DE1614329B2 - Elektro- oder magnetooptischer Lichtmodulator - Google Patents

Description

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tronische Schalter zu verwenden, deren spezielle Der Gangunterschied Δ hängt also linear von der

Eigenschaften nur in extremen Grenzfällen, wie z. B. Länge der Kerrzelle ab. Wesentlich ist nun, daß sich

Zerstörung, in die Steuerung der Modulatoren ein- die Länge L₁ und L₂ der beiden Kerrzellen voneinander

gehen. unterscheiden. Der Einfachheit halber sei zunächst

Vorrichtungen zur Lichtmodulation, die aus mehr 5 angenommen, daß L₁ = 2L₂ gelte und daß beide Zellen

als einer Modulationseinheit bestehen und bei denen den gleichen Elektrodenabstand besitzen. Wie aus der

diese Modulationseinheiten nacheinander von dem zu Fig. 2 ersichtlich ist, kann an jede der Zellen durch

modulierenden Licht durchlaufen werden, sind z. B. Betätigen der elektronischen Schalter S\ oder Ξ'Ί und

aus der französischen Patentschrift 1 430 421 bekannt. 5"₂ oder S"₂ die von einer Quelle festgelegte Spannung

Diese Vorrichtungen bewirken jedoch eine kontinuier- io CZ₀ oder die Spannung 0 gelegt werden. Auf Grund des

liehe Lichtmodulation. oben angegebenen Kerrschen Gesetzes kann man nun

Da die Ansteuerung der Intensitätsstufen durch ein zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Andigitales elektronisches Signal in direkter, einfacher teil des Lichtstrahles L vier verschiedene Gangunter-Weise geschehen kann, eignet sich der vorliegende schiede erzeugen, nämlich
Modulator besonders für eine Kombination mit einem 15 Δ =0
digitalen Lichtstrahlablenker, der ebenfalls in bekann- ^¹ _ ^. ^ , g₂
ter Technik von digitalen elektronischen Signalen ge- Δ* — K- L ■ E°'
steuert wird. Δ^ = K- (L '°L) ■ E²

Bei magnetooptischen aktiven Materialien, bei denen · ⁴ 1 τ 2 0 ·

sich der funktioneile Zusammenhang zwischen ange- 20 Diese vier Gangunterschiede lassen sich leicht in

legter magnetischer Feldstärke und optischer Wirkung Intensitätsunterschiede verwandeln, wenn man diese

sprunghaft ändert, wie z. B. bei den für die digitale Kerrzellenkombination, wie in Fig. 2 angedeutet,

Lichtstrahlablenkung bereits verwendeten YIG-Kri- zwischen lineare Polarisatoren P₁ und P₂ geeigneter

stallen, ist die Modulation nach der Erfindung beson- Orientierung anordnet. Es ist nun naheliegend, daß für

ders vorteilhaft, da ein Arbeitspunkt zwischen den 25 eine Verfeinerung der Intensitätsstufen weitere Kerr-

beiden möglichen Extremwerten nur schwer oder gar zellen zu der beschriebenen Kombination hinzugefügt

nicht einstellbar ist. Auch eine Graustufen-Einstellung werden können, wobei die Zellenlängen sich jeweils

ist hier nur digital möglich. um den Faktor zwei ändern

Ein wichtiger Vorteil der digitalen Modulation ist in

vielen Fällen die erhebliche Einsparung an elektrischer 30 L₁: L₂: L₃: Ln = 1: 2 : 4 : 2^η~^χ.

Energie für die Versorgung der Modulatoren. Der Gewinnfaktor liegt mindestens bei 5, kann aber auch 20 Wie sich der Gesamtbereich der Gangunterschiedsbis 100 betragen. Das kommt daher, daß auch die Ver- variation durch die Gesamtlänge der Kerrzellen, die lustleistung an den Schaltern, seien es nun Halbleiter Kerrkonstante und die angelegte Spannung U₀ be- oder Elektronenröhren, wesentlich geringer ist. 35 stimmt, ist nach dem obigen Gesetz bekannt und

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es braucht daher nicht weiter erläutert zu werden,

zeigt In Variation der in Fig. 2 gezeigten Anordnung

F i g. 1 ein Schaltbeispiel zum Betrieb eines Modu- kann es zweckmäßig sein, beide Elektroden eines jeden

lators nach dem Stand der Technik, elektrooptischen Modulators wechselweise zwischen

F i g. 2 bis 4 Vorrichtungen mit zwei Teilmodu- 40 dem Potential Null und Φ_ο zu schalten, wie beispiels-

latoren, weise in F i g. 3 dargestellt. Eine solche Schaltungs-

F i g. 5 eine Vorrichtung mit magnetooptischen weise kann vor allem dann wünschenswert erscheinen,

Materialien für die Teilmodulatoren, wenn das elektro-optische Material seine Eigenschaften

F i g. 6 und 7 Kraftlinienbilder der Kondensatoren, unter der Einwirkung eines Feldes mit Vorzugsrichtung

F i g. 8 eine Anordnung für eine homogene Polari- 45 verändert, wie z. B. bei Materialien wie KDP und

sation des aktiven Mediums, KTN beobachtet worden ist.

Fig. 9 ein Modulatorsystem mit logarithmisch In einer weiteren Abwandlung der in F i g. 2 ge-

äquidistanten Stufen. zeigten Anordnung kann man anstatt der Längen L,

In dem Schaltbeispiel nach F i g. 1 wird die durch im Falle von Kerrzellen auch die Elektrodenabstände di den elektrooptischen Modulator hindurchgehende 50 von Zelle zu Zelle variieren, so daß bei gleicher VerIntensität durch die Höhe der angelegten Spannung sorgungsspannung U₀ verschiedene Feldstärken wirkbestimmt, sam werden. In einer erneuten Abwandlung der Erfin-

Die technische Realisierung der Erfindung soll dung kann man anstatt der Längen L« die an die ein-

jedoch nun an den folgenden Beispielen erläutert wer- zelnen Zellen zu legenden Spannungen U₀ von Zelle zu

den. In F i g. 2 ist ein erstes, einfaches Beispiel gezeigt. 55 Zelle variieren, wobei natürlich eine entsprechende

Als elektrooptische Modulationselemente seien in Zahl von Spannungsquellen vorhanden sein muß. Eine

diesem Fall zwei mit Nitrobenzol gefüllte Kerrzellen solche in F i g. 4 dargestellte Schaltung wird man vor

M₁ und M₂ benutzt. Bekanntlich lautet das Gesetz für allem dann benutzen, wenn die Längen der Zellen aus

den elektrooptischen Kerreffekt: fertigungstechnischen oder geometrischen Gründen

60 nicht verändert werden können. Eine Hybridschaltung

Δ = K- L- E , _aus z_e]i_{en m}[i verschiedenen Längen und verschiede-

^wo nen Quellenspannungen ist ebenso möglich.

Δ = Gangunterschied zwischen ordentlichem und Das Prinzip der Erfindung ist nicht auf die Verwen-

außerordentlichem Strahl nach Durchgang dung von elektro-optischen Flüssigkeitskerrzellen be-

durch die Kerrzelle, 65 schränkt. In ganz analoger Weise können auch an

K = Kerrkonstante, Stelle von Flüssigkeiten Festkörper, die den Kerreffekt

L = Länge der Kerrzelle, oder Pockelseffekt zeigen, benutzt werden. Bei elektro-

E = Vakuumfeldstärke in der Kerrzelle. optischen Modulatoren, die den linearen longitudi-

nalen Pockelseffekt zeigen, kann allerdings nur eine Schaltung nach F i g. 4 Verwendung finden, da bei diesen Materialien die Phasenverschiebung id unabhängig von der Länge des durchlaufenden Kristalls ist. Magneto-optische Materialien können nach dem Grundgedanken der Erfindung ebenfalls eingesetzt werden. Nur muß die elektronische Schaltung entsprechend der F i g. 5 ausgebildet sein. Anstatt durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird die Phasenverschiebung Δ nun durch ein von einer stromdurchflossenen Spule W erzeugten Magnetfeld bewirkt.

In vielen Fällen wird es wichtig sein, daß das zwischen den Elektroden eines elektro-optischen Schalters nach Anlegen der Spannung CZ₀ befindliche elektrostatische Feld E homogen ist, da im allgemeinen nur dann auch optische Homogenität gewährleistet ist. Bekanntlich haben aber die elektrostatischen Feldlinien eines Plattenkondensators die Tendenz, am Rande der Elektrodenplatten in den Außenraum zu quellen. Den Ausgangspunkt für eine Reduzierung dieser unerwünschten Erscheinung bildet das Brechungsgesetz für die Kraftlinien der elektrischen Erregung eines Dielektrikums, (G r i m s e h 1, Lehrbuch der Physik, Bd. II, S. 73). Auf Grund dieses Gesetzes wird die Polarisation eines Dielektrikums, das sich zwischen den Elektroden eines Plattenkondensators befindet, um so homogener, je kleiner die Dielektrizitätskonstante s_u des den Kondensator umgebenden Mediums im Vergleich zur Dielektrizitätskonstante Sk des Materials im Kondensator ist. Zur Erläuterung ist in Fig. 6 schematisch das Kraftlinienbild der elektrischen Erregung für einen ebenen Plattenkondensator C für den Fall wiedergegeben, daß das Kondensatormedium gleich dem der Umgebung ist. Die F i g. 7 zeigt dagegen den Fall, daß die Dielektrizitätskonstante Sk des Kondensatormediums wesentlich größer als die des Umgebungsmediums ist.

Die F i g. 8 gibt eine schematische Darstellung einer Konstruktion, die unter Ausnutzung des beschriebenen Naturgesetzes für eine homogenere Polarisation des elektro-optisch aktiven Mediums sorgt, indem zwischen je zwei angrenzenden Modulatoren Mi sich eine Platte P eines Mediums möglichst niedriger Dielektrizitätskonstante Eu befindet. Um Reflexionsverluste des durch die Modulatoren Mi gehenden Lichtstrahls gering zu halten, soll der optische Brechungsindex der Platte P möglichst nahe bei dem des elektro-optischen Materials liegen. In bekannter Technik können die Platten P natürlich zur weiteren Reflexminderung optisch vergütet sein. Die F i g. 9 zeigt ein Modulatorsystem, mit dessen Hilfe die Intensität eines Lichtstrahls in logarithmisch äquidistanten Stufen verändert werden kann. Die dielektrischen Platten P der F i g. 8 sind in diesem Falle durch Polarisatoren, wie z. B. Nicholsche Prismen, ersetzt worden. Die Polarisatoren ] Pi haben alle die gleiche Polarisationsrichtung, so daß ohne Aktivierung der Modulatoren der Lichtstrahl das System im wesentlichen ungeschwächt verläßt. Die Polarisationsrichtung wird zweckmäßigerweise unter 45° zu der Richtung des elektrischen Feldes in den Modulatoren liegen. Durch die Einfügung eines Polarisators hinter jedem Teilmodulator Mi wird erreicht, daß der Polarisationszustand nach Durchlaufen eines Modulators Mi keinen Einfluß auf den Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlauf des folgenden Modulators Mi₊₁ hat. Jeder Modulator Mt ändert also die Intensität des Lichtstrahls um einen Faktor Fi. (O < Ft < Y). Die Intensität nach Durchlaufen des gesamten Modulators ist dann gegeben durch den Ausdruck :

I=I₀-F₁-F₂-F₃...- F_n

In / = In /„ + In F₁ + In F₂ + ...

Ein binäres System mit logarithmisch äquidistanten Stufen erhält man, wenn man z. B. für die Fi folgende Werte festsetzt:

F₁ = 0,5, F₂ = 0,5², ...Ft = 0,5«.

Andere Werte für Fi sind natürlich ebenfalls möglich. Die Wahl wird sich im Einzelfall nach den Erfordernissen des jeweiligen praktischen Anwendungszweckes ergeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 2 Logarithmen der einzelnen Lichtschwächungs- Patentansprüche: faktoren ein binäres System bilden. 10. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1,

1. Elektro- oder magnetooptischer Lichtmodu- 2, 3, 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als lator, bestehend aus mindestens zwei Modulations- ₅ magnetooptisch aktive Materialien YIG-Kristalle einheiten, die von dem zu modulierenden Licht verwendet sind.

nacheinander durchlaufen werden, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator

so aufgebaut ist, daß die elektro- oder magneto-

optisch aktiven Medien der einzelnen Modu- ₁₀

lationseinheiten unabhängig voneinander durch

Umschalten zwischen zwei Betriebszuständen je- Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro- oder

weils zwei verschiedenen elektiischen bzw. magne- magnetooptischen Lichtmodulator, bestehend aus

tischen Feldstärken ausgesetzt werden können, und mindestens zwei Modulationseinheiten, die von dem

dadurch, daß die optisch aktiven Bauteile der Mo- _{15 zu} modulierenden Licht nacheinander durchlaufen

dulationseinheiten sich in ihrem Aufbau vonein- werden.

ander unterscheiden. Es ist bekannt, die Fortpflanzungsrichtung eines

2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch ge- Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahles, digital zu kennzeichnet, daß die elektro- oder niagneto- steuern. Der Lichtstrahl wird dabei in eine Richtung optisch aktiven Medien den Polarisationszustand _{20 e}i_nes vorgegebenen Rasters von Richtungen, z. B. des Lichts in Abhängigkeit vom angelegten elek- mittels einer Kerrzelle und Polarisationselementen, irischen bzw. magnetischen Feld verändernde Me- abgelenkt, wobei das Raster allein von der Geometrie dien sind und daß der Modulator einen oder des Systems, d. h. im wesentlichen von den brechenden mehrere Polarisatoren enthält, die so angeordnet Winkeln eines Systems von Prismen, abhängt. Ungesind, daß sie die Veränderung des Polarisations- ₂₅ nauigkeiten des digitalen Steuersystems wirken sich zustandes in eine Änderung der Intensität des nicht in einer Fortpflanzung des Lichtstrahles in eine Lichts umwandeln. Zwischenrichtung, sondern nur in einem Rauschlicht

3. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, da- _auS; das sich längs der anderen Richtungen des Rasters durch gekennzeichnet, daß die beiden unterschied- ausbreitet.

liehen elektrischen bzw. magnetischen Felder einer ₃₀ J_{n v}i_elen Fällen einer Anwendung eines solchen digijeden Lichtmodulationseinheit bei allen Licht- _tai_en Lichtstrahlablenkers ist es notwendig, den Lichtmodulationseinheiten durch dieselben beiden Ver- _stranl nicht nur in seiner Fortpflanzungsrichtung, sonsorgungsspannungen erzeugt sind. dem auch in seiner Intensität zu verändern.

4. Lichtmodulator nach Anspruch 3, dadurch Bei analoger Steuerung der Intensität des Lichtgekennzeichnet, daß die Baulängen der Licht- _{35 str}ahls ist die Erzielung einer gewünschten Intenmodulationseinheiten und somit die den elektri- sitätsstufe des Lichtstrahls von der Stabilität der Eigenschen bzw. magnetischen Feldern ausgesetzten schäften des Steuerelementes in direkter Weise ab-Längenabschnitte des durchlaufenden Lichtstrahls hängig. Wird z. B. die Intensität durch die Höhe einer unterschiedlich sind. _an einen elektro-optischen Modulator angelegten

5. Lichtmodulator nach Anspruch 3, dadurch ₄₀ Spannung bestimmt, etwa indem ein vom Strom / gekennzeichnet, daß die Felder elektrische Felder durchflossener Widerstand R die Spannung U am sind und daß der Abstand der die Felder erzeugen- Modulator M erzeugt, so hängt die Spannung nicht den Elektroden der Lichtmodulationseinheiten _{nur von} der Amplitude der an der Basis des den Strom unterschiedlich ist. bestimmenden Transistors T liegenden Steuerspan-

6. Lichtmodulator nach einem der vorhergehen- _{45 nung} u_s ab, sondern auch vom Stromverstärkungsden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die f_ak_tor des Transistors. Bekanntlich ist dieser Faktor Felder elektrische Felder sind und daß sich zwi- _ab_er von verschiedenen Störeinflüssen (z. B. Tempeschen zwei aneinandergrenzenden Lichtmodu- raturgang) abhängig.

lationseinheiten eine Schicht aus einem Material Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine

befindet, dessen Dielektrizitätskonstante ε« kleiner ₅₀ elektro- oder magnetooptische Modulationsvorrich-

ist als die Dielektrizitätskonstante e_k des aktiven _tung zu schaffen, die die Veränderung der Intensität

Modulatormaterials, wobei die optischen Bre- _eines Lichtstrahls in vorher bestimmten festliegenden

chungsindizes der beiden Materialien gleiche oder Stufen gestattet,

nahezu gleiche Werte besitzen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge-

7. Lichtmodulator nach Anspruch 6, dadurch ge- _{55 löst;} daß der Lichtmodulator so aufgebaut ist, daß die kennzeichnet, daß die Schicht der Dielektrizitäts- elektro- oder magnetooptisch aktiven Medien der einkonstante S_n ein linearer Polarisator ist. zelnen Modulationseinheiten unabhängig voneinander

8. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 _durch Umschalten zwischen zwei Betriebszuständen bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder elek- jeweils verschiedenen elektrischen bzw. magnetischen irische Felder sind und daß sich zwischen je zwei _6o Feldstärken ausgesetzt werden können, und dadurch, Lichtmodulationseinheiten ein mehrschichtiges Di- daß die optisch aktiven Bauteile der Modulationseinelektrikum mit den Dielektrizitätskonstanten e_u. _ne;_{ten sich in} i_hrem Aufbau voneinander unterbefindet, von dem eine Teilschicht als linearer scheiden.

Polarisator ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung sieht also z. B. vor, daß

9. Lichtmodulator nach Anspruch 2, dadurch ge- 65 eine Anzahl von elektro-optischen Modulatoren durch kennzeichnet, daß die Kombination aus den ein- eine Anzahl von fest vorgegebenen Spannungen gezelnen Lichtmodulationseinheiten für den zu modu- steuert werden. Dadurch wird es möglich, anstatt der lierenden Lichtstrahl so gewählt wird, daß die obenerwähnten elektronischen Steuerelemente elek-