DE1802809A1 - Optischer Modulator - Google Patents

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Patentanwalt

7 Stuttgart-Feuerbach 1802809

Kurze Strasse 8

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Optischer Modulator

Die Priorität der Anmeldung Nr. 46532/67 vom 12. Oktober I967 in Großbritannien ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft einen optischen Modulator au3 gestapelten, dünnen Kristallplättehen, an deren Grund- und Deckfläche Elektroden angebracht sind.

Bei der Erfindung werden vorzugsweise Modulatoren verwendet, die als wirksame Elemente dünne Plättchen aus Kristallen vom KDP-ADP Typ enthalten, die in der Z-£bene geschnitten sind.

Kristalle vom Typ KDP-ADP sind KDP selbst (KH₂PO^) und seine isomorphen Verbindungen DKDP (KD₂PO^) (D bedeutet hier Deuterium), KDA (KHgA₃O^), RDA (RbH₂A₃O^) und ADP (NH^H₂PO₄).

KDP-ADP-Kristalle gehören sämtlich zur piezoelektrischen Punktgruppe 42m bei Raumtemperatur.

Ein in dei- Z-Ebene geschnittenes Plättchen eines Kristalls vom KDP-ADP-Typ ist ein Plättchen, das so geschnitten ist, daß seine Hauptfläche in der Ebene liegt, die von der X- und Y-Achse des Kristalls gebildet wird, wobei die X-, Y- und Z-Achsen auf Grund der kristallographischen Eigenschaften gegeben sind. Die X-, Y- und Z-Achsen des ursprünglichen Kristalls bilden ein orthogonales System. In den Kristallen vom Typ KDP-ADP gibt es außerdem physikalisch unterscheidbare Achsen X- und Y-, die unter 45° zu der X- und Y-Achse ver-

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laufen und die in der Ebene liegen, die von den X- und Y-Achsen gebildet wird. Die X-, Y- und Z-Achsen bilden ein anderes orthogonales System, wobei die X- und Y-Achsen in der Haup^flache eines in der Z-Ebene geschnittenen Kristalls liegen und wobei die Z-Achse in der Normalen der Hauptfläche verläuft.

Wird ein solches Plättchen als Modulator verwendet, dann liegen die Richtung, in der der Lichtstrahl verläuft, und die Richtung, in der das elektrische Feld angelegt werden soll., in der Z-Achse „ Durch das· elektrische Feld soll das Licht, das entlang der Verzögerungs- oder X-Achse polarisiert ist, bezüglich dem Licht, das entlang der schnellen oder Y-Achse polarisiert ist, verzögert werden. Ohne elektrisches Feld sendet ein in der Z-Ebene geschnittenes KDP-Plättchen beide Polarisationsrichtungen gleichmäßig aus. Das Plättchen ist vollständig moduliert, wenn das Feld so groß ist, daß die Verzögerung eine halbe Wellenlänge des Lichtes beträgt» Man bezeichnet das Plättchen dann als /2»Plättchen, und die Spannung ist die /2-Spannung," die mit V., /_pbezeichnet ist. Es wird darauf hingewiesen, daß durch die V- /p Spannung die Polarisation des Ausgangslichtes so umgeschaltet wird, daß sie im rechten Winkel zur Eingangspolarisation verläuft. Spannungen zwischen O und V ., /p ergeben Werte, die zwischen O und 1 liegen.

Mit der Erfindung wird ein verbesserter optischer Modulator angegeben.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ringförmig und in Vertiefungen angeordnet sind, und daß jeweils 2 Plättchen zu einem Paar zusammengefaßt sind,. und daß die schnelle Achse des einen Plättchens parallel zur langsamen Achse des anderen Plättchens des Paares verläuft,

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und daß, wenn der Stapel mehr als 3 Plättchen enthält, die Richtungen der schnellen bzw. langsamen Achse jeweils zum übernächsten Plättchen parallel verlaufen und daß die Elektroden des 1., 3·> 5· ··· -Plättchens bzw. die Elektroden des 2., 4., 6. ...-Plättchens zusammengeschaltet sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 (a) eine perspektivische Ansicht eines dünnen _Λ Plättchens f

Fig. 1 (b) eine perspektivische Ansicht eines dünnen

Plättchens, bei dem die Elektroden spiegelbildlich zum Plättchen nach Fig. 1 (a) angeordnet sind.

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Plättchenstapels Fig. 3 ein anderes Plättchen

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung eines Stapels aus Plättchen nach Fig. 3.

Fig. 1 (a) zeigt in perspektivischer Ansicht ein in der Z-Ebene geschnittenes Plättchen aus einem Kristall vom KDP-Typ. Das Plättchen ist quadratisch. Es ist mit 1 bezeichnet. Die X- und Y-Achse des ursprünglichen Kristalls sind die Diagonalen des Quadrates, und die Z-Achse verläuft senkrecht zum Boden bzw. zur Deckfläche. Eine ringförmige Vertiefung 2 mit Anschluß J> A ist in der Deckfläche mittels Ultraschall oder Sandstrahlen angebracht, wobei während dieses Vorganges der Mittelteil 4 und der äußere Teil 5 durch selbstklebendes Band abgedeckt wurden.

Auf der Grundfläche befindet sich eine entsprechende ringförmige Vertiefung 2^f mit ihrem Anschluß 3 A¹. Der nicht

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bearbeitete Mittelteil der Grundfläche befindet sich direkt unterhalb dem Mittelteil 4 der Deckfläche. Der Anschluß JA ^! der Grundfläche verläuft rechtwinklig zum Anschluß j? der Deckfläche. Beide Deckflächen werden mittels einer Suspension von Aluminium in Alkohol poliert, wobei die Mittelteile besonders sorgfältig bearbeitet werden. Die Vertiefungen 2 und 2' werden dann versilbert, wobei eine kolloidale Suspension einer Silberfarbe verwendet wird. Es wird dabei besonders darauf geachtet, daß das Silber nicht über die Grund- bzw. Deckfläche hinausragt. Gleichzeitig werden Drähte 6,6^X in das Silber eingebettet.

Ringförmige Elektroden sind eine besonders günstige Ausführungsform einer lichtdurchlässigen Elektrode, die Licht durch einen Mittelteil läßt. Es gibt auch halbdurchlässige Elektroden ohne Öffnung, die den Strahlengang nicht unterbrechen. Die ringförmigen Elektroden sind jedoch günstiger zum Modulieren des Strahles, der von einem Laser abgegeben wird.

Die erforderliche hohe Spannung, die an einem Plättchen, das als Modulator verwendet werden soll, an sich erforderlich ist, kann herabgesetzt werden, indem man einen Plättchenstapel vorsieht, wobei an jedem Plättchen die gleiche Spannung liegt, und wobei die Plättchen so angeordnet sind, daß sich die Wirkungen der einzelnen Plättchen addieren.

Werden die einzelnen Plättchen ohne gegenseitige Verdrehung gestapelt,, dann ist es erforderlich, um zu erreichen, daß die optischen Effekte sich addieren, daß die elektrischen Felder alle in der gleichen Richtung entlang der Z-Achse verlaufen. Werden die Felder von der gleichen Zwei-Pol-Quelle geliefert, dann haben die aneinanderliegenden Flächen aufeinander folgender Plättchen im Stapel entgegengesetzte Polarität, und die Elektroden auf den Plättchen müssen daher voneinander isoliert sein.

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Als Isolation kann man beispielsweise Glasplättchen zwischen den Kristallplättchen vorsehen. Hierdurch wird jedoch nicht nur die Gesamtdicke größer und der Aufbau der Anordnung komplizierter, sondern es wird auch die Anzahl der Flächen, durch die das Licht treten muß, größer. An jeder dieser Flächen treten, sofern nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden, unerwünschte Reflektion und Lichtverluste auf.

Die Isolation kann entfallen, wenn man aufeinander folgende Plättchen im Stapel gegeneinander um 90° verdreht. Um zu ä erreichen, daß sich die optischen Effekte weiterhin addieren, müssen die Riehtungen der Felder in jedem Plättchen umgekehrt werden. Dies bedeutet, daß nebeneinander liegende Elektroden aufeinanderfolgender Plättchen nun die gleiche Polarität haben und elektrisch miteinander verbunden werden können. Das Plättchen nach Fig. 1 (a) ist rechtgängig in'dem Sinne, daß eine Reöhtsdrehung nach aufwärts erforderlich ist, um von der Richtung des Anschlusses (3A¹) auf der Deckfläche in die Richtung des Anschlusses (3Ä)"der Grundfläche zu drehen. Das Plättchen nach Fig. 1 (b) ist ein Spiegelbild des Plättchens nach Fig. 1 (a), und es ist rechtsgängig, da .eine Drehung von der Richtung des Anschlusses in der Grundfläche (JB) in die Richtung des Anschlusses der Deckfläche ( (j5B^f) eine Drehung nach links aufwärts notwendig macht.

Figur.2 zeigt eine Möglichkeit, wie man die Elemente aufeinander liegenden Flächen aufeinanderfolgender Plättchen miteinander verbinden kann. Das Verfahren besteht darin, daß man abwechselnd rechtsgängige Plättchen IA, IC mit linksgängigen Plättchen IB, ID stapelt und die Anschlüsse aufeinander folgender Plättchen übereinanderlegt. Die schnellen Achsen jeweils des übernächsten Plättchens verlaufen parallel, und die langsamen Achsen des übernächsten Plättchens verlaufen ebenfalls parallel..

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Die mittleren Teile aufeinanderliegenden Plättchen werden optisch verbunden, indem sie mit einem durchsichtigen optischen Zement verbunden werden. Hierzu eignet sich beispielsweise Kanada Balsam bei einer Temperatur unter 80° C. Man kann auch ein kalthärtendes Klebemittel verwenden. Der Stapel wird auf einer Glasscheibe 7aufgebaut und erhält als Abdeckung eine weitere Glasscheibe 8. Die Glasscheiben werden an dem Stapel - wie oben beschrieben befestigt. Man muß darauf achten, daß im Mittelfenster keine Luftblasen auftreten. Die Drähte 6,6* werden bei 9,9° mit den Klemmen 10,10' verbunden, und die gesamte Anordnung wurde bekannterweise mit einer Vergußmasse 14 vergossen, wobei die Klemmen 10 und 10* aus der vergossenen Anordnung herausragen. Auf diese Weise sind die Scheiben und die Grund- und Deckflächen vor atmosphärischen Einflüssen geschützt. Die Scheibe 8 ist kleiner als die Scheibe 7, um das Vergießen zu erleichtern..

Anstelle der hohen, üblicherweise erforderlichen .6/2-Spannung, die bei 8 KV für KDP und bei 3 KV bei DKDP liegt, ist nun eine Spannung an den Klemmen 10 und 10' erforderlich, die sich aus V 1/2 : η errechnet, wobei η die Anzahl der Plättchen im Stapel ist.

Die Plättchen IA bis ID im Stapel nach Fig. 2 sind so angeordnet, daß gleiche Achsen jeweils der übernächsten Plättchen parallel und in derselben Richtung sind.

Fig. J5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Plättchens, bei der die Eigenschaften der linksweisenden und rechtsweisenden Plättchen der Fig. IA und IB vereinigt sind. Die Diagonalen einer in der Z-Ebene geschnittenen, quadratischen Platte aus Kristall vom Typ KDP fallen zusammen mit der X- und Y-Kristallachse. Kreisförmige Elektroden sind an der Grund- und Deckfläche angeordnet, und die Anschlüsse 11 und I^

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auf der Grundfläche verlaufen parallel zur schnellen Achse, und der Anschluß 12 auf der Deckfläche verläuft parallel und in Richtung der langsamen Achse.

Fig. 4 zeigt ein^npiättchenstapel, ähnlich dem Plättchenstapel nach Fig. 3* wobei die Anschlüssel31, 2Jl., 331 und 431 dem Anschluß 11 der Fig. 3 entsprechen, die Anschlüsse 152, 232, 332 und 432 dem Anschluß 12 und die Anschlüsse 133, 233, 333 und 433 dem Anschluß 13.Aufeinanderfolgende Plättchen sind um 9O°gedreht, so daß jeweils die gleichen Achsen der übernächsten Plättchen parallel verlaufen. Die Plättchen nach den Fig. 4 A - D sind untereinander mechanisch gleich. Da mehr als 3 Plättchen im Stapel sind, verlaufen gleiche Achsen des übernächsten Plättchens parallel. (Beispeilsweise die X¹-Achse 232 bzw. die Y¹-Achse 233 des Plättchens (b) verlaufen parallel zur X'Achse 432 bzw. Y¹-Achse 433 des Plättchens (d).) Wenn der Stapel nur 3 Plättchen enthält, beispielsweise Fig. 4 (a) - (c), dann gibt es kein Plättchen, das das übernächste zum Plättchen (b) ist. Die Achsen des Paares (a) und (c) sind jedoch nach wie vor parallel.

Es ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend notwendig, daß die Plättchen quadratisch sind, wobei die X- und Y-Kristallachsen mit den Diagonalen des Quadrates zusammenfallen c Es ist jedoch notwendig, daß alle Plättchen im Stapel richtig orientiert sind. Dies erreicht man, indem man die Plättchen von einem größeren Kristall schneidet. Tut man dies und bringt man die Elektroden an die Anschlüsse, wie gezeigt, an, dann ergibt sich die richtige Orientierung beim Stapelnvon selbst.

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Weitere optische Elemente, z.B. lineare Polarisatoren oder i.../4-Plättchen können - wenn erforderlich - in den Stapel eingefügt werden. Da das Eingangslicht immer polarisiert sein muß, kann man einen linearen Polisator am einen Ende beispielsweise zwischen 1 (a) und 7 anordnen.

Ist das ankommende Licht bereits polarisiert, dann müß dessen Richtung parallel zur Richtung des linearen Polisators sein. Verlaufen die X- und Y-Achsen unter 45° zu den Kanten des Plättchens, dann sind die Achsen des ™ linearen Polarisators parallel zu den X- und Y-Achsen des Plättchens.

^Vl/2 Es ist im allgemeinen einfacher, eine Spannung von + J_1n

Vl /2 " bereitzustellen als eine Spannung von 0 und ../

Xl .

Daher kann es günstig sein, eine S^./4-Platte einzufügen. Diese muß hinter dem linearen Polisator in Richtung des Lichtdurchganges an einer beliebigen Stelle des Stapels angeordnet sein. Die Achsen der S./4-Platte müssen parallel zur X- und Y-Achse des Kristalls verlaufen.

Ein zweiter gekreuzter linearer Polisator kann innerhalb t des Stapels angeordnet werden. In diesem Fall kann die Anordnung nur als Intensitätsmodulator verwendet werden und nicht zur Strahlverschiebung. Der zweite PolKisafcor kann dann entfallen. Die Anordnung ist dann zur Strahlverschiebung geeignet. Ist es erforderlich, die Anordnung als IntensitEtsmodulator zu verwenden, kann man entweder efrm externen Polarisator verwenden,, oder es kann durch die Verwendung einer polarisierten Lichtquelle * in Verbindung mit einer Einrichtung, die einen einzigen eingebauten Polisator hat, die Lichtrichtung durch die Einrichtung umgekehrt werden.

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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß durch Anlegen der V 1/2 Spannung die Polarisation des Ausgangslichtes so umgeschaltet wird, daß sie unter 90° zur Eingangspolarisation verläuft. Dieses Umschalten der Polarisation kann man zur Strahlablenkung verwenden, wenn der zweite Polarisator durch eine Anordnung, ähnlich einem Wollastonschen Prisma ersetzt wird, wobei die verschieden polarisierten Schwingungen verschiedene Wege nehmen.

Der Durchmesser der Elektroden soll so klein als möglich | gemacht werden, damit der Einfluß auf die Kapazität möglichst klein wird.

Die Gesamtabmessungen des Plattchens und besonders der Durchmesser des Mittelteils soll aus Gründen der Wirtschaftlichkeit so klein wie möglich sein. Man wällt einen durchmesser , der für Strahlbreiten geeignet ist, die üblicherweise bei optischen Quellen auftreten. Man muß dabei beachten, daß die Feldstärke in der Mittelachse kleiner wird, wenn der Durchmesser des Mittelteils größer als die Dicke des Plättchens ist. Um zu gleichen Ergebnissen zu gelangen, muß man dann eine größere Spannung verwenden.

Der äußere Teil 5 trägt ebenfalls zur Kapazität bei, und diese Fläche soll daher sehr klein gehalten werden. Sie erleichtert jedoch die Ausrichtung der Platten und macht es relativ einfach, daß man gleichmäßige X- und Y-Achsen im Stapel erhält. Sie erleichtert auch das Justieren der optischen Fenster in der Mitte.

8 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen, 4 Fig.

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Optischer Modulator aus gestapelten, dünnen Kristallplättchen, an deren Grund- und Deckflächen Elektroden angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ringförmig und in Vertiefungen angeordnet sind, und daß jeweils zwei Plättchen zu einem Paar zusammengefaßt sind, und daß die schnelle Achse des einen Plättchens parallel zur langsamen Achse des anderen Plättchens des Paares verläuft, und daß, wenn der Stapel mehr als 3 Plättchen enthält, die Richtungen der schnellen bzw. der langsamen Achsen jeweils der übernächsten Plättchen parallel verlaufen, und daß die Elektroden des 1., 3·, 5. ... Plättchens bzw. die Elektroden des 2., 4., 6. ... Plättchens zusammengeschaltet sind.

2. Modulator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der der Anschluß der ringförmigen Elektroden des 1., 3 · * 5. ··· Plättchens auf der Grundfläche in Richtung der einen Achse und auf der Deckfläche in Richtung der anderen Achse, Tino der Anschluß der ringförmigen Elektroden des 2., 4., 6. Plättchens, umgekehrt wie bei den ersten, dritten ... Plättchen angebracht ist.

3. Modulator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen untereinander gleich sind und auf der Grundfläche zwei Anschlüsse in Richtung der einen Achse und auf der Deckfläche einen Anschluß in Richtung der anderen Achse aufweisen.

4. Modulator nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen optisch leitend miteinander verbunden sind

Ne/Gr

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5. Modulator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Stapels ein Jt/4-Plättchen angeordnet ist.

6. Modulator nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß am einem und/oder anderen Ende des Stapels ein linearer Polarisator vorgesehen ist.

7. Modulator nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß am optischen Ausgang des Stapels ein Wollaston'sches Prisma angeordnet ist.

8. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Plattchenmaterial ein Kristall vom KDP - ADP-Typ verwendet wird.

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