DE1942053C - Pockelszelle mit flussigen Elektroden - Google Patents
Pockelszelle mit flussigen ElektrodenInfo
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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 Trar.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 LösMng 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
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 Vorf~.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
KDP K(I
in Glycerin
1,445
0.01 cm '
ücm
-4- 30 C
ücm
-4- 30 C
Lösung von
ADP ( NH1CI
in Glyzerin
1.445
0,01 cm '
23012cm
15 ^- 30 C
23012cm
15 ^- 30 C
Lösung von
KCI ) KI)P
' ACI . Λ D
KCI ) KI)P
' ACI . Λ D
in Gly/crin
1.445
0.01 cm '
72 iicm
15 ■■- 30 C
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)
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
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