DE1942053C - Pockelszelle mit flussigen Elektroden - Google Patents

Description

I 942 053

l")ji: wirliegeiule Erliudting bezieht sich auf Ute I Uissigkeiuelektroden von Poekelszellen und auf die Zusammensetzung der Hlekirodenflüssigkeit.

Hei tier Ausbildung von Pockelszellen zur Auswertung des longitudinulen elektrooptischen Effektes hestehi die grollte /u lösende Schwierigkeit in der Gestaltung der Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes.

Die Güte der Pockelszelle hängt ah von einer hohen optischen Durchlässigkeit, einer guten Gleichförmigkeit des elektrischen Feldes, um hei erregter Zelle sicherzustellen, dall der hindurchgehende Lichtstrahl vollständig ausgelöscht wird, und einem niedrigen elektrischen Verlust. Diese Eigenschaften hängen im höchsten MaBe von der Ausbildung der Elektroden der /eile ah, welche im Falle des longiludinalen elektrooptischen Effektes vom gleichen Lichtstrahl durchdrungen werden, welcher auch durch die Zelle geht.

Hs sind bereits verschiedene Ausführungsformen für diese Elektroden vorgeschlagen worden, z. B. Netzclekiroden, Kingelektroden, leitende Glaselektroden und transparente Schichtelektroden, aber keine dieser Alisführungsformen hat sich als völlig befriedigend erwiesen.

Die Netzelektroiien, die zwar eine gute Gleichförmigkeit des elektrischen Feldes sicherstellen, weisen eine hohe optische Absorption (in der Größenordnung von .10 bis 40¹¹Z₀) auf und bewirken darüber hinaus Bcugungscrschci iningen.

Ringelektrode!! erbringen dagegen zwar eine maximale optische Durchlässigkeit, aber mit ihnen kann kein gleichförmiges elektrisches Feld erreicht werden. Für eine gute Arbeitsweise der Zelle ist es darüber hinaus erforderlich, daß das Verhältnis des Abstandes zwischen den Flektroder und dem Fenster der Elektrode selbst ; .· 1,2 ist, was eine entsprechend große Dicke der elektrooptischen Materialien verlangt, wenn die Pockc'izcilen für Lichtstrahlen mit großen Querschnittsdimensionen verwendet werden sollen. Ferner ■erfordern diese Elektroden, bedingt durch die starke Inhomogenität des Feldes, größere Vorspannungen, als diese \on den elektrooptischen Materialien selbst verlangt werden. Über leitende Gaselektroden ist wenig bekannt. Man weiß lediglich, daß diese einen ziemlich hohen Koeffizienten dei optischen Absorption besitzen, der etwa 40°/₀ betragen kann, und daC sie einen beachtlichen Mangel hinsichtlich der Homogenität der Zusammensetzung und einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen.

Mit den transpa reuten Schichtelektroden wurden bis heute die besten Ergebnisse erzielt. Diese Elektroden bestehen aus sehr dünnen Schichten aus leitendem Material, die aus Quarzplalten aufgebracht sind, welche an die elektrooptischen Materialien durch ein Klebe- oder Bindemittel von geringem spezifischem 'elektrischem Widerstand aufgeklebt sind. Diese Elektroden liefern ein sehr gleichförmiges Feld, ihr Widerstund ist ziemlich gering (in der Größenordnung von einigen 100 oder 1000 Ohm/Flächeneinheit), wodurch ihr elektrischer Verlust für nicht sehr hohe Arbeitsfrequenzen in noch zulässigen Grenzen gehalten wird, und sie besitzen eine gute optische Durchlässigkeit, welche bei den besten AusfUhrungsformen größer als 95 °/, ist. Bei diesen elektroden ist es ferner möglich, dünne Kristalle (in der Größenordnung von wenigen Millimetern) auch fü¹ beachtliche Querschnittsdimens.onen zu verwenden. Aber auch diese, bei den letzt* beschriebenen Elektroden vorliegenden optimalen Eigenschaften reichen nicht aus, wenn hei hohen Frequenzen gearbeitet werden soll oder wenn mehrere Zellen hintereinander angeordnet werden tollen (wie t. B. im Fall von digitalen Ahlenkeinrichlungen), da im ersten Fall die elektrischen Verluste und im zweiten Fall die optische Absorption eine vorherrschende Bedeutung haben.

Eine weitere Ausführungsform für transparent·: Elektroden besteht in der Verwendung von flüssigen ίο Elektroden, welche eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen und welche den Vorteil einer hohen Transparenz bei gleichzeitig niedrigem Verlust und guter Gleichförmigkeit des Feldes bieten. Die elektrooptischen Kristalle sind im allgemeinen leicht löslich und können leicht angegriffen werden. Es ist unmöglich, auf dem Kristall Schutzschichten vorzusehen, denn da diese wegen ihrer hohen Tra^r.sparen/ einen hohen spezifischen Widerstand besitzen, würden solche Schulzschichten große Kapazitäten und Reihenwiderstände in das System einbrir _:.in, wodurch ein beachtlich größeres Feld zur Drehung der Halbwellen-Polalisationsebene erforderlich würde, abgehen von den hierdurch bedingten Streueffekten.

Nach der Erfindung werden Flüssigkeiten für die Elektroden von elektrooptischen Kristallen vorgesehen, welche folgende Eigenschaften besitzen: Hohe elektrische Leitfähigkeit; hohe Beständigkeit ihrer Zusammensetzung bei Anwesenhei' des Kristalles und auch bei beachtlichen thermischen Auswanderungen; physikalische und chemische Verträglichkeit min dem Kristall; hohe optische Transparenz; einen Brechungsindex, der sehr nahe bei dem des Kristalles liegt; hohe Ansprechgeschwindigkeit auf die elektrischen Impulse und schließlich eine Unveränderlichkeit ihrer physikalischen und chemischen Struktur beim Vorliegen von Lichtstrahlen hoher Intensität und Kohärenz.

Erfindungsgemäß bestehen diese Flüsigkeiten aus einer wäßrigen Lösung, die aus dem Salz des elektrooptischen Kristalls und einem einfachen Salz besteht, welches ein mit diesem Kristall gemeinsames Ion besitzt und einen Löslichkeitsindex aufweist, der sich nur wenig mit der Temperatur indert. Um den Brechungsindex dieser Lös^Mng so nahe wie möglich an den des verwendeten elektrooptischen Kristalls heranzubringen, wird diese Lösung mit einer sehr transparenten Flüssigkeit gemischt, die einen hohen Brechungsindex besitzt und die unbegrenzt in Wasser löslich ist. Der Anteil dieser Flüssigkeit in der Lösung ist maximal, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, die sich nur langsam ändert, wenn sich die Konzentration ändern sollte.

Es wurden verschiedene Pockelszellen miit flüssigen Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung untersucht, wobei als elektrooptisches Materia! KDP-iKaliumdihydrogenphosphat) und ADP-(Ammoniumdihydrogen~hosphat)Kristalle verwendet wurden.

Die nachfolgend erläuterten Grundsätze und die erhaltenen Ergebnisse können jedoch auch leicht verallgemeinert und auf alle anderen elektrooptischen

Kristalle extrapoliert werden. Pock.-Iszellen mit flüssigen Elektroden

Die Eigenschaften, in denen sich Pockeliizellen mit flüssigen Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung in der Hauptsache von einer üblichen Zelle unterscheiden, sind wie folgt:

1. Die Dicke des elektrooptischen Kristalls kann auf den durch die Herstellung bedingten unumgäng-

lichen Mindest wert begrenzt werden. In der Tat Erlaubt die flüssige Elektrode ein Arbeiten bei elektrischen Feldern, die gröl'er als die Durchbruchsgrenzen des Kristalls selber sind. Ferner besteht keine Schwierigkeit hinsichtlich der Homogenität des elckirischen Feldes, da die Elektroden durch Flüssigkeiten gebildet sind, welche sich vollkommen der Oberllächenform anpassen. Diese letzte Eigenschaft liegt auch bei Zellen mit Niederschlag-Elektroden (Schichtelektroden) vor. ίο

2. Die Flüssigkeitselektroden erlauben die Verwendung von Kristallen mit nur grobbearbeiteter Oberfläche. Denn bei den Zellen, bei denen die Elektroden nicht am Kristall anhaften, verursacht jede Änderung der Kristalldicke eine Änderung des optischen Weges, während das elektrische Feld konstant bleibt. Hei Zellen mit Schichtelektroden ist die Beschichtung (der Niederschlag) schwierig, falls die Oberfläche nur in geringem Maße bearbeitet ist. In beiden Fällen bringt jede Oberflächenabwcich'irvg, ob makroskopisch (Wöl- ao bung) oder mikroskopisch (Rauhigkeit), eine Deformation der Kommandowclle, welche proportional ist dem Unterschied im Brechungsindex von Kristall und Umgebungsmedium (üblicherweise Luft), im Falle von Flüssigkeitselektroden ist dieser plötzliche Unterschied in ankerstern Maße vermieden.

Wenn die Zelle Verschliißgläscr erfordert, so reicht es aus, daß nur deren Außenfläche optisch ausgearbeitet wird. Hierdurch wird die Schwierigkeit bei der Herstellung der Oberflächen vom Kristall (kaum zu bearbeiten, teuer und spröde) auf das Glas verlagert (leicht zu bearbeiten und nur geringe Kosten).

3. Die flüssigen Elektroden erlauben eine Herstellung von Zellen, die eine gegenüber üblichen Zellen beachtlich hohe Durchlässigkeit besitzen. Bei den üblichen Zellen werden entweder transparente, leitende Elektroden (mit einer hohen Absorption) oder mit Fenster versehene Elektroden verwendet, welche eine große Dicke des elektrooptischen Materials erforderlich machen, um ausreichend gleichförmige Felder zu erreichen. Der Vorteil der hohen Durchlässigkeit tritt insbesondere bei elektrooptischen Systemen auf,

7. B. bei digitalen Ablenksystemen mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen und auch bei Lasersystemen, bei denen eine Pockelszelle für den Q-Schalter vcrwendet wird. Bei den letztgenannten Systemen wird jedes absorbierende Element — abgesehen davon, daß es eine beachtliche ^-Reduzierung der Resonanzkammer bewirkt — leicht infolge Aufheizung durch den Laserstrahl selbst zerstört. Bei der Ausführung nach der Erfindung besitzt die erforderliche sehr dünne Flüssigkeitsschicht, (die weniger als 0,1 mm betragen kann), eine Transparenz über das gesamte sichtbare Spektrum für z. B. (vgl. die Figur) den Fall der Lösung a, und einen Brechungsindex, der sehr nahe bei dem mittleren Brechungsindex des elektrooptischen Kristalls liegt, wodurch die Verluste an den Grenzübergängen Flüssigkeit—Kristall —Flüssigkeit herabgesetzt werden und praktisch innerhalb der Absorptionswerte des Kristalls liegen ( -8° „für 3 mm).

Versuchsergebnisse

Pockelszellen mit Flüssigkeitselektroden gemäß der vorliegenden Erfindung wurden experimentell ausgeführt wie folgt:

Ein KDP-Kristall und ein ADP-Kristall mit den Abmessungen 2,5 · 2,5 χ 1,25 cm und mit einer ontischen Achse senkrecht zu den 2.5 ■ 2,5 cm (''lachen wurden abgeflacht und mit trockenen abrasiven Tüchern poliert (sowohl KDP und ADP sind sehr leicht in Wasser löslich).

Die erhaltenen Endoberflächcn erschienen poliert, aber bei sorgfältiger Prüfung war noch eine beachtliche Rauhigkeit zu erkennen. Auf die derartig bearbeiteten Krislalle wurden zwei optisch bearbeitete Platten aus Quarz unter Verwendung von Silikonleim aufgeklebt, wobei längs des Randes des Kristalls cm 0,1 mm Draht aus versilbertem Kupfer /wischengclcgl wurde, welcher sowohl als Abslandhalter, um die Flüssigkeil einbringen /u können, als auch als elektrischer Anschluß diente; die Zellen wurden mit den verschiedenen nachfolgend aufgeführten Flüssigkeiten gefüllt (im Falle des KDP-Krislalls mit den Flüssigkeiten nach den Punkten a) und c) und im Falle des ADP-Krislalls mit den verschiedenen Flüssigkeiten nach den Punkten b) und c). dann abgedichtet und den nachfolgenden Testen unterzogen:

a) Prüfung der Arbeitsbcständigkeit in

zeitlicher Hinsicht

Bei Untersuchungen, die mehrere Tage dauerten, wurde eine optimale Reproduzierbarkeit des Potentialwertes von A, 2 für vor bestimmte Wellenlängen gefunden

b) Untersuchungen in Laser-Kammern

Die Zelle wurde in verschiedene Rubin- und Neodymglas-Laserkammern eingebracht. Es svurden einzelne große Impulse erhalten, die in Amplitude und Dauer reproduzierbar waren. Auch bei Emission¹-werten des Lagers in der Größenordnung von 10 Joule (Spitzen von 260 MW mit l^scc Dauer) schien die Zelle nicht irgendwie meßbar beschädigt worden zu sein.

c) Nichtlineare Effekte

In der Flüssigkeit durchgeführte Messungen ließen die Existenz eines nicht nennenswerten Raman-Effektes erkennen.

d)

Die Zelle wurde als Blende zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren verwendet. Bei einer Erregung mit elektrischen Impulsen von einer Anstiegszeit von etwa 7 Nanosekunden war die Form des Ausgangslichtsignals gleich der Form des elektrischen Signals.

Aus dem Vorstehenden gehen die Vor^f~.ile diesel Pockelszelle mit flüssigen Elektroden gegenüber bekannten Ausführungsarten deutlich hervor. Die« Vorteile sind:

hohe Temperaturbeständigkeit;

hohe optische und Feldhomogenität;

niedriger spezifischer elektrischer Widerstand mi der Folge, daß die elektrischen Verluste auch be einem Arbeiten unter hoher Folgefrequen/. germ] sind;

Ansprechgeschwindigkeit;

geringe optische Verluste;

vernachlässigbare nichtlineare Effekte;

einfache Herstellung bei geringen Kosten.

Einige Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindun sind wie folgt:

a) Eine gesättigte Lösung von Kaliumdihydroger phosphat (KDP) und Kaliumchlorid (KCI) in Wasse Die optimale Lösung war zusammengesetzt aus 24

KCI und 16 g K I)P auf KX) ecm Wasser. Dic^c Flüssigkeit wurde dann mil Glyzerin gemischt, welches ;ils transparente Flüssigkeit mil hohem Brechungsindex verwendet wurde. Hierbei wurde I Teil der Lösung äitif 4 Teile Glyzerin gegeben.

b) Eine gesättigte Losung von AmmoniumdihydrojgenphoE.r-fiat (ADP) und Ammoniumchlorid (NII₄CI) iin Wasser. Die optimale Lösung wurde aus 3d g NHjCI und 24 g ADI' auf 100 ecm Wasser zusammengesetzt. Diese flüssigkeit wurde mit Glyzerin verwendet als transparente Flüssigkeit mit hohem Brechungsindex in einer Menge von 1 Teil der Losing auf 4 Teile Glyzerin gemischt.

c) Line !!csättigte Lösung von KDP. KCI. ADP und NII|CI in Wasser. Für die optimilc Lösung wurden auf l(K)ccm Wasser 24g KCI, 16g KDP. .Ii) g NH₁CI und 24 g ADP verwendet. Die Flüssigkeit wurde dann mit Glyzerin — als transparente Flüssigkeit mit hohem Brechungsindex — in einer Menge von 1 Teil lösung auf 4 Teile Glyzerin gemischt.

Die erhaltenen Flüssigkeiten besaßen die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Eigenschaften

#/5145 Λ

Absorplionskoeffizicnt \ 5145 Ä

Spezifischer Widerstand η

Thermische Stabilität

Lösung von
KDP K(I
in Glycerin

1,445

0.01 cm '
ücm
-4- 30 C

Lösung von

ADP ( NH₁CI

in Glyzerin

1.445

0,01 cm '
23012cm
15 ^- 30 C

Lösung von
KCI ) KI)P
' ACI . Λ D

in Gly/crin

1.445
0.01 cm '
72 iicm
15 ■■- 30 C

Die Flüssigkeit a) wurde als Elektrode für KDP-mler KD ■ !»-Kristalle, die Flüssigkeit b) für ADP-Krislalle und die Flüssigkeit c) für KDP-, KD P-iind ADP-Krisiallc verwendet.

Die beschriebenen Eigenschaften wurden nie gleichzeitig lici den bekannten Ausführungsformen von l'ockelszellen gefunden.

Diese /eilen können ebenfalls als Amplituden-Modulatoren \crwcndet werden, in welchem Fall ein Hintercinandcrschalten verschiedener Zellen zur Herabsetzung des Halbwellenpotcntiales in Anbetracht der hohen Transparenz dieser Zellen ohne Schwierigkeilen durchführbar ist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Pockelszelle mit flüssigen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elekirodcn aus einer wäßrigen Lösung bestehen, die aus dem Salz des ,elektrooptischen Kristailes und aus einem anderen einfachen Salz gebildet ist. welches ein lon gemeinsam mit dem Salz des elckirooptischen Kristalls hat.

2. Pockelszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hinzugegebene Salz aus einer Gruppe von Salzen ausgewählt ist. deren I öslichkciKindex sich nur wenig mit der Tcmpefalur ändert.

3. Pockelszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mit einer stark transparenten Flüssigkeit gemischt ist, welche einen hohen Brechungsindex aufweist und wasserlöslich ist.

4. Pockelszelle nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der elektrooptisch^ Kristall aus KDP (Monokaliumdihydrogenphosphat) oder KD⁴P (markiertes Monokaliumdihydrogenphosphat) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus gesättigten Lösungen von KDP und KCI in Wasser mit hinzugefügtem Glyzerin bestehen.

5. Pockelszelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der elektrooptisch^ Kristall aus ADP (einbasisches AmmoniumJihydrogenphosphat) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus gesättigten Lösungen von ADP und NH₄CI in Wasser bestehen, zu welchen Glyzerin hinzugegeben ist.

6. Pockelszelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der elektrooptische Kristall aus KDP oder KD⁴P oder ADP besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus gesättigten Lösungen aus KDP, KCl. ADP und NH₄Cl in Wasser mit hinzugefügtem Glyzerin bestehen.

7. Verwendung von ein oder mehreren Pockclszellen nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche zum Aufbau eines elektroopti sehen Modulators.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen