DE1547380C - Anordnung zur steuerbaren Ab lenkung eines polarisierten Strahles - Google Patents

Description

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 6g erfährt. Der Strahl wird durch weitere Prismen wieder parallel zu seiner ursprünglichen Richtung ausgerichtet. Ein Nachteil dieser in der USA.-Patentschrift 3 353 894 beschriebenen Anordnung liegt 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 polarisierten Strahles vorgeschlagen worden, 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 bekanntgeworden, einen Lichtsstrahl mit Hilfe mechanisch bewegter Spiegel oder Prismen steuerbar abzulenken. Diese Anordnungen sind aber längsam 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 Kathodenstrahloszillographen 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 vorteilhaft herausgestellt, daß der Strahl in aufeinanderfolgenden Stufen jeweils um Beträge abgelenkt wird, die zueinander im Verhältnis 1 : 2 : 4 ... η stehen.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem Behälter mit

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einer Flüssigkeit untergebracht sind, dessen Bre- heit verlassenden polarisierten Strahles, wie durch die chungsindex im wesentlichen dem höheren Bre- eingezeichneten Kreise angedeutet, senkrecht zur chungsindex der doppelbrechenden Elemente gleich Papierebene. Dieser Strahl wird im folgenden als ist, während der Brechungsindex der zweiten reflek- außerordentlicher Strahl bezeichnet. Wegen der hohen tierenden Elemente im wesentlichen gleich oder klei- 5 verwendeten Spannungen muß die verwendete Flüsner als der niedrigere Brechungsindex der doppel- sigkeit bzw. das Öl einen hohen elektrischen Widerbrechenden Elemente ist. stand und eine hohe elektrische Durchbruchsspan-

Der Erfindung wird im folgenden an Hand der Fi- nung aufweisen,

guren näher erläutert. Es zeigt Hinter der phasensteuernden Einheit 31 ist als

F i g. 1 die schematische Darstellung einer aus meh- io zweites Element der Ablenkstufe ein reflektierendes

reren Ablenkstufen bestehenden Anordnung zur Element 41 angeordnet. Dieses Element besteht aus

Strahlablenkung gemäß der Erfindung, der doppelbrechenden Platte 43, die an der dem

F i g. 2 eine Anordnung zur optischen Weglängen- Strahl zugewandten Seite eine optisch ebene Fläche

kompensation. aufweist. Die optische Achse der reflektierenden dop-

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung besteht 15 pelbrechenden Platte 43 liegt parallel zu ihrer reflekder Generator 11 zur Erzeugung von linear polari- tierenden Fläche und senkrecht zur Zeichnungsebene, siertem Licht aus einer vorzugsweise als optischer Die Platte 43 ist relativ dünn, sie hat eine Dicke von Sender oder Verstärker ausgebildeten Lichtquelle 13. einigen Millimetern, die jedoch ausreicht, der Platte Um das Licht dieser Lichtquelle linear zu polari- die erforderliche mechanische Festigkeit zu geben, sieren, ist der Polarisator 15 im Strahlenweg angeord- 20 und besteht vorzugsweise aus einem Kalkspatkristall, net. Die Polarisationsebene des den Polarisator 15 Es können aber auch Elemente aus salpetersaurem verlassenden Strahles 17 liegt, wie durch die kurzen Natron verwendet werden. Die Kalkspatplatte ist vertikalen Linien angedeutet, parallel zur Zeichnungs- unter einem Winkel von 20° zur optischen Achse geebene. Dieser Strahl wird im folgenden als ordent- neigt angeordnet, so daß ein Einfallwinkel von 70° licher Strahl bezeichnet. Ein beispielsweise aus Kunst- 25 ensteht, der größer als der kritische Winkel der Totalstoff bestehender rechteckiger Behälter 21 enthält di- reflexion für außerordentlichen polarisierten Strahl elektrisches Öl oder eine andere geeignete Flüssigkeit ist. Die Flüssigkeit 23 hat einen Brechungsindex, der 23 mit einem Brechungsindex, dessen optimale Größe im wesentlichen dem höheren Brechungsindex der im folgenden noch zu erläutern sein wird. An der Hn- Kalkspatplatte 43 angepaßt ist. Diese Flüssigkeit kann ken Seite des Behälters ist ein optisch ebenes, bei- 30 beispielsweise aus chloriertem Diphenyl bestehen,
spielsweise aus Kristall bestehendes Eintrittsfenster 25 Ein parallel zur Zeichnungsebene polarisierter vorgesehen, das bei senkrechtem Lichteinfall die Strahl trifft auf die Platte 43 in bezug auf den ordent-Richtung des Strahles nicht verändert. Der Behälter liehen Brechungsindex unter einem Winkel auf, der 21 ist mit einem Deckel 27 staub- und feuchtigkeits- kleiner als der kritische Winkel ist. Auf diese Weise dicht verschlossen. An der rechten Seite des Behälters 35 wird der parallel zur Zeichnungsebene polarisierte 21 ist ein dem Fenster 25 ähnliches Fenster 29 zum Strahl vollständig durch die Platte hindurchtreten. Austritt der Strahlen angeordnet. Es ist selbstver- Es treten keine Reflexionsverluste und keine Breständlich auch möglich, die Anordnung um 90° zu chung bei der Übertragung des Strahles auf, da der drehen, so daß die Strahlen nicht parallel zur Zeich- Brechungsindex der Flüssigkeit dem Brechungsindex nungsebene, sondern senkrecht zu ihr abgelenkt 4° der Kalkspatplatte angepaßt ist. Über der Platte 43 ist werden. eine Ausrichtplatte 45 angeordnet, die eine parallel

Jede Ablenkstufe ist in eine Flüssigkeit 23 getaucht zur reflektierenden Fläche der doppelbrechenden und besteht aus zwei Einheiten. Die erste im Licht- Platte 43 liegende optisch ebene Fläche aufweist, weg liegende Einheit ist ein elektrooptisches Element Diese Platten können in bekannter Weise leicht ju-31 zur Phasensteuerung. Das Phasen steuernde EIe- 45 stierbar befestigt werden. Die aus Kristall bestehende ment 31 besteht aus einem elektrooptischen Kristall Ausrichtplatte 45 besteht aus einem Material, dessen 33, der beispielsweise aus Kalium, Dihydrogenphos- Brechungsindex gleich oder kleiner als der niedrigere phat oder aus Amonium Dihydrogenphosphat und Brechungsindex des Materials der doppelbrechenden aus Kupferchlorid besteht. An gegenüberliegenden Platte 43 ist, so daß eine totale äußere Reflexion in Seiten des Kristalls 33 sind durchsichtige Elektroden 50 bezug auf den Kristall erfolgt und der Weg des Strah-35 und 36 angeordnet. Die durchsichtige Elektrode 35 les wieder parallel zur Richtung des ursprünglichen ist über einen in geeigneter Weise isolierten Leiter Strahls ausgerichtet wird. Die Kristallplatte 45 kann über einen außerhalb des Behälters angeordneten aus einem beliebigen isotropen Material, beispiels-Schalter 37 mit einer Hochspannungsquelle + V weise aus Glas oder aus Natrium Florid bestehen, diverse verbunden. Die Elektrode 36 ist mit einer 55 Natrium Florid hat einen Brechungsindex (1,33) der außerhalb des Behälters liegenden Erde verbunden. kleiner als der außerordentliche Brechungsindex des Ist der Schalter, wie in Fig. 1 dargestellt, offen, so Kalkspats (1,48) ist. Da der ordentliche Brechungshat die phasensteuernde Einheit keine Wirkung auf index des Kalkspats gleich 1,65 ist, wird der Breden polarisierten Strahl 17. Ist der Schalter 37 ge- chungsindex der Flüssigkeit annähernd gleich 1,65 schlossen, so daß eine Spannung an den beiden Elek- 60 gewählt. Das hat zur Folge, daß die abgelenkten und troden liegt und ein den elektrooptischen Kristall die übertragenen Strahlen sich in Materialien fortdurchsetzendes elektrisches Feld entsteht, so wird die pflanzen, die im wesentlichen gleiche Brechungs-Lage der Polarisationsebene des linear polarisier- indizes haben. Darüber hinaus erfolgt die Ablenkung ten Strahls um 90° gedreht. Bei Verwendung von der Strahlen durch Totalreflexion im Inneren der Kalium Dihydrogenphosphat ist eine Spannung von 65 Flüssigkeit.

etwa 7700 Volt erforderlich, um die gewünschte Dre- Die folgenden beiden Ablenkstufen sind abgesehen

hung der Polarisationsebene zu bewirken. Bei Er- von ihrer Größe gleich der beschriebenen Ablenkstufe

regung der Einheit 31 liegt die Ebene des diese Ein- und werden daher nicht noch einmal 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 Brechungsindizes. Außerhalb des Fensters 29 ist eine Kolonne von acht binären Zahlen angegeben, deren einzelne Stellen den geöffneten (0) oder den geschlossenen (1) Zustand der Schalter 37, 55 und 57 angeben. An der mit drei Nullen (000) bezeichneten 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. Das heißt, 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 31 und eine Reflexion in den Einheiten 41, 61 und 63, 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 Zeichnung 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 Zeichnung weiter hervorgeht, sind die folgenden Stufen genügend groß, um alle in den vorherigen Stufen abgelenkten Strahlen aufzunehmen, so daß bei η Ablenkstufen 2ⁿ Ausgangslagen möglich sind. Aus F i g. 2 geht hervor, daß die optische Weglängendifferenz für eine Ablenkstufe gleich der Länge (L) des reflektierten Strahles mal n₀ abzüglich der Länge des unabgelenkten Strahles (1) mal n₀ ist, wobei n₀ 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 Teil 73 von den unabgelenkten Strahlen durchsetzt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens hat die Platte 70 eine einheitliche Dicke, und die optische Weglängendifferenzen werden durch die Verwendung geeigneter Brechungsindizes der isotropen Teile 71 und 73 kompensiert.

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

T =

sin X

(1- cos X),

wobei n₀ der ordentliche Brechungsindex der doppelbrechenden Platte und der Flüssigkeit ist, n, der Brechungsindex des oberen Teils, n_z der Brechungsindex des unteren Teils 73, X der dargestellte Winkel (40° bei der Benutzung 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°,

n₀ = 1,65 für Kalkspat und Öl,

η., = 1,33 für Natrium Florid,

n'_o = 1,85 für dichtes Flintglas.

Der Wert von T= (1,06) D, was aus der schematischen Darstellung nicht ohne weiteres hervorgeht. Es sei darauf hingewiesen, daß andere Materialien andere einheitliche Dicken ergeben und daß 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. Darüber hinaus verlaufen die in beiden dargestellten Lagen linear polarisierten Strahlen durchweg 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. Darüber hinaus ist es von besonderer Wichtigkeit, daß jede Ablenkstufe nur zwei reflektierende Flächen aufweist und daß diese beiden polierten Flächen durch die Flüssigkeit geschützt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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