DE1797378B2

DE1797378B2 - Vorrichtung zur umwandlung zirkular polarisierter strahlung in linear polarisierte strahlung mit einer sich mit konstanter winkelgeschwindigkeit drehenden polarisationsebene

Info

Publication number: DE1797378B2
Application number: DE19681797378
Authority: DE
Inventors: Hendrik de Delft; Bouwhuis Gijsbertus; Kramer Pieter Eindhoven; Lang (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-10-10
Filing date: 1968-09-21
Publication date: 1977-03-24
Also published as: BE722056A; JPS5125747B1; GB1185970A; CH510273A; DE1797378A1; SE358740B; FR1585363A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung zirkulär oder nahezu zirkulär polarisierter Strahlung in linear oder nahezu linear polarisierte Strahlung mit einer sich mit einer konstanten oder nahezu konstanten Winkelgeschwindigkeit drehenden Polarisationsebene.

In einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird die Umwandlung mit Hilfe eines rotierenden Analysators erhalten. Die aus der US-PS 31 46 294 bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Drehgeschwindigkeit des Analysators und somit die Frequenz, mit der sich die Polarisationsebene dreht, für viele Zwecke zu niedrig ist.

In einer anderen aus »Journal of the Optical Society öl America«, Vol. 51, Nr. 12, Seiten 1360 bis 1365, bekannten Vorrichtung durchlauft die Strahlung eine Kerr-Zelle, deren elektrisches Feld sich mit der Zeit dreht. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß eine Kerr-Zelle sich schwer handhaben läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der sich bei verhältnismäßig einfacher Handhabung eine hohe Drehgeschwindigkeit erzielen läßt. Sie wird dadurch gelöst, daß die Vorrichtung eine Reihenschaltung von mindestens /iwei elektro-optischen Kristallen enthält, wobei die Hauptrichtungen je zweier aufeinanderfolgender Kristalle einen Winkel von 45° einschließen, daß an die Kristalle periodische Spannungen mit Wechselspannungskomponenten gleicher Frequenz angelegt sind, bei denen die Zeitpunkte des Vorzeichenwechselspannungskomponenten an je zwei aufeinanderfolgenden Kristallen um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind, und daß die Amplituden dieser Spannungen derart sind, daß die Summe der entsprechenden optischen Weglängenunterschiede in den Kristallen etwa gleich ist einer halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung, wobei die Amplitude der Spannung an wenigstens einem der Kristalle übereinstimmt mit einem optischen Weglängenunterschied von etwa einem Viertel der Wellenlänge der verwendeten Strahlung.

Als elektro-optische Kristalle werden vorzugsweise den Pockels-Effekt aufweisende Kristalle gewählt. Bei diesen Kristallen ist die Doppelbrechung eine lineare Funktion der an die Kristalle angelegten Spannung. Ein Beispiel eines derartigen Kristalls ist der sog. KDP-Kristall, der sehr stabil ist und sich einfach handhaben läßt. Die dielektrischen Eigenschaften eines KDP-Kristalls gestatten hohe Frequenzen und hohe Spannungen. Ein

derartiger Kristall kann aiso bei einer hohen Frequenz tief moduliert werden.

Ferner können Kristalle gewählt werden, die eine Doppelbrechung proportional mit dem Quadrat der angelegten Spannung aufweisen. Ein Beispiel eines derartigen derartigen Kristalls ist der sog. KTN-Kristall. Wird ein derartiger Kristall an eine Spannung gelegt, welche die Summe einer Gleichspannung und einer niedrigen Wechselspannung ist, so ist die doppelte Brechung nahezu linear mit der Wechselspannung.

Wenn polarisierte Strahlung durch die oben erwähnten elektrooptischen Kristalle geht, ändert sich der Polarisationszustand der Strahlung, und zwar derart, daß bei variierender Spannung am Kristall sich der PolarisationszuMand der durchgelassenen Strahlung ändert.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt:

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung,

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform,

F i g. 3a, 3b und 4 geometrische Darstellungen und

F i g. 5 eine dritte Ausführungsform.

In der Vorrichtung nach F i g. 1 fällt die von der Lichtquelle 1 ausgesandte und von der Linse 2 in ein paralleles Bünde! umgewandelte Strahlung auf den

Polarisator 3 und dann auf die ₄ λ-Platte 4 auf. Aus dem Polarisator 3 tritt linear polarisiertes Licht aus, daß von der ₄ λ-Platte in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt wird.

Das zirkulär polarisierte Licht, passiert die Reihenschaltung zweier Pockels-Kristalle 5 und 6, deren mit Pfeilen 8 und 9 angedeutete Hauptrichtungen miteinander einen Winkel von 45° einschließen. An den Kristall 5 wird eine Wechselspannung Vi = Vo sein ωί aus der Wechselspannungsquelle 10 und an den Kristall 6 wird eine Wechselspannung V₂= V₀ cos ωί aus der Wechselspannungsquelle 11 gelegt. Auch kann eine einzige Quelle Anwendung finden und kann eine Phasenverschiebungsschaltung zwischen der Quelle und einem der Kristalle eingeschaltet werden. Die Spannungen Vi und V₂ sind derart angelegt, daß das von der Spannung im Kristall 5 bzw. 6 erzeugte Feld zu der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Kristall parallel ist.

Die Amplitude V₀ ist so groß, daß zirkulär polarisiertes auf den Kristall 5 bzw. 6 auffallendes Licht bei dieser Spannung von jedem einzelnen der Kristalle in linear polarisiertes Licht umgewandeil wird. V₀ wird ja so groß gewählt, daß sich zwischen den beiden Schwingungen, aus denen das zirkulär polarisierte Licht

aufgebaut ist, ein Phasenunterschied von ₄ Wellenlänge

ergibt. In einer Ausführungsform, bei der die Kristalle 5 und 6 KDP-Kristalle waren, war V₀ = SkV. Die elektro-optische Doppelbrechungskoiistante eines KDP-Kristalls beträgt nähmlich etwa 180 AE/kV und das verwendete Licht hatte eine Wellenlänge λ = 6000 AE.

Die Lage der Polarisationsebene des ausgesandten Lichtes läßt sich leicht für vier Zeitpunkte errechnen.

2 7

Für t = 0 ist Vi = Vo sin ω ί= Vo sin ... r = 0

und V:= Vo cos ωί= Vo ■ cos

Vo. Polarisationsebene gegenüber einer Bezugsebene wird 0° gewählt-

Für t=W ist Vi=Vu sin ²S [ = Vo und Vi

4 /4

= Vocos~-| =0.

Der Kristall 5 wandelt das zirkulär polarisierte Licht

in linear polarisiertes Licht um. Die Lage der

ίο Polarisationsebene in bezug auf die Bezugebene ist 45°.

Die Hauptrichtungen der Kristalle 5 und 6 schließen ja einen Winkel von 45° miteinander ein.

Für 1=\t ist Vi=Vo sin ² _y ⁷ ^=O und Vi

Vo cos

T,¹ .

I ■ 4

Der Kristall 6 wandelt das zirkulär polarisierte Licht in linear polarisiertes Licht um. Die Lage der Polarisationsebene gegenüber der Bezugsebene ist 90°.

Für t-^T ist Vi=Vo sin ~.j! ^ 7= - Vo und

Vi= Vo cos

T=O.

Der Kristall 6 wandelt das zirkulär polarisierte Lieh! in linear polarisiertes Licht um. Die Lage der Der Kristall 5 wandelt das zirkulär polarisierte Licht in linear polarisiertes Licht um. Die Lage der Polarisationsebene gegenüber der Bezugsebene ist 135°.

Für / = Tist V, = 0 und V₂ = V₀.

Der Kristall 6 wandelt das zirkulär polarisierte Licht in linear polarisiertes Licht um. Die Lage der Polarisationsebene gegenüber der Bezugsebenc ist is 180°, mit anderen Worten, sie fällt mit der Bezugsebene zusammen, oder aber ihre Lage gegenüber der Bezugsebene ist 0°.

Die Lage der Polarisationsebene hat sich für vier Zeitpunkte nämlich

I I 3

¹ 4 * ^ * A

proportional mit der Zeit T verschoben. Für /wischenliegende Zeitpunkte gibt es Abweichungen von der Proportionalität. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Polarisationsebene dreht, ist nicht konstant. Außerdem ist das aus der Reihenschaltung der Kristalle austretende Licht für diese zwischcnliegenden Zeitpunkte etwas

so elliptisch polarisiert. Es läßt sich errechnen, daß für zwischenliegende Zeitpunkte die Abweichung von der Proportionalität mit der Zeit zwischen —20° und +20^r und das Verhältnis zwischen der Amplitude des rechtstehend zirkulär polarisierten Lichtes und der des

y, linksdrehend zirkulär polarisierten Lichtes zwischen 1,2 und 0.8 schwankt.

Eine bessere Linearität wird erhalten, wem. die Anordnung nach Fig. 2 angewandt wird. In F i g. 2 fällt das Licnt aus der Lichtquelle 21 über eine Linse 22 auf einen Polarisator 23 und eine sich daran anschließende

', λ-Platte 24 auf. Aus der ₄ λ-Platte 24 tritt zirkulär polarisiertes Licht aus, daß die Reihenschaltung dreier elektro-optischer Kristalle 25, 26 und 27 [..assiert. Die ns Hauptrichlungen der Kristalle 25 und 27 sind zueinander parallel, während die Hauptschaliung des Kristalls 26 mi; Jen Hauptrichtungen der Kristalle 25 und 27 einen Winkel von 45° einschließt.

Wird die Spannung V, aus der Quelle 31 gleich der Spannung V₃ aus der Quelle 33 gewählt:

und wird die Spannung V₂ aus der Quelle 32 gleich V₂ = V₂₂ cos ωί gewählt, so stellt sich heraus, daß bei passender Wahl von Vi₃ und V₂₂, und zwar V_n = 48/90 · V₀ und V₂₂ = 82/90 - V₀ sowohl die Linearität des Polarisationszustandes als auch die der Drehung der Polarisationsebene als Funktion der Zeit der aus der Reihenschaltung austretenden Strahlung groß ist. Es läßt sich errechnen, daß für Zeitpunkte

zwischen

Der Kreisbogen ab entsteht durch Drehung um die Achse FG über einen Winkel von

48°

sin

/ = 0und (=₄ 7" zwischen f

Tund t=\ T,

Tund

zwischen t=\ T"und f = ₄ T, und zwischen r=₄

die Abweichung von der Proportionalität mit der Zeit

zwischen -1,5° und +1,5° und das Verhältnis zwischen

der Amplitude des rechtsdrehend zirkulär polarisierten

Lichtes und der des linksdrehend zirkulär polarisierten Lichtes zwischen 1,1 und 0,9 schwankt.

Mit Hilfe der Poincare-Kugel (vgl. auch »Principles of Optics« von Born und Wolf, S. 30 und 31), wo allerhand Polarisationszustände dargestellt sind, kann Obenstehendes veranschaulicht werden.

Ein Pülarisationszustarid wird durch eine Ellipse in der xy-Ebene (F i g. 3a) gekennzeichnet, deren Längsachse L einen Winkel φ mit der x-Achse einschließt, während die Diagonale D des umschriebenen Rechtecks einen Winkel # mit L einschließt Das Achsenverhältnis der Ellipse wird durch tg ϋ· gegeben.

Auf der Poincare-Kugel (F i g. 3b) wird der Punkt P durch die Winkel 2 φ und 2 # gekennzeichnet. Es gibt eine eindeutige Beziehung zwischen dem Polarisationszustände und dem zugehörigen Punkt auf der Kugel.

Der Winkel & = 0° (linear polarisiertes Licht, siehe F i g. 3a) entspricht Punkten auf dem Äquator der Kugel, d. h. daß der Äquator sämtliche linearen Zustände repräsentiert.

Der Winkel f> = 45" (zirkulär polarisiertes Licht) entspricht den Polen (A, und A₂) der Kugel.

Lineare Phasenisotropie, wie sie bei doppelbrechenden Kristallen auftritt, kann als eine Drehung um eine waagerechte Achse in der Äquatorebene dargestellt werden.

Die Änderung der Polarisation in der Vorrichtung nach F i g. 2 kann auf der Poincare-Kugel repräsentiert werden, wie dies in F i g. 4 für den Zeitpunkt r = 778 dargestellt ist. Es wird von zirkulär polarisiertem Licht zwischen den Elementen 24 und 25 (Punkt a) ausgegangen. Über die Kreisbögen ac, be und cd wird der nahezu auf dem Äquator liegende Punkt d erreichu sin ω ί=48"

der Kreisbogen bc durch Drehung um die Achse DE über einen Winkel 82° cos ₄ = 58° und der Kreisbogen cd aufs neue durch Drehung um die Achse FG über einen Winkel 48° sin ₄ == 34°. Die Drehungsachsen DE und FG sind zueinander senkrecht.

Es ist einleuchtend, daß mit fünf oder sieben, im allgemeinen mit 2n+l Kristallen noch bessere Ergebnisse erzielt werden können.

Die Drehgeschwindigkeit der Polarisationsebene kann durch Änderung von ω geändert werden.

Zirkular polarisiertes Licht kann auch dadurch in linear polarisiertes Licht umgewandelt werden, daß impulsförmige Spannungen an zwei Kristalle angelegt werden, deren Hauptrichtungen miteinander einen Winkel von 45° einschließen. In der Vorrichtung nach F i g. S fällt die von der Lichtquelle 41 herrührende und von der Linse 42 in ein paralleles Bündel umgewandelte

Strahlung auf den Polarisator 43 und dann auf die ₄ λ-Platte 44 auf. Aus dem Polarisator 43 tritt linear polarisiertes Licht aus, das von der ₄ A-Platte 44 in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt wird.

Das zirkulär polarisierte Licht passiert die Reihenschaltung zweier Pockels-Kristalle 45 und 46, deren mit Pfeilen 48 und 49 angedeutete Hauptrichtungen miteinander einen Winkel von 45° einschließen. Die an den zweiten Kristall (46) gelegte Spannung aus der Quelle 51 ist während einer Hälfte jeder Periode gleich + V₀ und die an den ersten Kristall (45) gelegte impulsförmige Spannung aus der Quelle 50 nimmt linear von - V₀ auf + V₀ zu. Während der anderen Hälfte jeder Periode ist die Spannung am zweiten Kristall — Vo und die am ersten Kristall nimmt linear von + Vo auf — Vo ab

Es versteht sich, daß zur Vermeidung hoher Spannungen jeder Kristall in eine Anzahl Teilkristalle geteilt werden kann. An jeden Teilkristall wird dann eine Spannung gelegt, deren Amplitude einen Faktor η kleiner als die der Spannung am ungeteilten Kristall ist, wenn π die Anzahl Teilkristalle ist.

Zwischen zwei aufeinander folgenden Kristallen

können optisch wirksame oder doppelbrechende Elemente angeordnet werden. Die gegenseitige Orien-

<so tierung der Kristalle wird dann völlig oder teilweise durch diese Elemente bestimmt

Das Element 7. 34 bzw. 47 in Fig. 1, Fig.2 bzw F i g. 5 stellt einen photoelektrischen Detektor dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

ΊΓ

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umwandlung zirkulär oder nahezu zirkulär polarisierter Strahlung in linear oder nahezu linear polarisierte Strahlung mit einer konstanten oder nahezu konstanten Winkelgeschwindigkeit drehenden Polarisationsebene, d a durch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Reihenschaltung von mindestens zwei elektro- ι ο optischen Kristallen (5, 6; 25, 26, 27; 45, 46) enthält, wobei die Hauptrichtungen (8,9; 28,29,30; 48,49) je zweier aufeinanderfolgender Kristalle einen Winkel von 45° einschließen, daß an die Kristalle periodische Spannungen mit Wechselspannungskomponen- ι j ten (10, Π; 31, 32, 33; 50, 51) gleicher Frequenz angelegt sind, bei denen die Zeitpunkte des Vorzeichtnwechselspannungskomponenten an je zwei aufeinanderfolgenden Kristallen um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind, und daß die Amplituden dieser Spannungen derart sind, daß die Summe der entsprechenden optischen Weglängenunterschiede in den Kristallen etwa gleich ist einer halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung, wobei die Amplitude der Spannung an wenigstens einem der Kristalle (5, 6; 26; 45, 46) übereinstimmt mit einem optischen Weglängenunterschied von etwa einem Viertel der Wellenlänge der verwendeten Strahlung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Reihenschaltung von zwei elektro-optischen Kristallen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Kristalle (5, 6) eine sinusförmig verlaufende Spannung (10, 11) angelegt ist, deren Amplitude derart ist, daß der entsprechende optische Weglängenunterschied in dem Kristall ein Viertel der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ist und daß die sinusförmigen Spannungen an den zwei Kristallen einen Phasenunterschied von 90° aufweisen (Fig.l).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Reihenschaltung von drei elektro-optischen Kristallen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine sinusförmig verlaufende Spannung angelegt ist, deren Amplitude an jedem der äußeren Kristalle (25, 27) einem optischen Weglängenunterschied von etwa einem Achtel der Wellenlänge in dem betreffenden Kristall entspricht, während die Amplitude der sinusförmigen Spannung (32) an dem inneren Kristall (26) einem optischen Weglängenunterschied von etwa einem Viertel der Wellenlänge in dem betreffenden Kristall entspricht, und daß die sinusförmigen Spannungen an zwei aufeinanderfolgenden Kristallen einen Phasenunterschied von 90° aufweisen (F i g. 2).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Reihenschaltung von zwei elektro-optischen Kristallen enthält, daduich gekennzeichnet, daß die elektrischen Spannungen an jedem der beiden Kristalle einer derartigen Zeitfunktion folgen, daß die Spannung (50) am ersten Kristall (45) während einer Hälfte jeder Periode linear mil der Zeit zunimmt, und während der anderen Hälfte jeder Periode linear mit der Zeit abnimmt, während die Spannung (51) am zweiten Kristall (46), die nach bj jeder Halbperiode ihr Vorzeichen wechselt, denselben Absolutwert beibehält, der gleich dem der Spannung am ersten Kristall am Ende jeder Halbpenode ist und der einem optischen Weglängenunterschied in den Kristallen von einem Viertel der Wellenlänge der verwendeten Strahlung entspricht

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus 2/j+l elektro-optischen Kristallen besteht, wobei η eine ganze Zahl ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektro-optischer Kristall aus mehreren Teilkristallen besteht und daß die Amplitude der Spannung an jedem Teilkristail um den Faktor kleiner als die am ungeteilten Kristall ist, der gleich der Anzahl der Teilkristalle ist.