bestehen.

Ein parallel zur Zeichnungeebene polarisierter Strähl tirfft auf die Platte 43 in bezuc auf den ordentlichen Brechungsindex unter einem Winkel auf, der kleiner als der kritische Winkel ist. Auf diese Weise wird der parallel zur Zeichnungsebene polarisierte Strahl vollständig durch die Platte hindurchtreten. Es treten keine Reflexioneverluste und keine Brechung bei der Übertragung des Strahles auf, da der Brechungsindex der Flüssigkeit dem Brechungsindex der Kalkspatplatte angepaßt ist. über der Platte 43 ist eine Av*richtplatte 45 angeordnet, die eine parallel zur reflektierenden Fläche der doppelbrechenden Platte 43 liegende optisch ebene Fläche aufweist. Diese Platten können in be-

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kannter Weise leicht justierbar befestigt werden. Die aus Kristall bestehende Ausrichtplatte 45 besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex gleich oder kleiner als der niedrigere Brechungsindex des Materials der doppelbrechenden Platte 43 ist, so daß eine totale äußere Reflexion in bezug auf den Kristall erfolgt, und der Weg des Strahles wieder parallel zur Richtung des ursprünglichen Strahls ausgerichtet wird. Die Kristallplatte 45 kann aus einem beliebigen isotropen Material, beispielsweise aus Glas oder aus Natrium Florid bestehen. Natrium Florid hat einen Brechungsindex (l, 33) der kleiner als der außerordentliche Brechungsindex des Kalkspats (1,48) ist. Da der ordentliche Brechungsindex des Kalkspats gleich 1, 65 ist, wird der Brechungsindex der Flüssigkeit annähernd gleich 1, 65 gewählt. Das hat zur Folge, daß die abgelenkten und die übertragenen Strahlen sich in Materialien fortpflanzen, die im wesentlichen gleiche Brechungsindizes haben. Darüberhinaus erfolgt die Ablenkung der Strahlen durch Totalreflexion im Inneren der Flüssigkeit.

Die folgenden beiden Ablenkstufen sind abgesehen von ihrer Größe gleich der beschriebenen Ablenkstufe und werden daher nicht nocheinmal im einzelnen beschrieben. Die Phasensteuereinheiten 51 und 53 sind mit den offenen Schaltern 55 und 57 in der oben angegebenen Weise verbunden. Die Einheiten 61 und 63 bestehen aus dünnen Kalkspatplatten 65 und 66 und Ausrichtplatten 67 und 68 mit niedrigen Brechungeindizes. Außerhalb des Fensters 29 ist eine Kolonne von acht binären Zahlen angegeben, deren einzelne Stellen den geöffneten (0) oder den geschlossenen (l) Zustand der Schalter 37, 55 und 57 angeben. An der mit drei Nullen (000) bezeichneten

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Stelle tritt der Strahl aus, wenn alle drei Schalter geöffnet sind, während bei der mit (100) bezeichneten Stelle der Strahl austritt, wenn der Schalter 37 geschlossen und die Schalter 55 und 57 geöffnet sind. D. h., daß bei drei geöffneten Schaltern, der Lichtstrahl nicht abgelenkt wird und in der mit (000) bezeichneten Stelle des Fensters 29 austritt. Eine durch die binären Zahlen 100 bezeichnete Kombination von Schalterstellungen ergibt eine einmalige Drehung der Polarisationsebene in der Einheit 3 und eine Reflexion in den Einheiten 41, 61 und 6t3, so daß der Strahl das Fenster an der mit 100 bezeichneten Stelle verläßt. Die zwischen diesen beiden Extremwerten liegenden Strahllagen können durch entsprechende Betätigung der Schalter erreicht werden. Aus der Abbildung ist zu ersehen, daß die Abstände und die Länge der Platten von links nach rechts jeweils um den Faktor 2 größer werden, so daß in diesen drei Stufen eine Ablenkung des Strahls in acht verschiedene Positionen möglich ist. Wie aus der Abbildung weite? hervorgeht, sind die folgenden Stufen genügend groß, um alle in den vorherigen Stufen abgelenkten Strahlen aufzunehmen, so daß bei n-Ablenkstufen 2 Ausgangslagen möglich sind. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die optische Weglängendifferenz für eine Ablenkstufe gleich der Länge {L) des reflektierten Strahles mal η abzüglich der Länge des unabgelenkten Strahles (1) mal η ist, wobei η der Brechungsindex beider Materialien ist. Soll diese Differenz kompensiert werden, so wird ein Element 70 mit einem oberen Teil 71 und einem unteren Teil 73 an der Ausgangsseite der Ablenkstufe angeordnet. Der Teil 71 wird von den reflektierten und ausgerichteten Strahlen und der

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Teil 73 von den unabgelenkten Strahlen durchsetzt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens hat die Platte 70 eine einheitliche Dicke und die optischen Weglängendifferenzen werden durch die Verwendung geeigneter Brechungsindizes der isotropiechen Teile 71 und 73 kompensiert.

Aus Fig. 2 kann die Dicke (T) der Platte 70 durch die folgende trigonometrische Beziehung bestimmt werden:

T = ( ) (—.—-r) ( 1 - cos X)

^v η - η ^x sin X ^v

■J Cj

wobei η der ordentliche Brechungsindex der doppelbrechenden Platte und der Flüssigkeit ist, η der Brechungsindex des oberen Teils, η der Brechungsindex des unteren Teils 73, X der dargestellte Winkel (40 bei der Benützung von Flußspat) und D die Verschiebung des reflektierten Strahles in bezug auf den unabgelenkt übertragenen Strahl ist.

Die Dicke T der Kompensationsplatte kann daher als eine Funktion von D berechnet werden.

Es seien beispielsweise die folgenden Werte in die oben angegebene Gleichung eingesetzt:

X = 40 °

η . = 1, 65 für Kalkspat und OeI

° 909884/Ö807

" ⁿ ' 1547388

η si, S3 für Natrium Florid

η s 1,85 für dichtes Flintglas

■ν

Der Wert von T = (1,06) D was aus der schematischen Darstellung nicht

ohne weiteres hervorgeht. Es sei darauf hingewiesen, daß andere Mateer gaben

rialien andere einheitliche Dicken'und da-ß die Teile 71 und 73 auch verschiedene Dicken aufweisen können. Die Kompensationsplatte 70 bewirkt einheitliche optische Weglängen für jeden Strahl in jeder Stufe,

Die oben beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß keine doppelbrechenden Prismen erforderlich sind und keine Brechung auftritt. Durch die Verwendung dünner doppelbrechender Plättchen werden die Kosten der Anordnung wesentlich herabgesetzt. Darüberhinaus verlaufen die in

Strahles beiden dargestellten Lagen linear polarisierten^tlurchwegs durch Materialien mit gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindizes. Es treten keine Brechungen der reflektierten oder der ohne Reflexion übertragenen Strahlen auf, da der Brechungsindex der Flüssigkeit gleich oder annähernd gleich dem Brechungsindex der doppelbrechenden Platte ist, Darüberhinaus ist ee von besonderer Wichtigkeit, daß jede Ablenkstufe nur zwei reflektierende Flächen aufweist, und daß diese beiden polierten Flächen durch die Flüssigkeit geschützt werden.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BUBLlNGEN SINDELFINGER 8TRA8SE 49 1 Γ / Π 1 Γ» Π

I o4 /οου

FERNSPRECHER (07031)6 6130 40

Böblingen, 20. 12. I966 pr-hn

Antnelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 7906

PATENTANSPRÜCHE

1, Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines polarisierten Strahls

mit zwei voneinander verschiedenen möglichen Lagen der Polarisationsebene um diskrete Beträge, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils hinter einer an sich bekannten elektrooptischen Einheit zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene ein doppelbrechendes Element mit einer in einer Lage der Polarisationsebene des Strahls diesen reflektierenden und in einer anderen Lage der Polarisationsebene diesen durchlassenden spiegelnden Fläche und ein den reflektierten Strahl in seine ursprüngliche Richtung ausrichtendes spiegelndes Element angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere

jeweils aus-einer steuerbaren elektrooptischen Einheit zur Drehung

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der Polarisationsebene und aus zwei spiegelnden Elementen bestehende Ablenkstufen zur Ablenkung um verschiedene Beträge und/oder in verschiedenen Richtungen hintereinander im Lichtweg angeordnet sind.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl in aufeinanderfolgenden Stufen jeweils um Beträge abgelenkt werden, die zueinander im Verhältnis 1:2:4 ... η stehen.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Anordnung in einem Behälter mit einer Flüssigkeit untergebracht sind, deren Brechungsindex im wesentlichen dem höheren Brechungsindex der doppelbrechenden Elemente gleich ist, während der Brechungsindex der ausrichtenden Elemente im wesentlichen dem niedereren Brechungsindex der doppelbrechenden · Elemente gleich ist, derart, daß die Ablenkung der Strahlen durch Totalreflexion im Inneren der Flüssigkeit erfolgt.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter einzelnen oder Gruppen von Ablenkstufen jeweils ein die optischen Weglängendifferenzen kompensierendes Element angeordnet ist.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren elektrooptischen Elemente im erregten Zustand

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eine Drehung der Polarisationsebene des sie durchsetzenden linear polarisierten Strahles um 90 bewirken.

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