DE2117326A1 - Akusto-optische Licht ablenkvorrichtung - Google Patents

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Akusto-optische Lichtablenkvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Strahlablenkung und insbesondere eine Vorrichtung für Ultraschallablenkung von Licht, bei der Lichtstrahlen und Ultraschallwellen durch ein Einkristall abl enkmedium laufen.

Es wurde bisher in großem Umfang ein mechanischer Ablenker verwendet, der darin bestand, daß ein Prisma oder ein Spiegel mechanisch in Schwingung oder Drehung versetzt wurde, wodurch ein einfallender optischer Strahl räumlich abgelenkt wurde. Solche Ablenker haben jedoch den Nachteil, daß, da sie mechanisch bewegliche Teile besitzen, bei langem Gebrauch

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die Stabilität und die Zuverlässigkeit der Ablenkung abnehmen, und weiter, daß es nicht möglich ist, den abgelenkten Lichtfleck mit einer merklich erhöhten Geschwindigkeit wandern su lassen.

Als Alternative wurden in den letzten Jahren verschiedene Ablenker vorgeschlagen, die den elektro-optisehen Effekt von Einkristallen oder den akusto-optischen Effekt, der auf" durch diese durchlaufenden Ultraschallwellen beruht, ausnützen. Die erste Art von Ablenker hat ein ablenkendes Element, das aus einem elektro-optisehen Kristall und einem doppelbrechenden Prisma besteht, und bei der Verwendung von einem Element im wesentlichen nur zwei ablenkende Punkte verwirklicht« Demgemäß ist es erforderlich, viele Elemente in dem Ablenker anzuordnen, um eine große Zahl von ablenkend en Punkten zu erhalten, was zur Folge hat, daß die praktische Verwendung wirtschaftlich schwierig wird. Die zweite Art vcu Ablenker besteht dagegen in der Hauptsache aus einem optischen Medium, das für das verwendete Licht transparent ist, auf dessen Oberfläche ein elektromechanischer Wandler aufgedampft ist, oder höchstens aus zwei optischen Medien, die Wandler aufweisen, wodurch der Lichtstrahl in zwei Dimensionen abgelenkt werden kann. Demgemäß bietet die zweite Art von Ablenkern wirtschaftliche Vorteile und kann kompakte Vorrichtungen liefern. Diese Art von Ablenkerrr war bisher jedoch noch mit einem Problem bei der Auswahl des Materials behaftet, das als optisches Medium verwendet werden soll·

Ein Medium für akusto-optische Lichtablenkung, die die Wechselwirkungserscheinungen von Lichtstrahlen u id infraschallwellen ausnützt, erfordert zwei äußerst wichtige Bedingungen:

1. Die akusto-optische Güte M muß groß sein?

2. Der akustische Schwächungskoefflslent muß klein sein»

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Um weiter die Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines abgelenkten Lichtstrahls zu erhöhen, ist es wünschenswert, daß die akustische Phasengeschwindigkeit groß ist.

Die oben genannte akusto-optische Güte. M ist durch die folgende Gleichung definiert:

M = n⁶p²/p v³

wobei η der Brechungsindex des optischen Mediums ist, ρ seine photoelastische Konstante, ο seine Dichte und
ν die oben erwähnte akustische Phasengeschwindigkeit.

M ist ein Maß für die Itensität der abgelenkten Lichtstrahlen in Bezug auf die Ultraschallwellen mit einer bestimmten akustischen Leistung, d.h. für den Ablenkwirkungsgrad.

Ein flüssiges Medium ist im allgemeinen dadurch gekennzeichnet, daß sein Wert von M wegen seiner kleinen akustischen Phasengeschwindigkeit ν und seiner großen photoelastischen Konstante ρ groß ist. Es ist jedoch aus verschiedenen Gründen schwierig, eine flüssige Substanz als ein Medium für die Ultraschallablenkung von Licht in einer praktischen Vorrichtung zu verwenden: Ihr akustischer Schwächungskoeffizient ist groß; eine Störung der Flüssigkeit an sich wird durch Ultraschallwellen mit großer akustischer Leistung verursacht; und sie ist in der Stabilität bei Temperaturänderungen und langem Gebrauch unterlegen. Es wurde jedoch Wasser, eine typische Flüssigkeit, oft in Experimenten dieser Art

—18 3 verwendet, und sein M-Wert, das ist 126 χ 10 Sek. /g wird als Zielwert für ein festes Medium für akusto-optische Ablenkung von Licht betrachtet.

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Eine feste Substanz ist am meisten als Medium für akustooptische Ablenkung geeignet, da ihre Stabilität im Langzeitbetrieb gut und ihr akustischer Schwächungskoeffizient im allgemeinen klein ist. Es ist jedoch noch keine feste Substanz bekannt, deren M-Wert gleich oder größer als der von Wasser ist. Für den Zweck, die Ablenkgeschwindigkeit zu erhöhen, ist es bevorzugt, longitudinale Ultraschallwellen zu verwenden, die sich mit hoher Geschwindigkeit durch das feste Medium fortpflanzen. Als höchst wirkungsvolle Medien für die Verwendung von longitudinalen Ultraschallwellen werden Bleimolybdat PbMoO₄ und Tellurdioxid TeO_ beide in Form von Einkristallen verwendet. Jedoch der M-Wert jeder dieser Medien ist etwa 35 (x i
Wasser.

—38 3

35 (x iO"~ see. /g) und ist nicht mehr als 1/3 dessen von

Ziel der Erfindung ist es,ein festes Medium für akusto-optische Lichtablenkung, die die Wechselwirkung von Lichtstrahlen und longitudinalen Ultraschallwellen ausnützt, über einen "weiten optischen Wellenlängenbereich vom sichtbaren bis zum infraroten zur Verfügung zu stellen. Weiter soll dieses Medium einen hohen M-Wert und andere ausgezeichnete physikalische Eigenschaften haben. Ein solches Medium soll verschiedene Wirkungen zeigen, wenn man Lichtstrahlen und Ultraschallwellen jeweils in verschiedenen Richtungen durch dieses durchtreten läßt.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem ein Einkristall von Bleimolybdat Pb₃MoO₅, das ist 2PbO-MoO₃, verwendet wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert, wobei bevorzugte Ausführungsformen als Beispiele näher beschrieben werden.

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Fig. 1 ist eine erläuternde perspektivische Darstellung der geometrischen Beziehung zwischen den kristallographischen Achsen und den optischen Elastizitätsachsen des Di-Blei— Molybdat-Einkristal1s .

Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung für eindimensionale akusto-optische Lichtablenkung, die ein Einkristallmedium verwendet.

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer anderen Vorrichtung für zweidimensionale akusto-optische Lichtablenkung, die zwei Einkristallmedien verwendet.

Erfindungsgemäß wird ein Einkristall aus Di-Bleimolybdat mit der chemischen Zusammensetzung PbpMoO,-, d.h. 2PbO.MoO^, als Medium verwendet, das die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwellen und einem Lichtstrahl ermöglicht. Dieser Einkristall ist in chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur von dem von Bleimolybdat PbMoO₄, d.h. PbO'MoO- verschieden, der als Medium dieser Art bekannt ist. In Bezug auf das Kristallsystem gehört Bleimolybdat zum tretragonalen System, während Di-Bleimol ybdat zum monoclinen System gehört. Ein Einkristall von Di-Bleimolybdat mit den groben Abmessungen von etwa 10 mm χ 10 nun χ 10 mm kann durch ein Verfahren hergestellt werden, welches das Mischen von zwei Molteilen von Bleimonooxyd PbO mit einem Molteil Molybdän-Tdoxyd jedes in Pulverform, das Schmelzen des erhaltenen Gemischs bei einer Temperatur von über 960⁰C in einem Platintiegel oder ähnlichem und das Wachsen eines Einkristalls aus Di-Bleimolybdat aus der geschmolzenen Verbindung durch das sogenannte Ziehverfahren umfaßt. Das spezifische Gewicht dieses Einkristalls ist 7,1 und er ist transparent für Licht mit Wellenlängen im Bereich von 340 m ,u bis wenigstens 2,5 ,u. Die kristallographischen Eigenschaften dieses Einkristalls werden unter Bezug auf Fig. 1 erläutert.. Von den Kristallachsen a, b und c dieses Kristalls ist die

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Achse b parallel zu einer einzigen zweifachen Rotationsachse dieses Kristalls gelegt und die Achsen a und c sind senkrecht zu dieser Achse b gelegt· Die Abmessungen der Einheitszelle dieses Kristalls und der axiale Winkel $ (der Winkel zwischen den Achsen a und c) sind folgende: a = 14,225 A, b =* 5,789 A, c = 7,336 S; $= 1,14,0°. »Die Richtungen dieser Achsen können leicht und eindeutig mit Hilfe von Röntgenstrahlbeugungsfotographien bestimmt werden, wenn man berücksichtigt, daß die

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Raumgruppe dieses Kristalls C ₂_ ist, d.h. 21m.

In Fig. 1 ist die Achse b senkrecht zur Zeichenebene. Dieser Kristall hat eine ziemlich vollkommene Spaltebene parallel zur

* Achse b. Die Linie ß bedeutet einen Ort dieser Spaltebene in

der a-c-Ebene. Der Index der Spaltebene ist (201) entsprechend der oben angegebenen Definition der drei Achsen. Im allgemeinen sind die optischen Eigenschaften eines Kristall es durch die Richtungen und Abmessungen seiner Hauptachsen des Index-Ellipsiods, X, Y und Z bestimmt. Der Einkristall des Di-Bleimolybdats gehört wie oben erwähnt kristallographxsch zum monoclinen System. Nach den allgemein anerkannten Definitionen werden die Brechungsindices für die Lichtwellen, die in einer Ebene parallel zu den X, Y und Z-Richtungen polarisiert sind, als Nx, Ny bzw. Nz bezeichnet und die Richtungen, für die Werte von Nx, Ny und Nz festgestellt werden, werden als X, Y

\ und Z-Achsen des Kristalls definiert. Die so definierte Y-Achse

ist parallel zur einzigen zweifachen Rotationsachse, d.h. zur Achse b. Die Achsen X, Y und Z schneiden sich gegenseitig dreidimensional in rechten Winkeln und die Beziehung zwischen diesen Achsen und den Kristallachsen a, h und c sind in Pig. I gezeigt. Der Winkel zwischen der gestrlehielten Linie C- und der X-Achse ändert sich leicht je nach der Meilenlänge des Lichtes, wobei der Winkel 26° für Licht mit einer Wellenlänge von 6328Ä* ist· Die Richtungen der X und Z-Achsen können

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leicht unter einem Polarisationsmikroskop mit einem Lichtstrahl, der längs der Achse b auf den Kristall auftrifft, festgestellt werden.

Durch einen solchen Einkristall von Di-Bleimolybdat kann eine longitudinale Ultraschallwelle längs einiger bestimmter Richtungen geschickt werden. Andererseits wird ein polarisierter Lichtstrahl durch den Kristall in eine geeignete . Richtung geschickt, so daß der bestimmte Lichtstrahl durch akusto-optische Wechselwirkung mit der bestimmten Ultraschallwelle abgelenkt wird.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung für Ultraschallablenkung von Licht gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 2 erläutert.

In Fig. 2 ist 1 ein Medium für die Lichtablenkung, d.h. ein Einkristall aus Di-Bleimolybdat mit einer kubischen Gestalt und Abmessungen von etwa 10 mm χ 10 mm χ 10 mm. Eine Oberfläche des Mediums 1, durch welche die Ultraschallwellen geschickt werden sollen, ist mit einer Eingangselektrode 2 nahezu über die ganze Oberfläche beschichtet. Auf dieser Elektrode ist ein elektro-akustischer Wandler 3 aufgebracht. Der Wandler ist ein Einkristall aus z.B. Quarz oder Lithiumniobat von 5 mm Seitenlänge und einer Dicke, die geeignet ist, um eine gewünschte akustische Frequenz zu erzeugen. Anstelle eines solchen Einkristalls, der auf das Medium aufgekittet ist, kann Kadmiumsulfid oder Zinkoxyd durch Vakuumverdampfen abgeschieden werden, um so ein Wandler element auf dem Medium zu erzeugen. Eine Hochfrequenzantriebsschaltung 4 ist zwischen die zweite Elektrode an dem Wandler 3 und die Eingangseiektrode 2 geschaltet, wodurch ein gewünschtes elektrisches Signal mit einer Frequenz von 1 MHz bis 1 GHz erzeugt werden kann. Ein

akustischer Absorber 5, der die Ultraschallwellen absorbiert, die durch das Medium laufen, ist an der andern Oberfläche des

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Mediums 1 gegenüber der Eingangselektrode 2 befestigt. Ein Lichtstrahl 6 wird durch das Medium in einer Richtung parallel zu der Wellenfront der Ultraschallwelle oder um höchstens einige Grad schräg dazu geschickt.

In der so aufgebauten Vorrichtung wird ein elektrisches Eingangssignal von der. Hochfrequenzantriebsschaltung 4 durch den Wandler 3 in eine longitudinale Ultraschallwelle umgewandelt, die sich durch das Medium 1 fortpflanzt. Die sich fortpflanzende Ultraschallwelle verursacht eine leichte Änderung im Brechungsindex des Mediums infolge des fotoelastischen Effektes, wodurch ein optisches Phasengitter durch die periodische Änderung des Brechungsindex gebildet wird. Die Richtung des Gitters ist parallel zur Wellenfront der Ultraschallwelle. Ein Lichtstrahl 6, der auf das so gebildete optische Phasengitter mit einem bestimmten Winkel fällt, wird teilweise oder vollständig um einige Winkelgrad von der Richtung des einfallenden Strahls abgelenkt. Als Regel gilt, der Ablenkungswinkel ist ungefähr proportional der Frequenz der Ultraschallwelle in dem Medium 1. Daher kann die räumliche Lage des abgelenkten Lichtstrahls durch Verändern der Frequenz des elektrischen Signals, das dem Wandler 3 von der Hochfrequenzantriebsschaltung 4 zugeführt wird, geändert werden.

Wenn eine so aufgebaute Vorrichtung verwendet wird, kann das oben erwähnte M, d.h. die akusto-optische Güte, die den Wirkungsgrad der Ablenkung darstellt, verschiedene Werte je nach den Kombinationen von Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle und des Lichtstrahls und dessen Polarisationsrichtung annehmen. Verschiedene Beispiele solcher Kombinationen sind in Tabelle 1 gezeigt. In der Tabelle bezeichnet Z¹ eine Riehtung senkrecht zu dem Ort der Spaltebene 1, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Zu X, Y und Z wurden die Erläuterungen oben im Zusammenhang mit Fig. 1 gegeben.

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	Longitudinale c stische Welle	Tabelle 1	2,	Optische Welle	Y	*	Güte M (XlO-18
		2,	Ausbrei- Polarisa- tungsrich- tions- tung ri chtg.	X		see /g)
Kombi-" nations- nr.	aku—	3,	Z	Z	127
1	Ausbrei- Geschwin- tungsrich- digkeit tung (xlO^cm/s)	3,	Z	Z	60
2	X	,96	Y	65
3	X	,96	Y	74
4	Z	,28
	Z»	,05

X, Y bzw. Z bedeuten die Richtungen der Hauptachsen des Indexellipsoids für eine Lichtwellenlänge von 6328 A*. Die Richtungen würden sich leicht ändern, wenn verschiedene optische Wellenlängen verwendet würden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, daß Abweichungen von diesen Richtungen um weniger alseinige Winkelgrad von den Richtungen X, Y und Z keine Änderung im M-Wert verursachen.

Die in Tabelle 1 gezeigten Werte von M sind zwischen 60 und

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(xl0~ see /g) und sind ungefähr 2 oder 3 mal so groß wie der

-ι ρ ο

M-Wert 37 (xlO see /g) des bekannten PbMoO.-Einkristalls oder 35 (xl0~ see /g) des bekannten TeOp-Einkristalls. Insbesondere in Kombination Nr. 1 ist der M-Wert 127, was nahezu gleich dem oben erwähnten M-Wert des Wassers ist. Das heißt, in Bezug auf die Wirksamkeit für akusto-optische Lichtablenkung ist der Einkristall von Di-Bleimolybdat besser als irgendein bekanntes Einkristallmedium. Weiter ist der akustische Absorptionsgrad des erfindungsgemäßen Einkristalls etwa 2,5 dB/cm bei der akustischen Frequenz von 200 MHz. Das heißt, daß die Verwendung von Hochfrequenzultraschallwellen bis zu --.Inigen 100 MHz möglich ist, wenn eine akustische Absorption

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Ms zu einigen dB/cm toleriert werden kann, und so ist eine Breitbandablenkung möglich gemacht. Wenn zum Beispiel eine Hochfrequenz-Ultraschallwelle von 500 MHz verwendet wird, kann polarisiertes Licht auf etwa 200 auflösbare Punkte abgelenkt werden.

Es wird aus der akustischen Wellengeschwindigkeit im Medium abgeschätzt, daß, wenn das erfindungsgemäße Einkristallmedium verwendet wird, eine Vorrichtung geschaffen werden kann, welche das einfallende Licht von einer Richtung zur anderen innerhalb von 1 bis 2 Mikrosekunden ablenken kann. Diese Vorrichtung macht es möglich, eine Ablenkgeschwindigkeit zu er-" reichen, die mehrfach so schnell ist, wie die durch ein TeO,,-

Einkristallmedium erreichte, wobei transversale Ultraschallwellen mit niedriger Geschwindigkeit verwendet werden.

Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zur Ultraschallablenkung von Licht ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Ausführungsform stellt eine Vorrichtung dar, in der zwei Einheiten von Einkristallmediumvorrichtungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, so kombiniert sind, daß die Fort-Pflanzungsrichtung der akustischen Wellen in der einen Vorrichtung senkrecht zu der in der anderen Vorrichtung ist. Ein polarisierter Lichtstrahl 6 wird vertikal durch das erste ) Kristallmedium 1 abgelenkt, die Ebene der Polarisation dieses

abgelenkten Lichtstrahls wird um 90° durch eine Halbwellenplatte (.X/2-Platte) 8 gedreht, und danach wird der Lichtstrahl durch das zweite Kristallmedium 11 geschickt, wo der Strahl zusätzlich horizontal abgelenkt wird. In Fig. 3 ist 12 die Eingangselektrode, 13 ein elektro-alcustischer Wandler, 14 ein Hochfrequenzantriebskreis und 15 ein akustischer Absorber.

Wie oben erläutert wurde, kann der Winkel der vertikalen Ablenkung durch Einstellen der Frequenz des Hochfrequenzantriebs-

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kreises 4 und der Winkel der horizontalen Ablenkung durch Einstellen der Frequenz des Hochfrequenzantriebskreises 14 gesteuert werden. So können zweidimensionale Ablenkungen der verschiedensten Arten, wie zum Beispiel für Analogabtasten, Digitalablenkung usw., durchgeführt werden, indem synchronisierende, frequenzteilende oder frequenzvervielfachende Einrichtungen eingesetzt werden und/oder ein geeignetes Modulationssystem zwischen die zwei Hochfrequenzantriebsschaltungen eingesetzt wird.

In dieser Ausführungsform ist die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle in jedem Einkristallmedium 1 und 11 aus dem in der Tabelle 1 aufgeführten ausgewählt und diese zwei Richtungen können gleich oder verschieden sein unter der einzigen Bedingung, daß die zwei Medien räumlich so angeordnet sind,» daß diese zwei Richtungen senkrecht zueinander sind.

Wie erläutert wurde, kann eine Lichtablenkung mit hoher Geschwindigkeit mit hoher Ablenkwirkung durchgeführt werden und eine große Anzahl von auflösbaren Punkten kann über einen weiten Bereich von optischen Wellenlängen vom Infraroten bis zum Sichtbaren durch Verwenden der erfindungs gern äßen Vorrichtung erhalten werden'.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   l._v Vorrichtung zur akusto-optischen Lichtablenkung mit einem lichtablenkenden Einkristallmedium, mit einer Einrichtung zum Durchschicken von longitudinalen Ultraschallwellen durch dieses Medium in einer vorbestimmten Richtung, und mit einer Einrichtung zum Durchschicken eines Lichtstrahls durch dieses Medium in einer vorbestimmten Richtung, so daß eine akusto-optische Wechselwirkung des Lichtstrahls mit der UltraschalIwelIe in diesem Medium bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einkristall von Di-Bleimolybdat, das ist 2PbO-MoO₃, als lichtablenkendes Medium verwendet wird«

   .2. . Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung der longitudinal en akustischen Welle", parallel zur Haupt-X-Achse des Indexellipsoids des Einkristallmedi.ums ist, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur Haupt-Z-Achse dieses Ellipsoids ist, und daß die Polarlsationsrichtung der optischen Welle im wesentlichen parallel zur Haupt-Y-Achse des Ellipsoids ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbrextungsrxchtung der longitudinalen akustischen Welle parallel zur Haupt-X-Achse des Indexellipsoids des Einkristallmediums ist, daß die Ausbrextungsrxchtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur Haupt-Z-Achse des Ellipsoids ist, und daß die Polarisationsrichtung der optischen Welle im wesentlich parallel zur Haupt-X-Achse des Ellipsoids ist.

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   ORIGINAL INSPECTED

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung der longitudinalen akustischen Welle parallel zur Haupt-Z-Achse des Indexellipsoids des Einkristallmediums ist, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur.Haupt-Y-Achse des Ellipsoids ist, und daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur Haupt-Z-Achse des Ellipsoids ist·

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung der longitudinalen akustischen Welle senkrecht zur einzigen Spaltebene (201) des Einkristallmediums ist, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur Haupt-Y-Achse des Indexellipsoids ist, und daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur Haupt-Z-Achse des Ellipsoids ist.

   6· Vorrichtung zur zwei dimension al en akusto-optischen Lich'tablenkung mit zwei lichtablenkenden Medien aus Di-Blei— molybdat-Einkristall, mit Einrichtungen zum Durchschicken von Ultraschallwellen durch jedes Medium in einer geeigneten Richtung, mit einer Halbwellenplatte (λ /2-Platte) zum Drehen der Polarisationsebene des Lichtstrahls nach dem Durchtritt des ersten Mediums, welches sich zwischen den zwei ablenkenden Medien befindet, und mit einer Einrichtung zum Durchschicken eines Lichtstrahls durch diese zwei Medien in Reihe, um eine akusto-optische Wechselwirkung des Lichtstrahls mit der Ultraschallwelle in jedem dieser Medien zu verursachen, wodurch der Lichtstrahl, der durch das erste Medium in bestimmte Richtungen abgelenkt ist, durch das zweite Medium in geeignet gedrehte Richtungen wieder abgelenkt vd.rd.

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