DE2021621A1 - Akustooptische Vorrichtungen - Google Patents

Description

Western Electric Company, Incorporated Finnow-Van Uitert 3-New York 7, N.Y. 10007, V.St.A. 2021621

Akustooptische Vorrichtungen .

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen, in welchen eine Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren oder infraroten Bereich auf ein zugeführtes Signal hin erzeugt wird. Während eine solche Ablenkung nach irgendeinem der zahlreichen Wirkungsmechanismen erzeugt" werden kann, beruhen die vorliegenden Vorrichtungen auf einer akustooptischen Wechselwirkung. Solche Vorrichtungen können als Modulatoren, Ablenkeinheiten, Korrelatoren, Schalter und dgl. verwendet werden. .

Seit einiger Zeit ist erkannt worden, daß die fortschreitende Entwicklung auf den verschiedenen, sich mit elektromagnetischer Strahlung befassenden Gebieten wahrscheinlich zu zahlreichen kommerziellen Vorrichtungen führen wird, die bei Wellenlängen des sichtbaren und nahezu sichtbaren Spektralbereichs arbeiten. Als Beispiele für diese Gebiete sei vor allem auf Nachrichtenübertragungssysteme und auf Bildwiedergabesysteme hingewiesen. Die Vorrichtungen können als Modulatoren, optische Ablenkeinheiten und als Korrelatoren arbeiten. Während das Aufkommen der Laser-Oszillatoren die weitere Entwicklung auf diesem Gebiet stark gefördert hat, kann bei bestimmten dieser Vorrichtungen mit inkohärenter und/oder unpolarisierter Strahlung gearbeitet werden. Zumeist ist eine Strahlung erforderlich, die weitgehend monochromatisch ist, obgleich auch hier in manchen Fällen mit einer relativ großen und/oder sich ändernden Bandbreite gearbeitet wird. 009847/180?

Die interessierenden Vorrichtungen zum Ändern einer bestimmten Eigenschaft einer übertragenen Strahlung beruhen auf einer zeitlichen oder räumlichen Änderung des Brechungsindexes als Folge eines zugeführten Signals, was letzten Endes durch elektrische Anregung erzeugt werden kann. Die Wirkung der Änderung des Brechungsindexes ist die, eine Änderung in der Phase , der Frequenz, der Amplitude, der Lage oder der Richtung eines Strahls zu erzeugen. Brechungsindexänderungen können nach den verschiedensten Wechselwirkungsprinzipien erzeugt werden, beispielsweise auf elektrooptischem, magnetooptischem und akustooptischem Wege. Während elektrooptische und magnetooptische Wechselwirkungen der Zeit als aussichtsreich für bestimmte Nachrichtenübertragungszwecke angesehen werden, wird die akustooptische Wechselwirkung in vielen Fällen als überlegen angesehen. Der Anwendungsbereich akustooptischer Vorrichtungen hat sich stetig erweitert, und auf diesem Gebiet wird eingehend geforscht, siehe Proceedings of the IEEE, Band 54, Seite 1391, Oktober 1966.

Akustooptische Vorrichtungen sind im wesentlichen durch elastische Wellen induzierte dreidimensionale Beugungsgitter, die eine winkelmäßige Abbeugung eines Teils einer einfallenden elektromagnetischen Welle erzeugen. Der Beugungswinkel und der abgebeugte Teil nehmen generell mit der Frequenz bzw. Amplitude der einwirkenden elastischen Welle zu. Dieser Mechanismus legt positionsempfindliche Vorrichtungen wie Strahlablenkeinheiten nahe, die beispielsweise bei Informationswiedergewinnungssystemen benutzt werden. In anderen Fällen werden Begleiteffekte ausgenutzt, beispielsweise die Aniplitudenänderung dor durchgelassenen

7/1607

ORIGINAL INSPECTED

oder abgebeugten Strahlen infolgeeiner Änderung gewisser Eigenschaften der elastischen Welle. In Abhängigkeit von geometrischen Dimensionen, den Frequenzen der beiden Wellenenergietypen usw., können solche Vorrichtungen als in demjenigen Bereich arbeitend betrachtet werden, wie dieser durch die Bragg¹sehe oder Ilaman-Iiath¹ sehe Beugung begrenzt ist. Dieses ist weiter unten
noch erläutert.

Die Vorteile akustooptischer Vorrichtungen für gewisse Anwendung sf alle erkennend» sind eingehende Untersuchungen unter Verwendung einer großen Anzahl von Materialien ausgeführt und ist
über die interessierenden Eigenschaften berichtet worden, siehe beispielsweise Journal of Applied ^Physics, Band 38, Seite
5149 (1967). Das für viele Zwecke aussichtsreichste akustooptisehe Material, über das in dem vorstehend genannten Artikel
berichtet wird, ist Lithiumniobat. Leistungswerte und Bandbreiten, die mit diesem Material erhalten werden, lassen jedoch erkennen, daß wirksamere Materialien erforderlich sind.

Ein vor kurzem gefundenes Material, die Alpha-Jodsäure (HIO-,),
hat eine wesenüLch höhere akustooptische Gütezahl als alle der
früher berichteten Materialien. Dieses Material ist wasserlöslieh und kann aus wässriger Lösung mit hoher optischer Qualität gezüchtet werden. Wegen dieser. Wasserlöslichkeit sind aber
spezielle Herstellungsmethoden und Schutzmaßnahmen gegen Umgebungseinflüsse erforderlich.

Von einer Klasse praktisch wasserunlöslicher Materialien

ÖD 9 β 47/1-607

wie PbMoO^ , TlIIeOλ und PbWCh ist erliidungsgemäß gefunden worden, daß diese Materialien beachtlich höhere akustooptische Gütezahlen als die früher untersuchten wasserunlöslichen Materialien haben. Während die Gütezahlen in einigen Fällen etwas niedriger sind als bei der Alpha-Jodsäure, sind diese Materialien nichtsdestoweniger von wesentlicher Bedeutung im Hinblick auf praktisdB Vorteile wie leichte Herstellbarkeit, weil keinerlei Notwendigkeit besteht, irgendwelche Schutzmaßnahmen gegen Umgebungseinflüsse zu ergreifen. Gewisse Mitglieder dieser Materialklasse zeigen gegenüber der Alpha-Jodsäure spezielle Vorteile, beispielsweise kann der Ablenkwinkel gegenüber dem Polarisationssinn unempfindlich sein.

Der Einfachheit halber erfolgt die Beschreibung der vorliegenden Erfindung weitgehend anhand von PbMoO^. Die Erfindung umfaßt jedoch die Verwendung einer ganzen Klasse von Verbindungen, ebenso auch Mischungen von zwei oder mehr Mitgliedern dieser Klasse. Die in Frage kommenden Verbindungen sind im einzelnen in der nachstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen wiedergegeben. Alle Verbindungen. sind oxydischer lJatur und enthalten sämtlich Blei oder Thallium als Kation. Es ist diese Materialklasse, die gemeint ist, wenn nachstehend von "... und verwandte Materialien" gesprochen wird.

Wie üblich bezieht sich der Ausdruck "akusto-optisch" auf Wechselwirkungen generell zwischen elastischen Wellen und elektromagnetischen Wellen unabhängig von der Frequenz. Es gibt jedoch eine definierte Materialbegrenzung für die Wellenlänge der

00Q647/16Ö7

"optischen" oder elektromagnetischen Energie aus Gründen der Durchlässigkeitsbandbreite, die im allgemeinen im sichtbaren Spektrum und in den angrenzenden Bereichen gelegen ist. Beispielsweise schließt die Durchlässigkeitsbandbreite von PbMoOj den Wellenlängenbereich zwischen 0,39 und 5,6 Mikrometer ein. Der Ausdruck "optische Strahlung" soll daher Wellenlängen im nahen ultravioletten Bereich, im sichtbaren Bereich und im infraroten Bereich umfassen. Der Ausdruck "akustische Welle" soll jegliche elastische Welle umfassen, keineswegs also auf Wellenlängen im hö^frbaren Bereich beschräkt sein, sondern auch den Ultraschallbereich, Hyperschallbereich usw. umfassen. Tatsächlich ist der Wellenlängenbereich elastischer Wellen vom gewünschten Betriebsbereich der speziell betrachteten Vorrichtung bestimmt. Dieser Bereich ist nur durch die allgemeine Forderung begrenzt, daß die elastische Wellenlänge gleich oder größer als eine halbe Wellenlänge der optischen Welle in dem akustooptischen. Medium ist. Diese allgemeine Bedingung rührt von der Berücksichtigung des minimalen Beugungsgitterlinieriabstandes (der gleich der akustischen Wellenlänge ist), der zur Erzeugung der für die Beugung erforderlichen Verstärkung notwendig ist.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, der Eignung der beschriebenen Materialien für deren Einsatz in einer breiten Klasse ansonsten bekannter akustooptischer Vorrichtungen. Da die Ansprüche allgemein auf solche Vorrichtungen gerichtet sind, sind in ihnen die allgemeinen Vorrichtungsmerkmale wiedergegeben. Nichtsdestoweniger umfaßt die Erfindung alle akucto-

0098-47/1607

optischen Anwendung smögl ichk ei ten der angegebenen Iiaterialien. Allgemein gesprochen, beruht der Betrieb all dieser Vorrichtungen auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Lnergie und elastischer Enrgie im jeweils hierfür angegebenen i/ellenlängenbereich.

Zur Abgrenzung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen von jenen, in denen die gleichen Materialien benutzt sind, ist angegeben, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um elastische Wellenenergie durch das Material hindurch auszubreiten. Diese Einrichtung kann eine Übertragungsleitung für elastische Wellen sein, oder ein (auf piezoelektrischer, elektrostriktiver oder magnetostriktiver Basis arbeitender) Wandler sein. Auch die Einrichtung zum Übertragen elektromagnetischer Wellenenergie ist im weiten Sinne auszulegen. Hierher gehören beispielsweise ein Oszillator, wie ein Laser, oder eine thermisch angeregte Quelle (da Beugungsvorrichtungen nicht erfordern, daß die Strahlung kohärent oder polarisiert ist), oder sie kännen einfach aus einen oder mehreren optisch eben polierten, beschichteten oder unbeschichteten Bächen bestehen.

Historisch sind akustooptische Wechselwirkungen als für den einen oder den anderen zweier begrenzender Mechanismen repräsentativ zu betrachten. Der erste wird teils mit Raman-Nath, teils mit Debye-Sears bezeichnet. Der zweite wird Bragg¹sehe Streuung genannt.

Diese beiden begrenzenden Mechanismen unterscheiden sich durch den Wert des Bruches

009847/1607

^Ι/λι

~\ λ *~s

Hierin ist L dir Länge der Einschnürung der elastischen Welle senkrecht zu dnren Fortpflanzungsrichtung in der Ebene, die durch die Γη rtpi'lanzung ε richtung en der elastischen und optir.chen Wellen bestimmt ist. Biese Einschnürung, die das akustische J.quivalent des optischen Brennpunktes ist, kann entweder reell oder virtuell sein. Beispielsweise erscheint die Einschnürung einer elastischen Welle, die von einem flachen Wandler ausgeht, an dem Wandler und -ist gleich der Wandlerlänge, während bei einem gekrümmten Wandler die elastische Welle zu einer Einschnürung in einer gewissen Entfernung vom Wandler fokussiert wird.

Ferner bedeuten in Gleichung 1

λ-, und ^₀ die V;ellenlange der elektromagnetischen Strahlung bzw. der elastischen Welle innerhalb des akustooptischen Mediums.

Bragg'sehe Leu/rung tritt auf, wenn der numerische Wert von g in Gleichung T gleich oder größer eins ist. Innerhalb dieser Grenze können bis zu 100'/o der einfallenden elektromagnetischen strahlung in einer einzigen Beugungsordnung, d.h. in einer einzigen Richtung, abgelenkt werden. Die Orientierung der elastischen und der elektromagnetischen Wellen in einer Bragg¹sehen Vorrichtung muß dahingehend einge ε ehr äirt werden, um die Bragg¹ sehen Bedingungen zu erfüllen, siehe IESE Journal of Quantum Electronics, Band QE-3, Seite'85(19ö7). Die Raman-Nath-Grenze tritt auf, wenn der Wert von g in Gleichung 1 viel kleiner als

eins ist. In diesem Fall wird elektromagnetische Strahlung allgemein in viele unterschiedliche Beugungsordnungen abgebeugt.

00 98 4 77 1 607

BADORIQiNAt

Obgleich 1OO?i der einfallenden elektromagnetischen Üiiergie von einer Raman-Nath-Vorrichtung abgelenkt werden können, beträgt die in irgendeine gegebene Ordnung maximal gerichtete Energie nur 34%. Die Orientierung der elastischen und der elektromagnetischen Wellen ist in einer Raman-Hath-Vorrichtung - im Gegensatz zu einer Bragg-Vorrichtung, bezüglich ihres Verhaltens nicht kritisch.

Während Bragg'sehe Beugungsvorrichtungen im allgemeinen bevorzugt sind, und sei es nur wegen des größeren Ablenkungswirkungsgrades in einer einzigen Ordnung, umfaßt die Erfindung beide Mechanismen, und auch jeden zwischenligjenden Fall, für welchen der Wert von g in Gleichung "T zwar kleiner als eins, aber noch nicht klein genug hiergegen ist, um in dem für die Raman-Nath-Grenze anwendbaren Bereich zu liegen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise geschnitten, einer Bragg¹ sehen Ablenkeinheit unter Verwendung von Pb!IoOλ als dac wirksame Element,

Fig. 2 eine schematische Schrägancicht eines Ablenkungssystems, in welchem getrennte X- und Y-Brag£;-Ablenkeinheiten benutzt werden,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer .resonanten akustooptischen Vorrichtung, die zur plBsenstarren Kopplung von Laser-Schwingungsformen dient,

Fig. 4 one schematisehe Ansicht eines Laser-Resonators mit

einem akustooptischen Element, der sowohl der phasenstarren Kopplung von Schwingungsformen als auch zur Ot) 9 8 4 7 / 1 607

- 9 - 2021421

Fig. 5 eine schematis ehe Ansicht einer akustooptisehen Ablenkeinheit mit einem fokussierten Strahl elastischer Wellen und

Fig. 6 eine Ansicht in auseinanfergezogenem Zustand einer Lichtablenkeinheit, wie diese bei einigen der hier berichteten Versuche verwendet wurde, und die sich zur Verwendung in dem xy-Ablenksystem nach Fig. 2 eignet.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist eine Bragg'sehe Ablenkeinheit, die ein akustooptisehes Element 1 aus einem der hierin beschriebenen Materialien und eine Quelle 2 für elastische Wellen aufweist. Die Quelle 2 kann ein piezoelektrischer Wandler sein, der beispielsweise aus Lithiumniobat hergestellt und mit an eine Wechselstrom- oder anderweitige Modulationsquelle 5 angeschlossenen Elektroden 3 und 4 versehen ist. Der Körper 1 ist bei der dargestellten AusfUhrungsform mit optisch polierten Oberflächen '"6 und 7 versehen. Diese Flächen können auch mit transparenten Beschichtung«! zu Schutzzwecken und/oder zur Minimal lsi erung von Reflexionsverlusten versehen sein. Beim Betrieb wird ein elektromagnetischer Wellenenergie strahl 8 (der durch ein nichtdargestelltes Linsensystem fokussiert oder defokussiert. sein kann) mit einer innerhalb der Durchlassifkeitsbandbreite des Elementes 1 gelegenen Wellenlänge unter einem bestimmten (eich nach der Brechung einstellenden) Winkel β zu den fortschreitenden elastischen Wellenfronten 9 in den Körper 1 eingeführt. Während ein Teil des Strahle 8 den Körper 1 glatt durchquert und denn «1· Strahl 10 in derselben Richtung wi· der

000647/1607

Strahl 8 weiterläuft, wird ein bestimmter Teil infolge einer Wechselwirkung mit der elastischen Welle um einen Winkel 2 0 abgelenkt und tritt als Strahl 11 aus. Die Ansicht nach Fig. 1 zeigt die wirksamste Betriebsart einer Bragg¹sehen Ablenkeinheit, bei welcher der einfallende und der abgebeugte Strahl unter jeweils gleichem Winkel, dem sogenannten Bragg¹ sehen Winkel, zur fortschreitenden elastischen Wellenfront orientiert sind. Bragg¹ sehe Ablenkeinheiten sind jedoch innerhalb eines begrasten Winkelbereichs wirksam, der auf diese

* optimale Orientierung zentriert ist. Die Bragg'sehe Beugungsbedingung .erfordert konstruktive, also nicht destruktive, Interferenz der gestreuten Lichtwellen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Wegstrecke, die von einer an einer elastischen Wellenfront gestreuten Lichtwelle durchquert wird, um eine Lichtwellenlänge größer ist als die Wegstrecke einer Lichtwelle, die an der benachbarten elastischen Wellenfront gestreut wurde. FUr einige Betriebsbedingungen, unter denen die elastische Wellenlänge beträchtlich größer als die :;Lichtwellenlänge ist,

) kann der Beugungswinkel 2 0 angenähert ausgedrückt werden, als das Verhältnis der Lichtwellenlänge zur elastischen Wellenlänge. Da die elastische lÄlenlänge ihrerseits das Verhältnis von Geschwindigkeit zur Frequenz der elastischen Welle ist, und da die Geschwindigkeit für eine gegebene Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle innerhalb eines gegebenen Mediums eine Konstante ist, ist der Beugungswinkel für eine gegebene Lichtwellenlänge in erster Näherung direkt proportional zur Frequenz der elastischen Welle. Änderungen in dieser Frequenz erlauben deshalb die Auswahl eines entsprechend zugeordneten Beugungswin-

000*47/1107

kels aus einer großen Vielzahl Beugungswinkel. Diese Beziehung wird-in einem XY-Vielfachpositionsablenksystem, beispielsweise der in Fig. 2 dargestellten Art, ausgenutzt.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann auch als eine allgemeine -nformationsverarbeitende Vorrichtung betrieben werden, die eine optische Verknüpfung verwendet. Beispielsweise kann, wenn die Frequenz der üuelle t? der (gewobbelten) Frequenz eines Zwitscherradarsignals folgt, kann die Vorrichtung zur Impulskompression für das empfangene Signal vorgesehen werden, um dadurch das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern. In ähnlicher »,'eise kann durch Aufmodulieren einer anderen Information auf die elastische welle durch geeignete Änderung der Frequenz und/oder der Amplitude der Quelle 5 die Vorrichtung dafür ausgelegt werden, die informationsverarbeitenden Funktionen einer Korrelation, einer Filterung, einer Spektralanalyse xstf. auszuführen.

Die eriindungsgemäßen Vorrichtungen sind im wesentlichen änderbare' PhaseiibeUfungSgitter, und der Deugungswirkungsgrad steht in Beziehung mit der von der elastischen ¥elle erzeugten Änderung 0.Q-0 jjrechungsindexes. Da* diese Änderung ihrerseits von der amplitude eier elastischen Welle eblr-iiigt, ist die· Größe der üügeucugten ..^traiilenei'gie- dadurch bestdumt. Die Gütezahl für fciii i;^Vchec (iiiter kann arüaand. de^ iiacJi; teheiiden Ausdruckes be-" itj-rnmt werden ■

0 0 Ö 8 4 7 /1 6 0 7

■ ■ ■·.-;■-!■■■

BAD^Λ— '

Hierin bedeuten

H₂ die Gütezahl für eine spezifizierte Kombination von elastischen und elektromagnetischen Wellenrichtungen und Polarisationen gegenüber der Kristallstruktur des akustooptischen Mediums,

η den Reflexionsindex,
ρ die photoelastische Komponente,
ρ die Dichte des akustooptischen Mediums und

ν die Geschwindigkeit der elastischen Welle im akustooptischen Medium.

Die Werte von η, ρ und ν hängen von der kristallographisehen Orientierung ab. Beispielsweise sind zehn unabhängige phctoelastische Komponenten durch die Symmetrie von PbMoO/ zugelassen. Brauchbare Werte der Gütezahl sind für elastische Longitudinal- und Scherwellen in Kombination mit längs jeder der drei kristallographischen Hauptachsen polarisierten optischen Wellen gefunden worden. Viele der entsprechenden Gütezahlen sind nun für verschiedene optische Wellenlängen bestimmt worden, und die besten dieser Werte liegen, wie gefunden wurde, annähernd fünf Mal besser als die besten Werte für Lithiumniobat.

Der obige Wirkungsgrad, der für das erfindungsgemäl3e Material charakteristisch ist, erscheint in FbMoO^- für einen t-Schnitt-Kristall, wobei die elastische Welle längs der c-Achse (001-Achse) fortschreitet, und der Lieh strahl nahe; bei der a-Achse (100-Achse), derart, daß die Bragg¹πehe Bedingung erfüllt ist. Diese Geometrie führ! nicht nur zu dor höchsten gemessenen

009847/1607

Gütezahl, sondern hat auch die außergewöhnliche Eigenschaft, daß die Größe der akusto-optischen Wechselwirkung unabhängig vom optischen Polarisationszustand ist. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei Vorrichtungen brauchbar, die mit unpolarisiertem Licht arbeiten und können beträchtliche Vorteile bei xy-Lichtablenksystem naben. Diese brauchbaren Eigenschaften des c-Achsenschnittes kann nicht aus Symmetrieerwägungen oder aus der zeitigen Theorie des phtoelestischen Effektes vorausgesagt werden. Währ end diese Eigenschaft einfach ein Zufall der Natur sein mag, wird sie, wie gefunden wurde, in zumindest einer weiteren Verbindung der in Rede stehenden Klasse, nämlich in PbWO^, gefunden.

Die a*forderliche elektrische Energie, um 50% des einfallenden Lichtstrahls in einer typischen Anordnung abzulenken, bei der eine elastische Longitudinalwelle in der kristallographischen c-Richtung und ein elektromagnetischer Strahl in der a-Richtung laufen, wurde experimentell zu etwa 0,7 Watt bei einer Mittenbandfrequenz von 140 MHz der elastischen Welle bestimmt. Die 3 Dezibel Bandbreite war 80 MHz und die optische Wellenlänge war 5145 Angstrom.

Das Ablenksystem nach Fig. 2 hat ein elastooptisches Bauelement 15, das mit einem Generator 16 für elastische Wellen versehen ' ist, ferner ein elastooptisches Bauelement 17» das mit einem Generator 1ü für elastische Wellen'vernehen ist, eine Fokussier-Iiri3e 19 sowie einen Sichtschirm und/oder eine Informationsspeicher ebene 20. Beim betrieb wird-elektromagnetische Strahlung er -Wellenlänge alr> .'jb-rahl JM von ulrior. rri f.htdargeu-te.il-■

ÖÜ9BA7/ 1 6 0 7

BAD ORIGiNAl

ten Quelle eingeführt. Nach Durchlaufen des Bauelementes 15 wird ein Teil dieses Strahls in senkrechter Richtung in irgendeine Position zwischen den beiden Strahlbegrenzenden Richtungen 22 und 23 um einen Betrag abgelenkt, der durch die elastische Welle bestimmt ist, die vom durch nichtdargestellte Mittel erregten Generator 16 erzeugt wird. Der vertikal abgelenkte Strahl wird in ähnlicher Weise in der Horizontalrichtung, der x-Richtung bei Durchlaufen durch das Element 17 aus Gründen einer Wechselwirkung mit den elastischen Wellenfronten abgelenkt, die vom Generdor 18 bei dessen Erregung durch nichtdargestellte Mittel geliefert werden. Das Ergebnis ist, daß der Lichtstrahl, der nun sowohl vertikal als auch horizontal abgelenkt ist, aus dem Element 17 in einer der Begrenzungspositionen, die als Strahlen 24 bis 27 dargestellt sind, oder in irgendeiner Zwischenrichtung in Abhängigkeit der Frequenzen austritt, bei welchen die Generatoren 16 und 18 angeregt sind. Der abgelenkte Strahl wird bei seinem Durchgang durch die Fokussierlinse 19 als kleiner Fleck auf der Brennebene 20 abgebildet. Das System kann zu Bildwiedergabezwecken durch aufeiraiderfolgendes Ablenken ' eines sich ändernden Bruchteils des einfallenden Lichtstrahls 21 in jede auflösbare Lichtfleckposition auf dem Wiedergabeschirm 20 benutzt werden. Wird das System bei der Informationsverarbeitung benutzt, so wird jede auflösbare Position auf dem Bildwiedergabeschirm der Ort einer Informationsspeicherung sein. Die Information kann photographisch, holographisch oder nach irgendwelchen anderen Methoden gespeichert sein. Wird es gewünscht, die an einer bestimmten Position des Elementes 20 gespeicherte information auszulesen, so werden die Generatoren 10 lind Mi bei den untüpt 'chenden Frequenzen errt-f.t, lun ciruj Licht

0 0 ^!) 0 A 7 / 1 6 0 7

™a -:-■-'^L BADORiGWAL

in diese Position abzulenken. Die gespeicherte Information wirddann auf eine Reihe nichtdargestellter lichtempfindlicher .Detektoren projiziert.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit einem akustooptischen Element zur phasenstarren Eigenschwingungskopplung bei einem Laser. Das akustooptische Bauelement 25 ist in diesem Fall mit reflektierenden Enden 26 und 27 versehen. Ein Wandler 28 für elastische Wellen, der bei der richtigen Frequenz durch nichtdargestellte Mittel angeregt ist., führt zur Ausbildung einer stehenden elastischen Welle 29. Der Abschnitt 30 stellt den Teil eines Laserresonators dar. Eine phasenstarre Eigenschwingungskopplung tritt auf, wenn das akustooptische Element 25 so entworfen und betrieben wird, daß eine periodische Beugung derselben Periodizität (oder vielfachen hiervon) wie die Resonanzfrequenz erzeugt wird, die die Longitudinal- Oder Transversaleigenschwingungen des Lasers voneinander trennt. Im allgemeinen wird die phasenstarre Eigenschwingungskopplung durch die dargestellte Anordnung durch einen Betrieb bei der Raman-Hath-Grenze bewerkstelligt, und zu diesem Ende ist der Wandler 28 so dargestellt, daß er eine relativ kurze Abmessung in Richtung der optischen Fortpflanzung hat. Alternativ kann de.r Entwurf so sein, daß Bragg¹ sehe Beugung benutzt wird, in welchem Falle die Anordnung so gewählt ist, daß die Lichtübertragungsrichtung unter dem üblichen Bragg¹ sehen Winkel, zur elastischen Wellenfront verläuft.

ijj.f Anordnung ikjcIi Fif.j. 4 weißt einen Körper 35 aus PbMoO/ oder

0098/. 7/1607 "

BAD ORIGINAL

einem verwandten Material auf, sowie einen Laser 36, z.B. einen mit "ISfeodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Laser. Der Körper 35 ist mit einem Raman-Eath-Elastowellenwandler 39 zur phasenstarren Kopplung von Eigenschwingungen versehen, ebenso mit einem Bragg-Elastowellenwandler 40 zur Ablenkung und damit zur Austastung der Laserstrahlaustritte.

Die Anordnung nach Fig. 5 ist eine Bragg-Ablenkeinheit mit fokussierter elastischer Welle und wird als Modulator betrieben. Es ist ein akustooptisches Bauelement 45 vorgesehen, ferner ein gekrümmter Elastowellenwandler 46 und Mittel zum Hindurchschicken eines Lichtstrahls 47. Der gekrümmte Wandler fokussiert die elastischen Wellen auf eine Einschnürung etwa in der Mitte des Körpers 45, wie dieses schematisch durch die Elastowellenfronten 48 dargestellt ist. Der Strahl 47 wird unter einem diskreten Winkel entsprechend dem üblichen Bragg-Beugungsmechanismus abgelenkt. Eine Amplitudenmodulation wird bewerkstelligt durch Anordnen eines Detektors 49 in der dargestellten Stellung, um die Intensität des nicht abgebeugten Teils des Strahls 47 zu messen. Es ist gezeigt worden, daß die Intensität, wenn sie bei 49 gemessen wird, sowohl von der Amplitude als auch der Frequenz der elastischen Welle abhängt. Alternativ kann der Detektor 49 in der gestrichelt angedeuteten Stellung angeordnet werden, um die Intensität des abgebeten Teils des Strahls kl zu messen.

Der Zweck einer Vorrichtung mit fokussierten elastischen Wellen ist der, die ei¹ forderliche Energie der elastischen Menge zu verringern, hz ist demonstriert worden, da/3 die Hodulationsband-

009847/ 1 607

BAD ORlGJfMAL

"breite prop ort ±nal zum Winkelbereich- des elastischen Wellenstrahls ist und daß optimale Modulation für einen Winkelbereich der elastischen Wellen erreicht wird, der gleich dem Beugungswinkel des Lichtes ist, Ein geeigneter Modulatorentwurf umfaßt das Abwägen einer Überlegung gegen die andere. Es ist auch schon von S.I. Gordon, in Proceedings of the IEEE, Band 54, Seite 1391, Oktober 1966 gezeigt worden, daß der Vorteil einer Fokussierung auch dann erhalten bleibt, wenn die Wechselwirkung in einem Volumen stattfindet, das die Brennöbene, d.h. die Einschnürung, nicht enthält, und sogar für den Extremfall erhalten bleibt, daß die Brennebene, reell oder virtuell, außerhalb des akustooptisehen Mediums gelegen ist. Der Vorteil, die Wechselwirkung dicht bei dem Elastowellen-Wandler statt in der Brennebene zu erzeugen, liegt in der Minimalisierung der Verzögerungszeit entsprechend der Laufzeit für die Fronten der elastischen Wellen, die Lichtstrahlposition vom Wandler aus zu erreichen.

Die Vorrichtung nach Fig. 5 kann auch bei geeigneter Modulation der elastischen Wellen dafür vorgesehen sein, -.einige der allgemeinen infjörmationsverarbeitenden Funktionen wie Korrelation und Zwitscherradar-Impulskompression, auszuführen, wie dieses im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert worden ist.

Fig. 6 zeigt eine einstufige Lichtablenkeinheit. Es ist ein c-Schnitt-PbMoOA-Kristall 55 vorgesehen, in welchem ein elastisches Wc'llerifeld erzeugt wird durch elektrisches Ansteuern zweicu' in Serie geschalteter, entgegengesetzt gepolter- und für Longitudinalfjchwinfjungijforin vorgesehene Lithiumniobat-

QO9847/ 1 607

Wandler 56 und 66. Die Wandler 56 und 66 sind mit Chrpm-Gold-Elektroden 57, 67 und 58, 68 versehen, die an eine nichtdargestellte elektrische Stromquelle angeschlossen sind. Die Befestigung der Wandler 56 und 66 am Kristall 55 erfolgt durch eine Kaltschweißung über Indiumschichten 59 und 69. Der Kristallkörper 55 ist mit Thorfluorid-Antireflexionsbelägen 60 und 61 versehen, und diese definieren die Fortpflanzungsrichtung für einen Lichtstrahl, beispielsweise ein Lichtstrahl eines Argonionen-Lasers der Wellenlänge 514-5 Angström. Die dichtung dieses Strahls ist durch die Pfeile 62" und 63 angegeben. Bei der dargestellten Anordnung erfolgt die Ablenkung vertikal, wobei der Ablenkungsgrad direkt proportional zur Frequenz ist, bei welcher die Wandler 56 und 66 elektrisch angeregt werden.

Die Verwendung zweier Wandler 56 und 66 statt eines einzigen Wandlers mit äquivalenter Fläche führt zu einer vierfachen Zunahme der effektiven elektrischen Impedanz des Wandlers beim tatsächlich durchgeführten Versuch. Dieses führte zu dem praktischen Vorteil, daß die Ansteuerung direkt von einer Quelle mit 50 Ohm Impedanz ermöglicht ist.

Der Vorteil der in Fig. 6 dargestellten Versuchsanordnung ist die enge Anpassung zwischen den mechanischen Impedanzen von Lithiumniobat (das Material der Wandler 56 und 66) und PbMoO, Diese gegenseitige Anpassung zusammen mit dem von Hause aus großen elektromechanischen Kopp Lungskoeffizienten von Lithiumniobat ermöglicht einen wirksamen Breitbandbotrieb. Beim ta t-

0098 47 /1607

sächlichen Betrieb wurde Jede Ablenkstufe wirksam über eine Bandbreite von 80"MHz (die etwa bei 130 MHz zentriert war.) betrieben. Diese Bandbreite war nur durch die Leistungsverstärker beschränkt, die für den Versuch verfügbar waren.

Der Kristall 55 ist an eine Aluminium-Warnesenke 64 mit Hilfe einer Epoxyharzschicht 65 befestigt. Die mechanische Impedanz von Aluminium liegt hinreichend dicht bei der von PbMoO^, so das meiste des austretenden, von den Wandlern 56 und 66 erzeugte Ultraschallsignal, nachdem es eine Lichtablenkung im Kristall 55 erzeugt hat, direkt in die Wärmesenke 64 übertragen wird, wo es vernichtet wird. Unter den Bedingungen des durchgeführten Versuches wurden etwa 4% des Ultraschallsignals von der Aluminium/ PbhoO/-Grenzfläche zurück in den Bereich des Lichtstrahls reflektiert. Dieses reflektierte Signal wurde dadurch an störenden Einflüssen verhindert, daß die Grenzfläche unter einem kleinen Winkel (1⁰ZO¹) geneigt wurde, so daß die reflektierte Welle nicht die Bragg'sehe Bedingung für den Lichtstrahl erfüllte.

Beispielhafte Mitglieder der erfindungsgemäßen Materialklasse sind angegeben worden. Die Verbindungen PbMoO-, PbWO^ und i-iischungen hiervon und PbpMoOp-, Pb₀WO,- und Mischngen hiervon bilden eine bevorzugte Klasse. Innerhalb dieser Klasse ist PbHoO* das wertvollste, und zwar nicht nur wegen der Unabhängigkeit dec Ablenkungswinkels von der P&arisation (diese Ligenschaft erscheint, zumindest in einem weiteren Mitglied der in Rode stohouüori. Haterir.lklasüG, nämlich in PbWO^), sondern auch '/ogen meiner 1 Gichten Züchtbarke it als große Kristalläb-

0 0 9 ß Λ 7/1607 SAD

schnitte hoher optischer Güte. Die Materialien der erfindungsgemäßen Klasse sind im allgemeinen recht leicht züchtbar, und es mag sein, daß im Laufe der weiteren Entwicklung PbMoO^ nicht mehr lediglich aus diesem Grunde vorgezogen wird. Ein weiterer Vorteil hängt mit der Beobachtung zusammen, daß diese Verbindung vorzugsweise aus der Schmelze unter einem VEhkel von etwa 30° gegen die c-Achse wächst (hohe optische Qualität wurde bisher nur bei Kristallen gefunden, die in Richtungen gewachsen waren, welche nicht den kristallographischen Hauptachsen entsprechen).

Die allgemeine Klasse der erfindungsgemäßen Materialien beruhen sämtlich auf einem Blei- oder Thallium-Kation, die beide durch eine hohe ionische Polarisierbarkeit gekennzeichnet sind. Diese Polarisierbarkeit wird einem unbeteiligten Elektronenpaar in der äußeren (6s) Schale zugeschrieben. Maßstäblich betrachtet betragen diese Polarisierbarkeiten etwa 20 und 30 für Bleibzw. Thallium. Wismut , das im gleichen Maßstab betrachtet, eine Polarisierbarkeit von etwa 10 hat, wird aus diesem Grunde nicht als bevorzugt betrachtet. Um die chemische Natur der betroffenen Verbindungen noch zu erläutern, sei angegeben, daß die anionischen Gruppen oxydisch sind. Die allgemeine Klasse besteht aus den stabilen Verbindungen, die praktisch wasserunlöslich sind und die die folgenden allgemeinen Eigenschaften habens

1₀ Unbeteiligt®« Elelct^oaeiapaar in der 6s-Sciiale, 2.-, RaIaMy t/uiefe {-die KoIi¹3«äe Härla 1st kleiner als 3, -5) 3o Bia Material i@s sind relativ schwer (die Dichte liegt obarMlfe 5g/cL*)

Ö I ty J A Λ Λ *ί?

4. Die Verbindungen haben Thallium oder Blei als Kationen.

Während die Kristallzüchtung für die einfacheren Verbindungen (jene, die nur ein Kation pro Formeleinheit haben) weniger kompliziert ist, 'erhöht ein größeres Verhältnis von Kation zu Sauerstoff die resultierende Polarisierbarkeitsdichte und deshalb den AbI enkung sv/i ikingsgr ad entsprechend der erläuterten Gütezahl. Die allgemeine Materialklasse schließt solche Verbindungen höherer Ordnung ein, d.h. jene, die zwei oder mehr Kationen pro Formeleiheit haben, wenn diese Verbindungen stabil sind und anderweitig die angegebenen Bedingungen erfüllen. Die allgemeine Klasse kann durch die folgenden Formeln dargestellt vier den:
Tl₂O.Mg¹¹ O₇; T1₂O.M^VIO₃; (Tl₂O)_x^O₅; (Tl₂O)_χ.Μ^ΐν0₂}

O₃; (PbO)_y.M^VIO₃; (PbO)₂^₂O₅; (PbO)₂-M¹V,;

Hierin sind:	= Re	5	Mo, S, Se, Te;
„VII	= W,	As, Sb, V, Nb, Ta;
MVI	ρ	, Ge, S;
MV	= Si	Bi, In;
MIV	= B,	2, 3ϊ
„in	= 1,	und 2;
X	Λ	bis 8.
y	S= 1
Z

Mischkristalle aus irgend zwei oder mehr der vorstehend angegebenen Mitglieder gehören gleichfalls zu dieser Materialklasse.

ÖÖ9847/1607

Die in Rede stehenden Verbindungen werden im allgemeinen nach der Czochralski-Methode aus der Schmelze gezogen. Die Schmelzen sind leicht herzustellen, und zwar einfach durch Mischen stöchiometrischer Mengen der Oxyde oder anderer Verbindungen, die nach dem erhitzen zu Oxyden führen. Beispielsweise wird PbMoOr hergestellt durch Zusammenschmelzen gleicher molarer Mengen von PbO und MoO^. Kristalle von ausgezeichneter qiischer Güte wurden durch Erhitzen einer Schmelze durch Hochfrequenzinduktion in einem Platintiegel, wobei der Kristall mit einer Geschwindig-. keit von etwa 6,5 mm pro Stunde sowie unter Drehen mit einer Drehzahl von 140 pro Hinute aus der Schmelze gezogen wurde. Der Schmelzpunkt von PbMoO^ ist 1ObO⁰C. Während des Kristallwachstums eingeführte Spannungen wurden durch 1 bis 24 stündiges Ausglühen in Luft bei 800⁰C entfernt.

Die nachstehende Tabelle gibt einige der bedeutsamen Parameter von beispielhaften Materialien gemäß der Erfindung wieder. Um dem Konstrukteur die Arbeit zu erleichtern, ist ein Vergleich sowohl mit dem üblichen Standardmaterial, Quarzglas als auch mit den Materialien Alpha-HIO, und LiNbO, gemacht worden. Die erfindungsgemäßen Materialien zeigen eine beachtliche Zunahme im Ablenkungswirkungsgrad für abnehmende Wellenlänge; und im Falle von PbMoO^ sind die Parameter-Werte für die beiden Wellenlängen wiedergegeben, die bei einem bei 6328 Angström stimuliert emittierenden Helium-Neon-Laser (in der Tabelle mit rot bezeichnet) und bei einem bei 4880 Angström stimuliert emittierenden Argon-Laser (in der Tabelle mit blau bezeichnet) auftreten. Die akustische Dämpfung wurde bei 500 Milz gemessen.

009847/1607

Die DämpfungSwerte nehmen annähernd mit dem Quadrat der Frequenz zu. Zwei Gütezahlen sind wiedergegeben, von denen die erste im einzelnen erläutert worden ist, und von denen die zweite von Interesse für xy-Lichtablenksysteme beispielsweise der in Fig. 2 dargestellten Art ist, wo gewisse geometrische Beschränkungen sich auf Msterialparameter beziehen.

Tabelle

Material	1	1	Akustische Dämpfung dB/)ü|sec.
Quarzglas	Rot 20 - Blau 37	Rot 21 - Blau 39	1,8
PbMoO4-	Rot 18,2	Rot 16	1,0
PbWO4	Rot 27	Rot 22	5,0
Pb2MoO5	Rot 55	Rot 32	5,0
HIO3	Rot 4,6	Rot 7,5	1,D
LiKbO^		0,005

Rot = Heliiam-Neon (^8 Ä) Blau = Argon (4880

ÖOSS47/1607

Claims (11)

1. Patentansprüche

   i). Akustooptische Vorrichtung mit zumindest einem akustooptischen Bauelement, das mit einer ersten Einrichtung zur Erzeugung elastischer Wellen und einer zweiten Einrichtung zur Übertragung elektromagnetischer Strahlung so versehen ist, daß eine Beugung zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung resultiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein kristalliner Körper ist, der im wesentlichen aus zumindest einer Verbindung der nachstehend angegebenen Gruppe von Verbindungen oder Mischungen hiervon zusammengesetzt ist:

   VTI
   Ή O MO

   (Tl₂O)_x . M^V0₅
   (Tl₂O)_x . M^IV0₂
   (Tl₂O)_x . Mf¹O₃
   (PbO)_y . M^VI0₃
   (PbO) . mYo-(PbO)₂ . M^IV0₂
   (PbO)₂ . Mf¹O₃

   mit M^VI1 = Re

   _MVI = W, Mo, S, Se, Te

   M^V = P, As, Sb, V, Nb, Ta
   M^IV =Si, Ge, S

   0 06847/1607

   - 25 - 2Q2162T

   M¹¹¹ = B und Bi
   χ = 1, 2, 3
   y =1 und 2
   ζ =1 bis 8
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Körper im wesentlichen aus einer Zusammensetzung besteht, die aus der aus PbMoO^, PbWO^ sowie Mischungen hiervon und FbpMoOj-, Pb₂WOc sowie Mischungen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung im wesentlichen monochromatisch sowie von einer Wellenlänge im Vakuum ist, die zwischen 3900 und 56000 Angström liegt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,· daß die elektromagnetische Strahlung im wesentlichen kohärent ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung in der Lage ist, elastische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsbedingungen so gewählt sind, daß die Einschnürung der erzeugten elastischen Wellenfront, multipliziert mit der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und geteilt durch das Quadrat der Wellenlänge der elastischen

   009847/1607

   Welle zumindest gleich eins ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung zum Erzeugen fokussierter elastischer Wellen ausgelegt ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Laser-Resonator aufweist, und daß der abgelenkte Teil des Strahls dadurch vom Resonator entfernt wird.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsbedingungen so gewählt sind, daß die Einführung der erzeugten elastischen Wellenfront, multipliziert mit der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und geteilt durch das Quadrat der Wellenlänge der elastischen Welle numerisch kleiner als eins ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement so angeordnet ist, daß es einen Resonator für die elastischen Wellen bildet.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Laser-Resonator aufweist und daß die erste Einrichtung dafür ausgelegt ist, elastische Wellen einer Frequenz zu erzeugen, die gleich einem Vielfachen des Prequenzabständes der Laserresonator-Eigenschwingungen ist.

    Θ98847/1801