DE2061694C3

DE2061694C3 - Akustooptischer Lichtablenker mit erhöhter Bandbreite

Info

Publication number: DE2061694C3
Application number: DE2061694A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Eschler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-12-15
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2118071A1; FR2118071B1; GB1380408A; LU64449A1; BE776729A; DE2061694A1; JPS5712127B1; US3759603A; DE2061694B2; NL7117129A; IT943817B

Description

Die' Erfindung betrifft einen Lichtablenker mit mehreren Wandlern für anschließende Frequenzbereiche, die nebeneinander angeordnet sind. Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Lichtablenker bestehend aus einem als Schallmedium dienenden Kristall, der über einen piezoelektrischen Wandler mit Ultraschall angeregt wird und der einen etwa parallel zu den Schallwellenfronten einfallenden Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Schallfrequenz umlenkt, sowie aus einer Steuervorrichtung, die den piezoelektrischen Wandler mit einer steuerbaren variablen Frequenz versorgt.

Das Prinzip der akustooptischen Lichtablenkung ίο ist seit langem bekannt. Es beruht auf der Lichtbeugung an Ultraschallwellen. Dabei wird eine Ultraschallwelle durch ein Medium, z. B. durch einen Kristall geschickt, wodurch in diesem Druckschwankungen erzeugt werden, so daß ein in Richtung der Schallwellenfront einfallender Lichtstrahl wie von einem Beugungsgitter abgebeugt wird.

Der Beugungswinkel hängt dabei vorn. Abstand der

Druckmaxima, d. h. aber von der Wellenlänge bzw. der Frequenz der Ultraschallwelle ab. Ist die Einfalls-

richtung des Lichtes gegen die Schallwellenfront um

einen kleinen Winkel geneigt, so ist eine Braggrefle-

xion des Lichtes an den Wellenfronten des Schalls zu beobachten. Damit es zur Braggreflexion kommen kann, muß allerdings der Einfallswinkel der Bragg-

bedingung genügen. Dieses Prinzip und seine Vorteile

sowie verschiedene Anwendungen wurden 1966 von

E. I. Gordon beschrieben (I. E. Gordon: A Review of Acoustooptical Deflection and Modulation Devices

in Applied Optics Vol. 5, No. 10, S. 1629 pp, Oct.

1966).

In einem im Oktober 1966 erschienenen Artikd von A. Korpel, R. Adler, P. Desmares und W. Watson: »A Television Display Using WR/The Acoustic Deflection and Modulation of Coherent Light« in Applied Optics Vol. 5, No. 10, S. 1667 pp. Oct. 1966 beschrieben die Verfasser, wie man zu einer größeren Zahl von AblenkriohtungCii kommen kann. Bekanntlich erfordert die Braggreflexion, daß die akustischen Wellenfronten bezüglich des einfallenden und gcbcugieü Lkhtatiahis symmetrisch sind. Will man den Braggwinkel ändern, so muß die akustische Wellenfront ihre Richtung ändern. Dieses wird erreicht durch eine besondere Anordnung und elektrische Schaltung der Wandlerstreifen, dessen kombinierte Wellenfronten ihre Richtung ändern, wenn die Frequenz geändert wird. Auf diese Weise ist eine Änderung der Schallfrequenz von 19 bis 35 MHz und eine proportional zu diesen Größen sich ändernde Lichtstrahlenablenkung erreichbar. Über einen weiteren Aufbau berichten N. Uchida und H. Ivasaki in der Zeitschrift »Japan. J. Appl. Phys., 8, S. 811, 1969 über einen zweidimensionalen akustooptischen Lichtablenker. Durch einen besonderen Aufbau wurde eine Schallfrequenzänderung zwischen 48 und 63 MHz erreicht.

In der USA.-Patentschrift 3 531 184 ist eine Lichtablenkvorrichtung beschrieben, bei der u. a. zwei im gleichen Frequenzbereich arbeitende Ablenkzellsn hintereinander angeordnet sind. Dadurch kann der gesamte Ablenkwinkel verdoppelt werden, wenn die beiden Zellen im richtigen Winkel gegeneinander verkippt sind (Fig. 11). Den gesamten Ablenkungswirkungsgrad dieser Anordnung erhält man als Produkt der Ablenkwirkungsgrade der beiden Ablenkzellen. Bei einem zu erreichenden Wirkungsgrad von 50% pro Zelle ist der Gesamtwirkungsgrad nur noch 25 %. Bei Hintereinanderschaltung von mehreren solchen Zellen allerdings wird der Gesamtwirkungsgrad sehr

gering, was in vielen Anwendungsfällen von Nachteil ist.

Die Frequenzbandbreite und das damit zusammenhängende sog. Kapazitätsgeschwindigkeitsprodukt von akustooplischen Lichtablenkern (Zahl der unterscheidbaren Ablenkungen pro Unischaltzeit) sind durch die unterschiedliche Schallabstrahlungsleistung der piezoelektrischen Wandler bei verschiedenen Frequenzen und durch die feste Einfallsrichtung (Braggbedingung) begrenzt. Hierdurch wurde die Bandbreite der bekannten akustooptischen Lidnablenker auf höchstens etwa 1 Oktave beschränkt.

Akusiooptische Licruablenker werden dort eingesei/i. wo es auf eine schnelle I ichtablenkung ankommt. Will man nun mit einem Lichtstrahl etwa zur Prolilmessung eine größere Oberfläche abtasten, so sollie die Ablenkmöglichkeit des Lichtstrahls bis zu groLkn Ablenkwinkeln hin gegeben sein, was einer wirksamen Ansteuerungsmöglichkdt des Ablenkkristal K mit einer großen Bandbreite entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieZahl der Ablenkwinkel ohne Einbuße an abgelenkter Lieh (intensität zu steigern und hierzu die Bandbreite auf einen mehr als 1 Oktave umfassenden Bereich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß mehrere füreinander anschließende Frequenzbereiche ausgelegte piezoelektrische Wandler nebeneinander auf dem Schallmedium angeordnet sind. Die Schallfrequenzbandbreite wird auf Werte bis M)O MHz erhöht und der AblenkungswirkungsgfaJ über eifieu giußcicü Bcien.li kuiisiant gehalten.

Die als piezoelektriche Wandler dienenden Kristallplatten werden auf dem Schallmedium, vorzugsweise verkippt, angeordnet, so daß die Richtung des Einfal'.strahls fest bleiben kann.

Die pieroelektrischen Wandler können vorteilhafterweise auch in einem Teilbereich derart angeordnet sein, daß sie gegeneinander verkippt parallel nebeneinander angeordnet sind und dort elektrisch gegeneinander an einem variablen Oszillator angeschlossen sind.

Es ist von Vorteil, die Wandler aus solchen verschiedenen Kristallmaterialien aufzubauen, daß die von den Wandlern ausgestrahlten Schallamplituden einander angeglichen werden.

Außerdem werden die Wandler vorzugsweise so dimensioniert, daß die Frequenzen zusammenfallen, für die bei zwei benachbarten Frequenzen der Ablenkungswirkungsgrad auf die Hälfe des Maximalwertes abgesunken ist. Dann ist nämlich der Ablenkungswirkungsgrad über einen größeren Bereich konstant.

Vorteilhafterweise wird eine Steuervorrichtung einen Oszillator fester Frequenz und einen Oszillator variabler Frequenz aufweisen sowie eine Mischvorrichtung, in der die feste und die variable Frequenz zur Gewinnung der Steuerfrequenzen überlagert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Steuervorrichtung eine Reihe von Oszillatoren aufweist, deren Frequenzen unveränderlich sind und die über elektronische Schalter mit einer Sammelschiene mit einem oder mehreren Wandlern verbunden ist.

Vorteilhafterweise wird zur Vermeidung störender Oberwellen der gesamte Frequenzbereich in Oktaven aufgeteilt, indem die Frequenzen verschiedener Oktaven getrennten Sammelschienen zugeführt werden, die mit Tiefpaßfiltern versehen sind.

Die Wandler sollten mit dem als Schallmediuni verwendeten Kristall, vorzugsweise durch Kallverpressung im Vakuum unter Zwischenlage niedrigschmelzender Stoffe wie Indium, Thalium etc. verbundcn sein.

An Hand der F i g. 1 bis 5 soll die Erfindung naher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen akustooptischen Lichtablenker mit erhöhter Bandbreite,

ίο Fig. 2 zeigt den Gesamtablenkungswirkungsgrad des Mehrwandlerablenkers,

Fig. 3 zeigt einen erlindungsgemäßen Aufbau. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines durchstimmbaren Oszillators,

Fig. 5 zeigt ein Blockschallbild für die digitalisierte Ansteuerung der Wandle.

In der Fig. 1 ist als Schallmedium ein Ablenkkristall 1 aus a-Jodsäure dargestellt, auf dem nacheinander ein Lithiumniobat-Wan^'-'r 2 für einen Schailfrequenzbereich von /, ■- 60 Mi Iz bis f., 120 MHz, ein Bleizirkontitanat-Wandler 3 für einen Schallfrequenzbereich von f., =-- 120MHz bis /., 180MHz und ein I.ithiumsulfat-Wandler 4 für einen Schallfrequenzbereich von /., 180 MHz bis /₄ ^ 250 MHz

angebracht sind. Die drei Wandler 2, 3 und 4 können parallel geschaltet sein und von einem Hochfrequenzoszillator 5 angesteuert werden. Jeder Wandler stellt nämlich ein Bandfilter dar und nimmt nur in seinem jeweiligen Frequenzband elektrische Leistung auf. Die Wandler geben die aufgenommene Leistung an den Ablenkkristall in Form von Ultraschallwellen ab, wobei im Ablenkknstall Verdichtungen 6 entstehen. Der Abstand dieser gezeichneten Verdichtungslinien entspricht den Wellenlängen der Schallwellen. Läuft

nun ein Laserstrahl aus einer fest vorgegebenen Richtung 7 in den Ablenkkristall 1 ein, so wird dieser an den Wellenfronten 6 gemäß der Braggbedingung abgelenkt. Da die drei gezeichneten Wandler 2, 3 und 4 und ihre Schallwellenfronten gegeneinander verkippt sind, wird auch die Reflexionsrichtung verschieden sein. Der einfallende Laserstrahl 7 wird je nach der gerade vorhandenen Schallfrequenz in die Richtung 8, 9 oder 10 umgelenkt. Die Zahl der möglichen Ablenkrichtungen des Laserstrahls hängt von der Zahl der akustooptischen Wandler und von ihren ausnutzbaren Frequenzbandbreiten ab.

Fs kann von Vorteil sein, den Lichtstrahl möglichst schnell über verschiedene Ablenkrichtungen hinwegzuziehen. Der Maßstab für die Leistungsfähigkeit des Lichtablenkers ist das sog. Kapazitätsgeschwindigkeitsprodukt CSP (capacity speed product). Es ist nur von der Bandbreite des Ablenkers abhängig. Es gilt

CSP

Mit dem in der Erfindung beschriebenen Aufbau sind Bandbreiten zwischen 100 und 300 MHz und KapazitätsgeschwindigkeitsproduktR von etwa bis 2 · 10⁸ sek-¹ möglich.

In der Fig. 2 ist der Ablenkungswirkungsgrad η gegen die Frequenz / aufgetragen. Unter diesem Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis von abgelenkter zu einfallender Lichtintensität. Man sieht in der Figur, daß jeder der drei Wandler einen Wirkungsgracl η 1 bzw. η 2 bzw. η 3 hat, der bei den entsprechenden Mittenfrequenzen Z₁ bzw. /₂ bzw. /., einen maximalen Wert hat. Zu beiden Seiten dieser Mittenfrequenzen fallen die Wirkungsgrade ab. Die Mitten-

frequenzen /,, /., und /., liegen soweit auseinander,daß die Wirkungsgrade sich dort schneiden, wo sie um drei dB abgesunken sind. Aus diesen 3 Kurven erhält man einen Gesamtwirkungsgrad η gesamt = η 1 -i-η 2 4- η 3, wie er in der Figur dargestellt ist. Der Wirkungsgrad eines Wandlers hängt von den Daten des Schallmediums, der Lichtwellenlänge des einfallenden Lichtes, den Abmessungen des Wandlers und von der Schalleistung ab. Bei genügend großer Schalleistung läßt sich prinzipiell 100% des eingestrahlten Lichtes ablenken, da bei der Wechselwirkung der Lichtwdlcn mit dem Schallfeld keinerlei Leistung verlorengeht.

An Hand der F i g. 3 soll die Wirkungsweise eines Aufbaus mit vorgegebenen Phasenunterschieden der von den Wandlern abgestrahlten Schallwellen gezeigt werden. Hier ist wieder der als Schallmedium dienende Kristall 1 dargestellt, auf dem die Wandler 2, 3 und 4 parallel nebeneinander angeordnet sind. Mit dem variablen Oszillator 5 sind sie elektrisch gegeneinander angeschlossen, so daß zu einer Zeit, in der der Wandler 3 in einem bestimmten Abstand im Kristall gerade eine Verdichtung 6 hervorruft, von den

Wandlern 2 und 4 um-' verschobene Verdichtungen 7

und 8 erzeugt werden. Die Verdichtungen 6, 7 und 8 lassen sich zu einer einzigen schräg im Kristall verlaufenden VcrdichtungsSinie 9 zusammenfassen. Auf diese Weise entstehen schräg verlaufende um λ verschobene Verdichtungen im Kristall, deren Schräglage von der Oszillatorfrcquenz abhängt.

In der F i g. 4 ist gezeigt, wie mit einem festen und mit einem variablen Oszillator eine variable Ansteuerung der Wandler möglich ist. Darin bedeutet 10 einen Oszillator mit einer festen Frequenz ja und 11 einen variablen Oszillator für dier Frequenzen von jb und /c, wobei jb größer ist als ja. Die zwei Frequenzen werden in 12 gemischt und über einen Tiefpaß 13 für Frequenzen kleiner als je bis ja und über einen Breitbandverstärker 14 den Wandlern zugeführt. Der

ίο Tiefpaß 13 dient dazu, die entstehenden Oberwellen, die die Lichtstrahlablenkung beeinflussen würden, auszuschalten.

Die F i g. 5 zeigt das Blockschaltbild zur digitalisierten Ansteuerung der Wandler. Es sind hier die Oszillatoren 15 und 16 und 17 mit festen Frequenzen /₁₅, /_H. und J₁. durch eine Sammelschiene 22 zu einer ersten Gruppe von Oszillatoren und die Oszillatoren 18, 19, 20 und 21 mit den festen Frequenzen /₁₈, /,„, /._J0 und /₂₁ durch die Sammelschiene 23 zu einer zweiten Gruppe von Oszillatoren so zusammengefaßt, daß in einer Gruppe eine Frequenzoktave enthalten ist. Von einem der Schalteingänge 24 oder 25 kann über Schaltgatter 26 eine gewünschte Frequenz auf eine Sammelschiene geschaltet werden. Dabei entstehen Oberwellen, die von den Tiefpässen 27 bzw. 28 geschluckt werden. Die durchgelassene Frequenz J₁₅, J_n . . . oder /., gelangt dann üDer einen Leistungsbreitban.dverstärker 29 auf die Wandler.

Auf diese Weise kann dann ein gut arbeitendei akustooptischer Lichtablcnker mit erhöhter Bandbreite aufgebaut werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Akustüoptischcr Lichtablenker, bestehend aus einem als Schallmedium dienenden Kristall, der über einen piezoelektrischen Wandler mit Ultraschall angeregt wird und der einen etwa parallel zu den Schallwellenfronten einfallenden Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Schallfrequenz umlenkt, sowie aus einer Steuervorrichtung, die den piezoelektrischen Wandler mit einer steuerbaren variablen Frequenz versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere für einander anschließende Frequenzbereiche ausgelegte piezoelektrische Wandler nebeneinander auf dem Schallmedium angeordnet sind.

2. Akustooptischer Lichtablenker nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrische Wandler Kristallplatten auf dem Schallmedium verkippt angeordnet sind.

3. Akustooptischer Lichtablenker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teilbereich nicht gegeneinander verkippt, sondern parallel nebeneinander piezoelektrische Wandler angeordnet sind, die dort elektrisch gegeneinander an einen variablen Oszillator angeschlossen sind.

4. Akustooptischer Lichtablenker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler aus solchen verschiedenen Kristalir>.ateria^i:en bestehen, daß die von den Wandlern ansgestrahlten Schallamplituden einander angeglichen wc den.

5. Akustooptischer Lichtablenker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler so dimensioniert sind, daß die Frequenzen zusammenfallen, für die bei zwei benachbarten Frequenzen der Ablenkungswirkungsgrad um die Hälfte des maximalen Wertes abgesunken ist.

ό. Akustooptischer Lichtablenker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung einen Oszillator fester Frequenz und einen Oszillator variabler Frequenz aufweist, sowie eine Mischvorrichtung, in der die feste und die variable Frequenz zur Gewinnung der Steuerfrequenz überlagert wird.

7. Akustooptischer Lichtablenker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine Reihe von Oszillatoren aufweist, deren Frequenzen unveränderlich sind, und die über elektronische Schalter mit einer Sammelschiene mit einem oder mehreren Wandlern verbunden ist.

8. Akustooptischer Lichtablenker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Frequenzbereich in Oktaven aufgeteilt ist und die Frequenzen verschiedener Oktaven getrennten Sammelschienen zugeführt werden, die mit Tiefpaßfiltern versehen sind.'