DE1639267C3 - Achromatischer Lichtablenker - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen achromatischen Lichtablenker für mehr als eine Wellenlänge enthaltende Strahlung mit mindestens einer Ablenkstufe, die einen elektrooptischen Kristall zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahls und einen nachgeschalteten, den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl auf verschiedenen Wegen weiterleitenden doppelbrechenden Kristall aufweist.

In der Technik der Datenübertragung und der Datenverarbeitung haben optische und elektrooptische Verfahren auf Grund der hohen Geschwindigkeit des Lichtes und der, insbesondere durch die Erfindung des Lasers gegebenen Möglichkeit, parallele Lichtstrahlen mit sehr kleinen Durchmessern herzustellen, in letzter Zeit große Bedeutung erlangt. Im Bestreben, möglichst viele Informationen in einem Lichtstrahl oder in einem gegebenen Querschnitt zu übertragen oder zu speichern, ist man in letzter Zeit bestrebt, an Stelle des im Anfangsstadium dieser Entwicklung verwendeten monochromatischen Lichtes, Strahlung mit möglichst vielen unterscheidbaren Wellenlängen zu verwenden.

Wesentliche Bestandteile der meisten Anordnungen zur Informationsübertragung oder Informationsverarbeitung mittels Licht sind die sogenannten elektrooptischen Lichtablenker, die es ermöglichen, einen Lichtstrahl auf einem steuerbar aus einer Vielzahl vorgegebener Lichtwege auswählbaren Lichtweg weiterzuleiten. Ein derartiger, beispielsweise in der Literaturstelle »Digital Light Deflection« von T. J. Nelson, The Bell System Technical Journal, Vol. 43, Mai 1964, Nr. 3, S. 821 bis 845, beschriebener Lichtablenker ist aus mehreren Stufen aufgebaut, die jeweils aus einem elektrooptischen Element zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahls um 90° und einem nachgeschalteten doppelbrechenden Kristall bestehen in dem der Strahl in Abhängigkeit von der Lage seiner Polarisationsebene entweder unabgelenkt als ordentlicher Strahl oder abgelenkt als außerordentlicher Strahl verläuft.

Wegen der in den in Frage kommenden doppelbrechenden Kristallen auftretenden Dispersion können derartige Strahlablenker, insbesondere wenn sie eine größere Anzahl von Ablenkstufen enthalten, nicht mit mehrere Wellenlängen enthaltenden Strahlen betrieben werden, was zur Folge hat, daß die Leistungsfähigkeit derartiger Anordnungen stark herabgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtablenker der obengenannten Art anzugeben, mit dem auch mehrere Wellenlängen enthaltene Strahlungen abgelenkt werden können, ohne daß störende Dispersionen auftreten. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten elektrooptischen Lichtablenkern, mit denen nur Strahlen mit einer einzigen Wellenlänge störungsfrei abgelenkt werden konnten, ist es mit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, Strahlen zu übertragen, die mehrere Wellenlängen enthalten. Ein besonderer Vorteil dieser Eigenschaft beruht auf der Tatsache, daß die meisten bekannten technisch verwertbaren Lichtquellen entweder ein ganzes Frequenzspektrum oder zumindest, wie das bei den meisten bekanntgewordenen Hochleistungslasern der Fall ist, Strahlungen emittieren, die mehrere definierte Wellenlängen enthalten. Bei den bisher bekanntgewordenen elektrooptischen Lichtablenkern war es wegen der bei ihnen auftretenden Dispersion daher erforderlich, einen Großteil der von den verwendeten Lichtquellen emittierten Strahlungsenergie durch Filter auszublenden, so daß nur der eine einzige Wellenlänge enthaltende Bruchteil dieser Sirahlungsenergien verwendet werden konnte. Das hatte beispielsweise zur Folge, daß der Wirkungsgrad von derartige Lichtablenker enthaltenden Materialbearbeitungsvorrichtungen, beispielsweise von Laserstrahlschneideoder Schweißapparaten stark herabgesetzt wurde. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß mit ihr eine Frequenzmultiplexübertragung von Informationen über Lichtstrahlen möglich ist, während bei Verwendung herkömmlicher Lichtablenker eine Frequenzmultiplexübertragung nicht möglich war, da jeweils nur Strahlen mit einer einzigen Wellenlänge übertragen werden konnten.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines zum Stande der Technik gehörenden Lichtablenkers,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines vom Erfindungsgedanken Gebrauch machenden Lichtablenkers.

Die Polarisationsebene eines linear polarisierten, die Wellenlängen A₁ und A₂ enthaltenden Strahls 14 wird in einer aus einem elektrooptischen Kristall bestehenden elektrooptischen Anordnung 10 entweder nicht beeinflußt oder steuerbar um 90° gedreht.

Der nunmehr mit 16 bezeichnete, die Wellenlängen A₁ und A₂ enthaltende Strahl gelangt zu einem die Länge / aufweisenden doppelbrechemkn Kristall 12, den er bei einer bestimmten Lage seiner Polarisationsebene unabgelenkt durchsetzt In diesem Fall bleiben die die Wellenlängen A₁ und A₂ enthaltenen Komponenten des Strahls kollinear und verlassen den Kristall 12 im gleichen Punkt

Wird jedoch die Polarisationsebene des Strahls 14 durch die elektrooptische Anordnung 10 um 90" gedreht, durchsetzt der die Wellenlängen A₁ und A₂ enthaltende Strahl dej; Kristall 12 als außerordentlicher Strahl, wobei auf Grund der wellenlängeabhängigen Dispersion eine Aufspaltung in Strahlen 20 und 22 stattfindet. Die den beiden Wellenlängen A₁ und A₂ angeordneten Brechungswinkel sind E₁ und E₂. Das Ausmaß der durch die Dispersion veru^rsachten Trennung der Strahlen hängt von den Eigenschaften des Kristalls, von dem Abstand der Wellenlängen A₁ und A₂ ^un<3 von den Abmessungen des doppelbrechenden Kristalls 12 ab. Der Tangens des Winkels £ zwischen den ordentlichen und den außerordentlichen Strahlen ist für eine beliebige Wellenlänge und maximalen Abstand

γ· "O — ^tli> 1

tang E=- ~5 -c = _

", J 2 ■

Da ein Teil der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnungen gleich ist, werden einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der einfallende Lichtstrahl 14 durchsetzt den elektrooptischen Kristall 10, den er derart linear polarisiert als Strahl 16 verläßt, daß er den Kristall 12 als außerordentlicher Strahl durchsetzt. Es sei angenommen, daß dieser Strahl zwei Wellenlängen A₁ und A₂ enthält. Hinter dem Kristal! 12 ist ein

ίο weiterer, aus einem anderen Material besteheritier Kristall 24 angeordnet, in den die außerordentlichen Strahlen 20 und 22 nach Verlassen des Kristalls 12 eintreten. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit und aum besseren Verständnis der unten aufgeführten Gleichungen werden die Kristalle 12 und 24 mit I bzw. II bezeichnet. Die Länge des Kristalls I ist I₁ während die Länge des Kristalls II gleich /_M ist.

Im Kristall I werden die außerordentlichen Strahlen mit den beiden Wellenlängen nach oben abgelenkt, wobei ein Unterschied in ihrer Ablenkung von

Ab = ¹J- (U₂-Ci₁)

auftritt.

Im Kristall II erfolgt eine Ablenkung in der entgegengesetzten Richtung mit einer Differenz der Ablenkung von

Dabei ist H₀ der ordentliche Brechungsindex und n_e der außerordentliche Brechungsindex des Materials. Der Abstand zwischen den beiden Strahlen in einem Kristall von der Länge / beträgt

(2)

Da H₀ und n_c in unterschiedlicher Weise von der Wellenlänge der Strahlung abhängen, sind die beiden Strahlen von der Lage des ordentlichen Strahls um unterschiedliche Beträge entfernt.

Für A₁

für A₂

b, = I
¹

2 '

Ct₂

Der Unterschied der Ablenkung beträgt
Ab = Z)₁-Z)₂ = y (o₂- O₁).

(5)

Die wellenlängenabhängige Dispersion der Brechungsindizes ist in verschiedenen Materialien verschieden. Der maximale Winkel E zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl ist ebenfalls für verschiedene Materialien verschieden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden beide Effekte zum Aufbau eines achromatischen Lichtablenkers ausgenutzt, in dem die wellen längenabhängige Dispersion der außerordentlichen Strahlen für zwei Wellenlängen vollständig dadurch kompensier! wird, daß zwei doppelbrcchende Kristalle, wie bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung, hintereinander angeordnet werden.

^1/7 = τ^-^α'

Soll eine Kompensation eintreten, müssen beide _3<i Werte gleich sein, so daß die Gleichung

^a2 - ^αι

O₂-O₁

erfüllt wird. Die Ablenkung der kompensierten Anordnung ist

— ; rl _ ; rl
-Ί₂ '.. 2 ·

Zur Veranschaulichung der oben angeführten Gleichungen sei angenommen, daß der Strahl der Wellenlängen A₁ = 6328 Ä und A₂ = 4500 Ä enthält. Es sei ferner angenommen, daß der eine Kristall aus CaCO₃ und der andere Kristall aus NaNO₃ besteht. In der folgenden Tabelle werden die Eigenschaften der beiden Materialien aufgeführt:

Λ A

"ο

CaCO₃ 4500 1,6726 1,4932 0,2274

6328 1,6560 1,4853 0,2180 0,0094

NaNO₃ 4500 1,6085 1,3394 0.36821

6328 1,5803 1,3345 0,33972 0,02849

Unter Verwendung der oben angegebenen Gleichungen ergibt sich das Verhältnis beider Knstall-6s Längen zu

¹I. ₌ ^u?_Z...^a.'. ₌ 3,03. (10)

/„ O₂-Ui

Die Ablenkung beträgt ^. ...

Die Ablenkung für einen nicht kompensierten,

b = 4-(a./.-_fl.f-i w!n ι« ^{Oj bcstehcnden} Einkristall ist bei einer

= 6328Ä gleich 0.1091 /. Ein nicht kompensierten und

² V -\03; kSk h. ^dlc, ^Lä«Se des doppelbrechenden

der 2 ih ι⁰-"⁰¹" ^komP^ensier«en Ablenker gleich

1Λ --Hl-V 3.03 χ J" ή» nflili^ur¹¹^ ^nichtk°mP<™iertenAblen-

2 Γ¹ 3,O₃; VTTIÖlJ ^(/' ⁺ '«» ₁₀ CSlfsläi'dSS δηΓ^hi^{Chc 1Län}g^enverhältnis für einen

ίο vollstand,_Mn Ablenker ist kleiner, da der für das

1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Achromatischer Lichtablenker für mehr als eine Wellenlänge enthaltende Strahlung mit mindestens einer Ablenkstufe, die einen elektrooptischen Kristall zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahls und einen nachgeschalteten, den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl auf verschiedenen Wegen weiterleitenden doppelbrechenden Kristall aufweist, gekennzeichnet durch einen auf den nachgeschalteten ersten doppelbrechenden Kristall (12) folgenden zweiten doppelbrechenden Kristall (24) aus anderem Material, der so angeordnet ist, daß der außerordentliche Strahl (20,22) des ersten Kristalls auch in ihm der außerordentliche Strahl ist, daß aber die wellenlängenabhängige Dispersion der Komponenten verschiedener Wellenlängen des außerordentlichen Strahls verglichen mit der Dispersion im ersten Kristall räumlich in umgekehrter Richtung verläuft, und dessen Länge (/,,) so bemessen ist, daß sich die verschiedenen Wellenlängenkomponenten in seiner Ausgangsfläche schneiden. 2s

2. Achromatischer Lichtablenker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Materialzusammensetzung und Ausrichtung der beiden doppelbrechenden Kristalle (12,24) der einzelnen Ablenkstufen, daß die außerordentlichen Strahlen (20, 22) in den beiden Kristallen in bezug auf die ordentlichen Strahlen in entgegengesetzten Richtungen abgelenkt werden.