DE2021204C3 - Vorrichtung zur Beugung von Licht mittels Schallwellen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beugung von Licht mittels Schallwellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bekannten optischen Filtern ist es nur in begrenztem Maße möglich, die Durchlaßcharakteristik rasch zu verändern. Es sind zwar abstimmbare mechanisch-optische Geräte unter Verwendung von Interferenzschichten oder -belägen bekannt Bei diesen ist jedoch die körperliche Ortsveränderung mechanischer Teile wie z. B. einer Drehscheibe od. dgl. erforderlich.

Es ist bekannt, daß zwischen Schallwellen und Lichtwellen unter bestimmten Voraussetzungen akustooptische Wechselwirkungen auftreten. Beispielsweise erzeugt oine einen festen Körper oder eine Flüssigkeit durchlaufende Schallwelle darin einen Spannungszustand, der den Brechungsindex des Mediums verändert. Dadurch verändert sich der Brechungswinkel des durch das Medium hindurchgehenden Lichtes. In einem isotropen Medium erfährt das Licht dabei keine

Änderung seiner Polarisierung, und die Ablenkung ist besonders stark, wenn das Licht unter dem Bragg'schen Winkel einfällt.

Ein weiterer Typus akusto-optischer Wechselwirkung ist beschrieben in »IEEE Journal of Quantum Electronics«, QE-3, Nr. 2, Februar 1967. Seite 85 ff. Bei der dort beschriebenen Anordnung findet eine gegenseitige Einwirkung zwischen einem Lichtbündel, das von einer bestimmten Weise polarisiert ist, und einer kollinearen Schallwelle statt, wodurch das Lichtbündel in seiner Polarisationsrichtung um einen rechten Winkel gedreht wird. Bei der beschriebenen Versuchsanordnung wurde ein Laser als Lichtquelle verwendet, dessen Licht kohärent und praktisch monochromatisch (Bandbreite unter 10^⁹ m) ist. Die akusto-optische Wechselwirkung tritt dabei ein, wenn die akustische und die optische Frequenz in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Irgendwelche Filtereigenschaften wurden bei diesem Versuchsaufbau jedoch nicht festgestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die als schmalbandiges und abstimmbares optisches Filter geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß von einem breiten optischen Frequenzband einer bestimmten Polarisationsrichtung nur ein schmales Band in die dazu orthogonale Polarisationsrichtung gedreht wird, nämlich nur das, bei dem die Bedingung erfüllt ist. daß die Summe aus dem Momentenvektor des einfallenden Lichtes und dem Momentenvektor der Schallwelle gleich dem Momentenvektor des Ausgangslichtes ist. Die Bandbreite der Frequenz des Ausgangslichtes ist dabei von der Länge der Interaktion zwischen Licht- und Schallwelle abhängig und beträgt z. B. bei einem 5 cm langen Kristall einige 10-⁸m. Es hat sich weiterhin herausge-

stellt, daß das Eingangslicht nicht kohärent zu sein braucht und daß der schmale optische Frequenzbereich sich über einen weiten Bereich verschieben läßt, indem die Frequenz der akustischen Welle einsprechend verändert wird.

Vorteilhafte Ausführungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Der Erfindungsgegenstand wird anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines abstimmbaren Filters;

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung des Verlaufes der Filterdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der normalisierten Frequenz für das erfindungsgemäße Filter;

Fig.3 ist ein Vektordiagramm und zeigt (nicht ma'istabsgetreu) die Koinzidenz der Momentenbedingung für den Durchlässigkeitsbereich des erf^:ndungsgemäßen Filters;

Fig.4 ist eine graphische Darstellung von b und 2π(η_α - n_e) in Abhängigkeit von der Wellenlänge für das erfindungsgemäße Filter, wobei b die für Dispersion korrigierte Doppelbrechung und 2n(n_a-n_e) die Doppelbrechung ohne Dispersion ist;

Fig.5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist ein abstimmbares optisches Filter schematisch dargestellt und weist einen Eingangspolarisator 10 auf, der zwischen einer Lichtquelle 11 und einem anisotropen Medium 12 angeordnet ist, das beispielsweise aus einem doppeltbrechenden Kristall besteht. Die Lichtquelle kann von beliebiger Ausführung sein. Der Eingangspolarisator läßt aus dem von der Lichtquelle kommenden Licht nur das in einer bestimmten Orientierung polarisierte Licht durch und gibt ein polarisiertes Eingangslichtbündel 13 ab. Das Lichtbündel 13 tritt in die eine Stirnfläche des Kristalls ein, pflanzt sich in diesem entlang einer vorbestimmten Achse, der als Y-Achse bezeichneten Achse, fort und tritt aus der entgegengesetzten Endfläche als Ausgangs-Lichtbündel 14 aus. Das Ausgangsbündel 14 durchläuft dann einen zweiten Polarisator oder Analysator 15, dessen Durchlässigkeitsachse in bezug auf die Durchlässigkeitsachse des Polarisators 10 senkrecht steht, und tritt dann von diesem in der Form eines engen Strahlungsbandes aus, das nur einen engen Frequenzbereich umfaßt.

Ein akustischer Wandler oder Schallwandler 16 befindet sich in inniger Berührung mit dem Kristall und ist mit einem geeigneten Signalgenerator oder einer Quelle 17 zeitlich veränderlicher elektrischer Signale veränderlich einstellbarer Frequenz verbunden. Die elektrische Signalquelle, der Wandler und die Lichtquelle wie auch die Polarisatoren 10 und 15 sind von einer allgemein erhältlichen Ausführung, so daß sich ihre Beschreibung hier erübrigt, mit Ausnahme der Arbeitsfrequenz und des Energiebedarfs, worauf weiter unten eingegangen wird.

Der Kristall 12 kann beispielsweise aus LiNbCh bestehen und Endflächen 21. 22 aufweisen, die unter dem Brewster'schen Winkel geschnitten sind, um Reflexionen des Lichtes auf ein Minimum herabzusetzen. Bei dieser Kristallkonfiguration wird die Schallwelle als Longitudinalwelle 23 in den Kristall eingeführt, die im Inneren des Kristalls reflektiert und bei Reflexion an der eingangsseitigen Endfläche 21 in eine Schubwelle 24 umgewandelt wird. Die akustische Schubwelle 24 pflanzt sich nach ihrer Reflexion kollinear mit dem Eingangs-Lichtbündel 13 entlang der Y-Achse des Kristalls fort Bei einer bestimmten Kombination von Lichtwellenfrequenz und Schallwellenfrequenz findet eine starke Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle und der Schallwelle statt, indem die Schallwellen die Lichtwellen derart beugen, daß diese aus der Polarisationsorientierung des Eingangs-Lichtbündels in eine dazu senkrechte Polarisierung gebracht werden. Dadurch wird ein enges Durchlaßband von senkrecht polarisierten Lichtwellen erhalten, die darm durch den Analysator 15 von dem Eingangs-Lichtbündel 13 getrennt werden. Dieses enge Durchlaßband ist eine Funktion der angelegten Schallfrequenz und läßt sich daher durch Veränderung der Anregungsfrequenz des Signafgenerators 17 verändern.

Diese Beugung tritt als kumulativer Effekt für einen sehr engen Bandbereich optischer Frequenzen auf und ist durch schrittweise Selbst-Auslöschung nicht kumulativ für andere Frequenzen. Der kumulative Beugungseffekt tritt dann auf, wenn die Momentenvektoren der eintretenden optischen Welle und der Schallwelle der Bedingung genügen, daß ihre Summe gleich ist dem Vektor des Ausgangs-Lichtbündels. Diese Bedingung wird als Phasen-Koinzidenz (phase matching) bezeichnet und ist dann gegeben, wenn sich die durch Beugung hervorgerufene polarisierte Welle mit der gleichen Geschwindigkeit wie die freie elektromagnetische Welle ausbreitet. Das enge Frequenzband, welches dieser Bedingung genügt und mit senkrechter Polarisierung abgebeugt wird, wird dann durch den Ausgangs-Analysator durchgelassen, während das Licht mit der ursprünglichen Polarisationsrichtung gesperrt wird.

Bei dem hier zur Rede stehenden Filter ist die Beugung des Lichtes der einen Polarisierung durch die Schallwelle in die andere Polarisierung besonders stark ausgeprägt bei einer bestimmten optischen Frequenz und einer bestimmten Schallfrequenz. Für eine bestimmte Schallfrequenz wird die am stärksten abgebeugte optische Frequenz durch den Betrag der Doppelbre chung Δη des Kristalls festgelegt. Das Phänomen, welches zu einer besonders starken Beugung führt, wird als Phasenkoinzidenz bezeichnet und ist dann gegeben, wenn sich die Welle mit der erzeugten Polarisierung mit der gleichen Geschwindigkeit wie die freie elektromagnetische Welle fortbewegt.

Wenn Licht einer Polarisierung den Kristall durchläuft, wird es von der Schallwelle durchsetzt, wobei eine »wandernde Polarisationswelle« (travelling polarization wave) erzeugt wird, die sich entsprechend des Momentenvektors fortpflanzt, der die Summe der Momentenvektoren des einfallenden Lichtes und der Schallwelle ist. Wenn nun die Doppelbrechung des Kristalls so gewählt ist, daß sich die Polarisationswelle mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegt, mit der sich die freie elektromagnetische Welle fortbewegen würde, tritt eine besonders s'arke Beugung auf.

Auf makroskopischer Basis wird ein Kristall mit einer bestimmten Doppelbrechung ausgewählt, und durch Änderung der angelegten Schallfrequenz wird auch die optische Frequenz, bei der die Beugung in der senkrechten Polarisierung am wirksamsten ist, ebenfalls verändert. Ganz allgemein läßt sich somit feststellen, daß dar Filter einen Eingangs-Polarisator zur Polarisierung des einfallenden Lichtes, einen doppeltbrechenden Kristall, in dem sich eine Schallwelle befindet, und einen Ausgangs-Polarisator aufweist, der senkrecht zu dem Eingangs-Polarisator gedreht ist, so daß der Ausgangs-

Polarisator nur die besonders stark abgebeugte Frequenz durchläßt. Wenn die Schallfrequenz geändert wird, wird somit auch das Durchlaßband des Filters geändert. Im nachfolgenden wird eine ausführliche Beschreibung der Theorie der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Filters angegeben.

Es sei angenommen, daß das Eingangs-Lichtbündel den außerordentlichen Strahl bildet, der parallel zur optischen Achse Z des Kristalls polarisiert ist. Das Ausgangsbündel oder das gebeugte optische Bündel ist dann der ordentliche Strahl, der parallel zur Achse χ des Kristalls polarisiert ist. Die Schallwelle, die zur Beugung in der senkrechten Polarisierung entlang der Achse .v erforderlich ist, ist eine 56-Schubwelle, die an der Oberfläche 21 des Kristalls erzeugt wird. Die drei Wellen werden nun als ebene Wellen betrachtet und in der folgenden Weise mathematisch dargestellt:

+ (optische Eingangswelle) E*(y)

exp -j(w,.t - k_ey), (la)

E_x[y.t) = ^ψ*- exp j („>_ot - k_ay) + (optische Ausgangswelle) *■ exp - j (»>ο^ι ~ k_oy),(lb) S₆{y.t) = -γ- exp; (m_at - k„y) + (akustische Schubwelle) -~- exp -j(«>j - k_ay). (Ic)

Die Beträge ω_α ω₀, ω,, und k_a k₀, k_a sind die Winkelfrequenzen und die k-Vektoren der optischen Eingangswelle, der optischen Ausgangswelle bzw. der Schallwelle. Das Symbol — bezeichnet Veränderliche, welche von Zeit und Raum abhängig sind und unterscheiden sich damit von den Hüllen-Veränderlichen Ez(y) usw. Die Schallwelle durchsetzt das optische Eingangssignal und erzeugt erzwungene optische Polarisationswellen (forcing optical polarization waves) mit den Frequenzen ω_Ε+ω₃ und a_e-ω_α. Diese erzwungenen Wellen breiten sich mit den k-Vektoren der Größevon jeweils k_c+ k_a bzw. k_e— k_a aus. Nur dann, wenn der .Ar-Vektor dieser erzwungenen Welle gleich ist oder nahezu gleich ist dem der sich frei ausbreitenden elektromagnetischen Welle, findet eine kumulative Wechselwirkung im Bereich von vielen Wellenlängen statt. Für LiNbC>3 ist die gewöhnliche Brechzahl größer als die außergewöhnliche Brechzahl, wodurch für sich in Vorwärtsrichtung ausbreitende Wellen Phasenkoinzidenz erforderlich ist, so daß k_e+k_a=k₀ (Fig.3). Dadurch ergibt sich wiederum, daß die Frequenz der gewöhnlichen Welle (d. h. der Ausgangsfrequenz) um <M_a größer ist als die der außergewöhnlichen Welle (d. h. der Eingangsfrequenz).

Die Wechselwirkung zwischen der akustischen und der optischen Welle tritt infolge des photoelastischen Effektes auf. Dieser Effekt wird als eine Störung der Elemente des Impermeabilitätstensors b;j beschrieben. SO daS Ab₁J= PykiSkiist, worin Fjjijdie Komponenten des photoelastischen Tensors und Su die sich ausbreitende Spannungswelle ist. Diese Störung des Impermeabilitätstensors ist gleichwertig der Erzeugung einer Antriebspolarisation, die für dieses Beispiel dargestellt werden kann durch

Gleichung der angetriebenen Welle für verlustlose Medien,d.h.

B²E 1 B²E

O²P

30

35

und die Tatsache berücksichtigt wird, daß Ex(y)und....,,,, sich langsam verändernde Funktionen von y sind, dann werden die nachstehenden gekoppelten komplexen Gleichungen erhalten:

dE, Ac

= J

Ac

Xp (-jAky)

in denen eine Fehlanpassung (Nichtkoinzidenz) für die 5-Vektoren

Ak = ko — ke — k_a

definiert ist In diesen Gleichungen wird angenommen, daß sich die Schallwelle verlustlos ausbreitet und somit die akustische Spannung & als unabhängig von der Lage innerhalb des Krisiaiis angenommen ist

Die Gleichungen (4) werden jetzt unter Berücksichtigung der Grenzwertbedingung E_x=Q und Ez=E₂(O) bei y=Q gelöst Das Verhältnis der Ausgangsleistung bei y=L, P_x(L) zur Eingangsleistung bei y=0, P₂(O) wird ausgedrückt durch

P_x = - e_oiiTT_eP_A1S₆E_: P₌ = -

(2)

60

worin eo die Dielektrizitätskonstante des freien Raums 65 worin und na und n_e die Brechzahlen für die gewöhnliche bzw. die außergewöhnliche Welle sind. Wenn die Gleichun- p₇ _

gen (1) und (2) eingesetzt werden in die eindimensionale

41 ^(UO <

Γ² L²

16c²

Dabei ist zu beachten, daß sich die Frequenz des durchgelasscnen optischen Signals von der desjenigen Teils des Eingangssignals unterscheidet, mit dem es durch die Schallfrequenz ω,, in Wechselwirkung tritt. Außerdem tritt eine unerhebliche Manley-Rowe-Verstärkung in der Größe ino/io_e auf. die in der nachstehenden Betrachtung vernachlässigt wird.

Es fo'gt eine Betrachtung der Durchlässigkeit, der Abstimmgeschwindigkeit, der Bandbreite und der Apertur des Filters. Aus Gleichung (5) läßt sich ersehen, daß das Maximum der Durchlässigkeit des Filters dann cr-hallen wird, wenn die optische Eingangsfrequenz einen solchen Wert hat. daß die Nicht-Anpassung der Momente ZlA = O. Für diese Bedingung ist

P-(O)

£- = sin² I'L

(6)

1966). Das Ergebnis dieser Differentiation ist in Fig.4 als Funktion der optischen Wellenlänge bei einer Temperatur von 200"C dargestellt. Diese Temperatur wurde deshalb gewählt, weil LiNbOj bei unter etwa 160°C liegenden Temperaturen in seinem optischen Verhalten beeinträchtigt wird. Wie Fig.4 zeigt, ist b etwas größer als der Wert 2x(n_o — nJ), den es ohne optische Dispersion aufweisen würde. Der Betrag 2,t//7(i — /J₁-) ist auch in F i g. 4 dargestellt. Für einen 5 cm langen LiNbOj-Kristall bei 5000 A beträgt die gesamte Halbwerts-Bandbreite des ersten Zipfels des Filters ( = 5/bL;i,25cm-'=0.31 Ä.

Die elektronische Abstimmung des Filters erfolgt durch Veränderung der Ausgangsfrequenz der elektrisehen Signalquclle 17 und der zugeordneten Schallwelle, wodurch die Länge des Α-Vektors verändert wird. Die Schallfrequenz, welche eine Spit/endurchlässigkeii bei einer optischen Wellenlänge Ao liefert, ist

und für eine maximale theoretische Durchlässigkeit von 100% ist ΓL"π/2. Wenn |&|² in der Form der akustischen Leistungsdichte (power density) Pa/A ausgedrückt wird, dann ergibt sich

20

(10)

"o"e^J

in welcher Ao die optische Wellenlänge, ρ die Dichte des Mediums, V die Schallgeschwindigkeit, Pa die gesamte Schalleistung und A der Querschnitt der Schallwelle und der optischen Bündel ist.

Für einen 5 cm langen LiNbOj-Kristall bei einer mittleren Durchlässigkeitsfrequenz von λο = 500θΑ ergibt sich p₄| = 0.155. n_o=2,3, π<·=2,2, ρ = 4.64 g/cm', V=4.0 χ 10¹» cm/sec. Für eine Spitzendurchlässigkeit von 100% wird daher eine Schalleistungsdichte von 14 mW pro mm² Filterapertur benötigt.

Wenn die Schalleistung so eingestellt ist. daß sich bei der mittleren Frequenz (FL=TcU) die Spitzendurchlässigkeil ergibt, wird der Frequenzgang des Filters bei Veränderung der optischen Frequenz durch die Veränderung von Δk bestimmt. Wenn

lic

"Ο

in welcher Vdie Schallgeschwindigkeit ist. Für LiNbU3 beträgt V=4 χ 10⁵ cm/sec, und (no—n_c) läßt sich aus

(7) F i g. 4 erhalten. Die erforderliche Schallfrequenz für die Spitzendurchlässigkeit bei 5000 A beträgt 680 MHz. und der Bereich von 7000 A bis zu 4000 A läßt sich durch Veränderung der elektrischen Frequenz und der Schallfrequenz von etwa 428MHz zu etwa 990MHz abstimmen. Die Veränderungsgeschwindigkeit der optischen Wellenzahl für eine Frequenzänderung der Schallfrequenz betragt A\/Ai,i—2ji/bV. wobei b in Gleichung (8) definiert ist und etwa 20 Wellcnzahlen für jede Veränderung der Schallfrequen/ von 1 MHz beträgt. Wenn die Schallfrequen/ verändert wird, sollte die Schalleistung umgekehrt mit dem Quadrat der Schallfrequenz geändert werden, wenn die Spitzendurchlässigkeit von 100% für das Filter aufrechterhalten werden soll [siehe Gleichungen (6).(7) und (10)].

Der optische öffnungswinkel des Filters bei einer Eingangsfrcquen/. die dem Spitzenwert der kollinearen Durchlässigkeit entspricht, wird durch die Nichtanpassung oder Nicht-Koin/idenz der k-Vektoren vorgegebcn. Die halbe Spitzendurchlässigkeit bei halbem

(8) öffnungswinkel liegt bei AkL^Ti. Für nahezu kollincare Fortpflanzung ergibt sich aus F i g. 4

= b Iv

dann ist &y die Änderung der Weüenzähien ätf optischen Frequenz gegenüber der mittleren Frequenz des Filters. Anhand der Gleichung (5) läßt sich der Ansprechverlauf für die optische Frequenz des Filters H(f)'m der folgenden Weise ausdrücken:

\k = k₀ cos I₁- - k_r cos ν — k„

55

_sin2 i. tr

(9)

Fi g. 2 zeigt die Durchlässigkeit H(f) in Abhängigkeit von der normalisierten Frequenzveränderlichen bLAy. Die Halbwerts-Durchlässigkeiten des ersten Zipfels des Filters treten auf bei bLAy^ ±Z5. Für LiNbOj läßt sich die Konstante b durch Differentiation der Sellmeier-Gleichungen von Hobden und Warner erhalten (siehe M. V. Hobden und ]. Warner, Phys. Rev. Letters. 2Z 243.

Der halbe Öffnungswinkel entspricht dann innerhalb des Kristalls einem Winkel von etwa tji = (λ/IAn)"². Dieser Winkel wird durch Brechung an der Eingangsscite des Kristalls vergrößert und liefert eine Gesamtöffnung von etwa 2η<{λΙίΑ n)^U2. Für einen 5 cm langen LiNbOi-Kristall ^w'^rd daher auf der Außenseite des Kristalls bei A = 5000 A ein halber öffnungswinkel von angenähert 0.02 Radiant oder 1.15° erhalten.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Filters läßt sich in der Weise betrachten, daß die Schallwelle

makroskopisch gesehen den Kristall durchläuft, dabei die Kristallsymmetric stört und dadurch die Doppelbrechung in einer solchen Weise verändert, daß die Polarisierung der einfallenden, linear polarisierten Lichtwelle verändert oder zu einer zu dem einfallenden Bünde! senkrechten Polarisierung gedreht wird. Die Koinzidenzbedingung für k gewährleistet, daß dieser Vorgang kumulativ über die ganze Länge des Kristalls stattfindet. Wenn ein Abgleich oder eine Koinzidenz für it nicht vorhanden ist, findet dieser Vorgang nur in einem infinitesimalen llnkrement statt, das dann durch das nächste infinitesimale Inkrement aufgehoben wird, so daß der Vorgang nicht kumulativ ist.

Bei der Auswahl der Orientierung des doppeltbrechendcn Kristalle sind zwei Gesichtspunkte /u berücksichtigen. Der eine Gesichtspunkt besteht darin, wenigstens eine ausreichend große und wirksame photoelastische Konstante für die Beugung aus der einen in die andere Polarisierung zur Verfügung zu haben. Dabei besteht kein Zusammenhang mit der Koin/idcn/ für k. Das i·>τ lediglich eine F^rrage der Größe des Koeffizienten, weither für die Beugung verantwortlich ist. Die Konstante hängt von dem Kristalltensor und der jeweiligen Kristallklasse ab. Für einen vorgegebenen Kristall, wie z. B. Lithiuinniobat, gibt es bestimmte Kristallorieniierungen, für welche diese photoelastische Konstante größer ist als in anderen Kristallorientierungen. Die vorstehende analytische Abhandlung zeigt, daß die Fortpflanzung entlang der V-Achse des Lithiumniobats eine gute Wahl einer wirksamen Kristallorientierung darstellt.

Der zweite Gesichispunkt, der bei der Wahl der Kristallorientierung zu berücksichtigen ist, bezieht sich auf die Einstellung der Doppelbrechung. Eine vorgegebene Kristallklasse oder ein vorgegebener Kristall, wie beispielsweise Lilhiumniobat. weist eine bestimmte maximale Doppelbrechung auf. Diese maximale Doppelbrechung tritt dann auf, wenn die Fortpflanzung unter einem Winkel von 90" /ur optischen Achse erfolgt. Für andere Fortpflanzungsrichtungen innerhalb des Kristalls ist die Doppelbrechung geringer. Somit läßt sich durch Wahl eines bestimmten Winkels zur optischen Achse die Größe der Doppelbrechung bestimmen. Für das akustisch-optische Filter wird ein besonderer Wert der Doppelbrechung gewählt, da es die Doppelbrechung ist. welche die Schallfroquenz bestimmt, die einen Phasenabgleich mit einer vorgegebenen optischen Frequenz liefert. Wenn man beispielsweise im sichtbaren Spektralbereich arbeiten will, muß die optische Frequenz zwischen Rot und Blau liegen.

Es ist dann natürlich erwünscht, daß die Schallfrequenz ebenfalls innerhalb eines vernünftigen Bereiches liegt. Dieser Winkel laßt sich dann so wählen, daß die Doppelbrechung innerhalb eines leicht zugänglichen Bereiches für die betreffende Schallfrcquenz liegt. Für Lithiumniobat wurde gefunden, daß sich die Welle unter einem Winkel von 90" zur optischen Achse fortpflanzen kann, wobei die volle Doppelbrechung ausgenutzt wird, und sich dabei gleichzeitig der Winkel für die größte photoclastische Konstante ergibt. In diesem Fall sind daher alle Voraussetzungen besonders günstig, indem die Schallfrequenz innerhalb eines leicht zu handhabenden Bereiches liegt und die phoioelastische Konstante einen Maximalwert hat und ausreichend groß ist, um von praktischem Interesse zu sein. Die Doppelbrechung steht in einer umgekehrten Beziehung zur Bandbreite, so daß die Wahl der größten ztjr Verfugung stehenden Doppelbrechung einer engen Bandbreite und die Wahl

einer kleineren Doppelbrechung größeren Bandbreiten entspricht. Die größte Doppelbrechung führt auch zur größten Schallfreqiicnz, was aus den Gleichungen ersichtlich ist.

Es soll nun auf die Abstimmgeschwindigkeit und die Bandbreite eingegangen werden. Der Parameter b ist ein Werkstoffparameter, welcher die Doppelbrechung mit der Dispersion und die Veränderung der Doppelbrechung mit der Wellenlänge verbindet. Die Abstimmgeschwindigkeit wird ausgedrückt durch 2jrlbV. wobei 6in Gleichung (8) definiert und in Fig.4 graphisch dargestellt ist. Es zeigt sich, daß b nicht sehr verschieden ist von dem 2;r-fachen der Doppelbrechung, und das ist auch der Grund dafür, daß beide Kurven dargestellt

!1 sind. Somit ist es nicht erforderlich, die Materialeigenschaften in dieser Hinsicht /u kennen, um eine Annäherung an den Wert von b durch Abschätzen von 2π(ηα-η,.) zu erhalten.

Die Bandbreite dieser Vorrichtung ist umgekehrt proportional sowohl der Größe b als auch der Größe Z, wobei L die l.ichtwcglängc des nichilinearcn Kristalls ist. Die Hundbreite wird durch b und die Lange des Kristalls bestimmt. In der in F i g. 2 dargestellten Kurve -^sin ₃ ^x ist die Durchlässigkeit in Abhängigkeit von bLAy

aufgetragen, wobei y Wellenzahlen sind. Für eine vorgegebene Kristallänge und einen vorgegebenen Wert von b wird somit die Bandbreite des Filters in Wellenzahlen definiert. Wenn daher der Kristall langer

jo ausgebildet wird, wird dadurch auch der Bereich von Ay, in dem der Kristall durchlassig ist, eingeengt. Wie sich aus Gleichung (9) abschätzen laßt, weist ein 5 cm langer Lithiumniobatkristall eine gesamte Halbwerts·Bandbreite in dem ersten Zipfel von angenähert 5IbI. oder

j5 etwa Ui k bei einer Wellenlänge von 5000 Ä auf.

Bei dem hier gewählten Ausfuhrungsbeispiel besteht der das Filter am stärksten beschrankende Faktor in der Schwierigkeit, große Aperturen zu erhalten. Da für jeden mm- der Knstallapcrtur 14 mW abgegebener Schalleistung erforderlich sind, ist für eine Apertur von 1 cm² Größe eine Schalleistung von 1.4 W erforderlich. Heutzutage lassen sich Breitband-Wandler zur Umwandlung von Hochfrequenz in Schallencrgie mit einem Wandlerverlust von 1OdB herstellen, so daß eine Hochfrequenz-Leistung von 14 W erforderlich ist.

Bei der vorstehenden analytischen Betrachtung wurde die Schalldämpfung vernachlässigt, die auftritt, wenn sich die Schallwelle durch den Kristall hindurch fortpflanzt. Bei Zimmertemperatur beträgt diese Dämpfung etwa 0,75 dB/cm bei 1000 MHz und verändert sich angenähert mit dem Quadrat der Schallfrequcnz. Der Einfluß der Dämpfung ist gleichwertig einer Verkürzung des Kristalls und führt somit zu etwas größeren Bandbreiten, wobei gleichzeitig eine etwas höhere akustische Antriebsenergie benötigt wird.

Die Verwendung von LiNbO3 und der in F i g. 1 dargestellten Filterano'dnung stel'cn nur einen von mehreren verwendbaren Kristallen und eine von mehreren möglichen Anordnungen dar. Der Vorteil

μ dieser Anordnung besteht darin, daß bei dieser die Schallwelle unter einem rechten Winkel zu dem Licht in den Kristall eintreten kann und das Licht somit nicht den Schallwandlcr durchlaufen muß. Ein Nachteil besteht darin, daß bei der Schubwellenfortpflanzung entlang der V-Achse eine Divergenz von angenähert 7° zwischen der Ausbreitungsrichtung der Schallenergie und dem Schallvektor Tc vorhanden ist. Das macht erforderlich, daß die Filterapertur wenigstens ein

Zehntel der Kristallänge sein muß. Andere Kristalloricnticrungen gestalten jedoch die Beugung in die senkrechte Polarisierung und sind nicht mit dieser Divergenz behaftet. Das gewünschte Ergebnis wird beispielsweise durch kollineare Fortpflanzung einer Longitudinal-Schallwelle und des optischen Signals entlang der Λτ-Achse eines UNbOrKristalls erhalten.

Zwei andere Stoffe, die sich für einen Filter dieser Ausführung eignen, sind Saphir und Quarz, welche einen gleichen photoclaslischcn Tensor wie LiNbOj aufweisen. Die Doppelbrechung dieser beiden Stoffe beträgt etwa '/ίο der von LiNbOj. Daher liegt die Mitte der erforderlichen Schallfrequen/en nicht wie bei dem LiNbOj-Filter bei etwa 700 MH/. sondern bei etwa 70 MHz. Sowohl die Abstimmgeschwindigkeit als auch die Bandbreite dieser Filter sind (bei gleicher Kristallängc) etwa zehnfach größer als bei dem LiNbOj-Filter. Der öffnungswinkel ist etwa dreifach größer als bei einem LiNbO₁-Filier der gleichen Länge. Aufgrund der niedrigeren Brechzahlen dieser Kristalle dürfte etwa das zehn- bis zwanzigfache der Schallcistung erforderlich sein, um den theoretischen Wert der Spitzendurchlässigkeit von 100% zu erhalten. Das läßt sich jedoch gegebenenfalls durch Verwendung längerer Kristalle beheben.

In Fig.5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt und weist eine Lichtquelle 41 auf, die ein Ausgangs-Lichtbündel liefert, das durch ein Polarisationsprisma 42, wie beispielsweise ein Rochonprisma, hindurchgeht, das gleichzeitig als Ausgangsanalysator für senkrecht polarisiertes Licht dient, das in entgegengesetzter Richtung das Prisma durchläuft. Das polarisierte Licht, welches aus dem Prisma 42 austritt, durchläuft dann in beiden Richtungen, d. h. hin und zurück, einen doppeltbrechenden Kristall 44, beispielsweise aus LiNbOj. Der Kristall 44 weist die Endflächen 43 und 45 auf, die eben und zueinander parallel sind. Die Endfläche 43 dient als Eingangsfläche für den Eintritt des von dem Prisma 42 abgegebenen Lichtes. Die Endfläche 45 ist mit einem reflektierenden Belag versehen, so daß das den Kristall durchlaufende Licht an der Oberfläche 45 reflektiert und durch die Fläche 43 hindurch zu der Quelle zurückgeworfen wird.

Ein eleklro-optischer Wandler 46 ist mit der reflektierenden Oberfläche 45 gekoppelt und mit einem geeigneten Signalgencrator oder einer Quelle 47 elektrischer Signale entsprechend der Ausführungsform der Fig. 1 verbunden. Der Schallausgang des Wandlers ist mit dem Kristall gekoppelt und erzeugt Schallschwingungen. Diese Schallschwingungen können zu einer akustischen Resonanz führen, da die Endflächen eben und parallel zueinander sind. Bei Verwendung der akustischen Resonanz des Kristalls kann die zum Anirieb benötigte Schallenergie verringert werden.

Die Arbeitsweise der in F i g. 5 dargestellten Vorrichtung ist derjenigen der Fig. 1 ähnlich, mit , der Ausnahme, daß das Polarisationsprisma 42 gleichzeitig auch als Analysator dient. Daher werden die elektromagnetischen Wellen vor ihrem Eintritt in den Kristall 44 in einer Ebene polarisiert (die in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene liegt) und behalten diese Polarisierung auch nach der Reflexion an der Oberfläche 45 auf ihrem Rückweg durch den Kristall bei, wenn sie nicht gebeugt werden. Die auf diese Weise reflektierten Wellen werden durch das Prisma 42 durchgelassen. Der enge Wellenlängenbereich, der in Phasen-Koinzidenz steht und in die senkrechte Polarisierung gedreht worden is'., wird durch das Prisma 42 abgetrennt und von diesem in der Form eines AusgangvLichtbünucls 49 reflektiert.

Eine weitere Ausfuhrungsfqrm besteht darin, daß die eingangsseitige Endfläche des Kristalls unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Welle zwischen den Endflächen angeordnet ist, so daß dadurch eine Innenflache entsteht, welche die auf sie auftreffenden Schallwellen unter einem Winkel reflektiert. In diesem Fall wird eine akustische Last mit der Kristallseite an einer zur Aufnahme und Absorption der von der Innenseite der eingangsseitigen Oberfläche reflektierten Schallwellen dienenden Stelle gekoppelt, und der ganze Kristall wird zum Ausgleich der Brechung unter einem Winkel zu dem einfallenden Lichtbündel ausgerichtet.

Durch die Erfindung ist somit ein neuartiges abstimmbares optisches Filter mit enger, steuerbarer Bandbreite geschaffen worden. Ein besonderer Vorteil des Filters besteht in seinem unmittelbaren Ansprechen auf ein elektrisches Signal, das von einem Signalgenerator üblicher Ausführung angelegt wird. Derartige Signalgeneratoren sind in der Lage, ihren Ausgang schnell zu verändern und zu wobbeln, so daß das Filier im Vergleich zu der verhältnismäßig langsamen Bewegung einer auf mechanische Weise gedrehten Filterscheibe auch die Möglichkeit einer praktisch momentanen Frequenzabtastung besitzt. Das Filter kann in der Zukunft auch als abstimmbares YIG-Filier im Mikrowellenbereich Verwendung finden, und mit dem Fortschritt der vielseitigeren und abstimmbaren Laser dürften noch viele weitere Anwendungen des Filters zu erwarten sein. Eine weitere Anwendung des Filters besteht in seinem Einsatz als Monochromator

so oder Spektrometer, wobei seine von Haus aus geringe Größe und einfache Konstruktion von großem Vorteil sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Beugung von Licht mittels Schallwellen mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines in einer ersten Richtung linear polarisierten Lichtbündels in einem bestimmten Frequenzband, einem anisotropen Medium, das vom Lichtbündel durchlaufen wird und das derart ausgewählt und angeordnet ist, daß die Polarisationsrichtung des Lichtbündels im Medium mit einer der beiden Hauptpolarisationsrichtungen des Mediums übereinstimmt, einer zur Erzeugung einer zum Lichtbündel kollinearen Schallwelle veränderlicher Frequenz in dem anisotropen Medium dienenden und mit dem Medium gekoppelten Vorrichtung, einem durch Beugung des eingestrahlten Lichtes an der Schallwelle entstehenden, senkrecht zu diesem in einer zweiten Richtung polarisierten Ausgangslichtbündel, einer zur Erzielung eines Anpassungsverhältnisses so gewählten Frequenz der Schallwelle, daß die Vektorsumme der Momentenvektoren von eingestrahltem Lichtbündel und Schallwelle gleich dem Momentenvektor des Ausgangslichtbündels ist, sowie einem Ausgangsanalysator, der so ausgerichtet ist, daß er nur Lichtwellen der zweiten Polarisationsrichtung durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmte Frequenzband breiter als das Frequenzband ist, in welchem das Anpassungsverhältnis erzielt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung der Schallwelle ein elektro-akustischer Wandler (23) ist und daß zur Frequenzänderung der Schallwelle eine Vorrichtung aus einer mit dem Wandler gekoppelten Quelle (17, 47) für zeitlich veränderliche elektrische Signale vorgesehen ist, die Vorrichtungen zur Veränderung der Frequenzzusammensetzung der an den Wandler abgegebenen elektrischen Ansteuersignale aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anisotrope Medium ein Lithiumniobatkristall ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Litliiumniobatkristall so orientiert ist, daß der einfallende Lichtstrahl der ersten Polarisationsrichtung sich als außerordentlicher Strahl entlang der V Achse des Kristalls fortpflanzt und daß der Strahl der zweiten Polarisationsrichtung ein ordentlicher Strahl längs der V-Achse des Kristalls ist.

Ί Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (12) eine unter einem Winkel zu dem einfallenden Lichtbündel geneigte Endfläche (21) aufweist und daß die Schallwellen so gerichtet sind, daß sie an der Innenseite dieser Endfläche reflektiert werden und sich kollinear mit dem einfallenden Lichtbündel fortpflanzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen zunächst als Longitudinalwellen erzeugbar und durch Reflexion an der Endfläche (21) zu Schubwellen umwandelbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (12) an seinen gegenüberliegenden Enden einerseits eine Lichteinlaßfläche und andererseits eine Licht reflektierende Oberfläche aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Schallwellen dienende Vorrichtung mit der Licht reflektierenden Oberfläche gekoppelt ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen (43, 45) einen Schallresonator bilden.