DE2120123A1

DE2120123A1 - Akusto optischer Modulator

Info

Publication number: DE2120123A1
Application number: DE19712120123
Authority: DE
Inventors: Roger Meudon la Foret Torguet (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-04-24
Filing date: 1971-04-24
Publication date: 1971-11-04
Also published as: GB1350821A; FR2088797A5; NL7105490A; US3731231A

Description

Djpl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Hauser βοοό München eo, 2.5.April 19 Π Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Erntb.r_e.r.tra,i.i9

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth MGndien

Telefons 83 15 10 PosbchedckontO! München 117078

Unser Zeichen: T 1025

THOMSON-CSF

101, Bd.Murat,

Paris 16eme, Frankreich

Akusto-optischer Modulator

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtmodulatoren, die ein paralleles monochromatisches T> ic ht bündel in ein heterogenes Bündel umformen können ₉ dae in seinem Querschnitt mehrere getrennte Bereiche aufweist, deren Lichtjntensitäten ungleiche V/erte haben. Eine solche räumliche Amplitudenmodulation kann insbesondere dadurch erhalten werden, daß ein paralleles Lichtbündel von gleichförmiger Intensität mit Hilfe einer licht undurchlässigen Maske abgefangen wird, in die eine Öffnung beliebiger Form eingeschnitten i3t. Wenn jedoch die Notwendigkeit besteht, ein Lichtbündel optisch zu modulieren, damit eine große Anzahl von Formen erhalten werden kann, die sehr schnell aufeinanderfolgen a

können, ist die Verwendung eines Satzes von austauschbaren Masken nicht anwendbar. Dieser Fall tritt insbesondere dann auf, wenn es sich darum handelt, übliche Zeichen unter der Steuerung durch elektrische). Signale, die von einom Date nverar bei turjg3 system geliefert werden, anzuzeigen ο der zu drucken.

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Es ist bereits die Verwendung von· elektro-optischen Modulatoren mit Flussigkristalleη in Betracht gezogen worden, damit Schriftzeichen synthetisch mit Hilfe eines Mosaiks von geeigneten Modulator ze He η gebildet werden, doch ist die Ansprechzeit dieser Systeme für die Erzielung der gewünschten Polgefrequenz der Anzeige oder des Abdrucks immer noch zu groß·

Nach der Erfindung ist ein akusto-optischer Modulator zur Umwandlung eines parallelen monochromatischen kohärenten Lichtbündels in ein gebeugtes Lichtbündel, das in der Querrichtung eine Amplitudenverteilung aufweist, die aus getrennten Bereichen besteht, in denen sich die Helligkeit unter der Einwirkung von elektrischen Steuersignalen ändert, dadurch gekennzeichnet, daß das parallele Bündel im Innern eines Blocks aus einem doppelbrechenden Material in einer Bezugs richtung gebrochen wird, die senkrecht zu einer Fläche des Blocks steht, die eine Anzahl von elektromechanischen Wandlern trägt, die in der Lage 3ind, Ultraschallenergie bündel parallel zu der Bezugsrichtung auszusenden, daß elektrische Einrichtungen zur Erregung der Wandler mit Hilfe einer Wechselspannung vorgesehen sind, deren Amplitude sich in Abhängigkeit von den elektrischen Steuersignalen ändert, daß sich das gebeugte Bündel im Innern des Blocks parallel zu der Bezugsrichtung mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit fortpflanzt, die von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des parallelen Bündels verschieden ist, und da3 die Frequenz der Wechselspannung so gewählt ist, daß die Wellenzahlen kT , kT bzw. iTder in dem parallelen Büädel, in dem gebeugten Bündel bzw. in dem Ultraschallbündel enthaltenen Wellen im Innern des Blocks die Vektorgleichung erfüllen.

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Auaführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1'eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels, des erfindungsgemässen Modulators,

Fig.2 eine Seitenansicht einer; anderen Aus führungs form des Modulators von Fig.1,

Fig.3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführung3form des Modulators von Fig.1 und

Fig.4 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Modulators.

Fig. 1 zeigt einen Block 1 aus doppelbrechendem Material mit einer vertikalen Z-Achse und einer ebenen Grundfläche, die zu der XY-Ebene des Rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystems parallel 1st. Als Beispiel ist angenommen worden, daß der Block 1 so geschnitten ist » daß seine neutralen Linien mit den Winkelhalbierenden der X-Achae und der Y-Achse zusammenfallen. Die Grundfläche des Blocks 1 ist mit einer leitenden Elektrode 5 überzogen, deren Oberseite reflektierend ist. Unter der Elektrode 5 ist ein Mosaik a*te elektromechanischen Wandlern befestigt. Jeder dieser Wandler enthält außer der gemeinsamen Elektrode 5 ein piezoelektrisches Plättchen 6 und eine zweite Elektrode Die Elektroden 5 und 7 sind über ein Schaltungselement 8 mit gesteuerter Stromführung an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Unter der Wirkung einer Steuerspannung V_n, die an die Steuerelektrode des Schaltungselements 8 (Fe.ldeffekttransistor) angelegt wird,empfängt der Wandler 5, 6, eine elektrische Erregung, die bewirkt, daß er in den Block e in vertikales Ultraschallbündel abstrahlt. Die Energie dieses Bündels ist in dem Volumen 11 enthalten, das als Grundfläche die Oberseite EFGH des Wandlers und als Deck- ■ fläche den Abschnitt ABCD der Oberseite des Blocks 1 hat.

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Die Oberseite des Blocks 1 ist um einen Winkel θ gegen die XY-Ebene geneigt and empfängt ein schräg einfallendes kohärentes monochromatisches paralleles Lichtbündel 2. Dieses L icht bund el ist in Fig.1 durch einen darin enthaltenen Lichtstrahl KO und durch seinen elektrischen Vektor ST dargestellt. Der Einfallswinkel des Strahls KO in Bezug auf die Normale ON auf die Oberseite des Blocks ist so bemessen, daß der Strahl im Innern des Blocks 1 parallel zu der Z-Achse gebrochen wird. In iig.1 ist als Beispiel angegeben, daß der Vektor ET senkrecht zu der Einfallsebene KON und parallel zu der dem größeren Brechungsindex entsprechenden neutralen Linie des doppelbrechenden Materials gerichtet ist. Die gebrochene Licht welle pflanzt sich vertikal in der Richtung der vom Wandler 5, 6, 7 erzeugten Ultraschallwelle fort. Die Wellenzahlen sind mit ΈΤ für die Lichtwelle und mit K** für die Schallwelle angegeben. Die Erfahrung zeigt, ö.aß die Wechselwirkung der Wellen mit den Wellenzahlen k^" und ΪΓ in dem doppelbrechenden Material eine gebeugte Lichtwelle 3 entstehen läßt, die einen elektrischen Vektor IT hat, der entlang der neutralen Linie des doppelbrechenden Materials gerichtet ist, deren Richtung eilen Winkel mit dem Vektor S bildet. Die von den Ultraschallschwingungen induzierte gebeugte Lichtwelle hat eine Wellensahl kT , welche die folgende Vektor gleichung erfüllt:

mit k₄ = -™i ; TT = ^α ■ ^v - **"

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Darin sind a^ die Kreisfrequenz und C die P^asengeschwindigkeit der gebrochenen einfallenden L ichtwelle, w_ä die Kreis frequenz und O" die Phasengesehwindigkeit der gebeugten Lichtwelle, und Λ die Kreisfrequenz und v_ die Phasengeschwindigkeit der Schallwelle in dem doppelbrechenden Medium.

Die gebeugte lichtwelle 3 pflanzt sich in dem Block in der gleichen Richtung wie die einfallende Welle fort. Die beiden Lichtwellen werden daher an der Unterseite des Blocks 1 reflektiert und gehen parallel zur Z-Achse wieder nach oben. Da die Phaeengeschwitodigkeiten C¹ und C" verschieden sind, tritt die Welle mit dem elektrischenVektor ST aus dem Block 1 in der Richtung OK aus, während die andere Lichtwelle in der Richtung OL austritt. Ein Beobachter kann daher den Lichtstrahl OL der induzierten Lichtwelle getrennt empfangen, wenn der Wandler eine Ultraschallwelle ausstrahlt. Der Wandler und das doppelbrechende Medium verhalten sich wie ein Spiegel, dessen Reflexionsvermögen beim Fehlen einer Ultraschallerregung Null ist und beim Vorhandensein der Ultraschallerregung groß ist. Der Effekt der induzierten optischen Reflexion entsteht im Innern des Querschnitts des Ultraschallbündels. Dieser Querschnitt entspricht im wesentlichen der Strahlenden Fläche EFG-H den Wandlers, denn die Querabraessungen des Wandlers sirdgroß gegen die Wellenlänge der in den Block 1 abgestrahlten Ultraschallwellen. In Fig.1 ist zu erkennen, daß mehrere Wandler so angeordnet sind, daß die von ihnen ausgesendeten Ultraschallbündel sich gegenseitig nicht stören. Diese Ausbildung ermöglicht es, die Lichtwelle dadurch räumlich zu modulieren, daß bestimmte Wandler des Mosaiks zur Bildung einer leuchtenden Darstellung eines Buchstabens oder einer Ziffer erregt werden. Die Oberseite dos Blbcks 1 steht in einem Winkel θ

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zu der Grundfläche . so daß die reflektierten Ultraschallwellen von der parallel zur Z-Achse liegenden Richtung abgelenkt werden. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich die Wechselwirkung fortsetzt, nachdem die Ultraschallbündel auf die Oberseite des Blocks 1 aufgetroffen sind. Die Erfahrung zeigt, daß die Wechselwirkungsdauer, die für eine Reflexion des Hauptteils der Lichtwelle erforderlich ist, in der Größenordnung von einer Mikrosekimüe liegte wenn die elektrische Erregungsleistang eines Mosaiks aus 35 Wandlern auf 1 Watt festgelegt wird. Durch diese typische Dauer ist die Höhe äes Blocks 1 festgelegt, da die Geschwindigkeit Y der Ultraschallwellen bekannt ist.

Der Block 1 kann beispielsweise aus einem Quarzkristall geschnitten sein, ebenso wie die Wandlerpiättchen 6. Ein Iiichtbündel mit einer Wellenlänge X = 0,6323 μ wird in der richtigen Weise reflektiert» wenn ein Weeiiselspannungsgenerator 9 osit einer Frequenz von etwa 48 MHz verwendet wird.

Da die Ausbreitungsgeschwindigfceit der Ultraschallwelle sehr viel kleiner als diejenige des Lichts ist, erhält man leicht die Kreis frequenz Sl der vom Wechselspannungsgenerator gelieferten Spannung. Die Kreisfrequenz ω ·, der gebeugten Lichtwelle iet nämlich ebenso wie die Kreisfrequenz u. durch die Wahl der Lichtquelle festgelegt·?

Die Wahl des dοppelbrechenden Materials legt die Werte C^s, C" und v_ fest, woraus durch Anwendung der vorstehenden Formeln die Kreisfrequena jCL erhaltet! wird«.

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Der optische Modulator von Fig.1 arbeitet unabhängig von der Art der ausgesendeten Ultraschallwellen, doch zeigt die Erfahrung, daß es vorteilhaft ist, Ultraschall Seher ungBwelleη anzuwenden. Das vorstehende Zahlenbeispiel gilt für den Fall, daß gilt:

wie in Fig.1 gezeigt ist, doch ist der Betrieb der Vorrichtung auch möglich, wenn die allgemeine Vektorgleichung

für andere Kombinationen von WeI Ie η zahlen IcT , IcT und ΊΓ erfüllt ist.

Der optische Modulator von Fig.1 ermöglicht in Verbindung mit einem Laser die Bildung von leuchtenden Schriftzeichen, wie die Oberansicht von Fig.4 zeigt. Diese Darstellung zeigt ein Mosaik: von Wandlern, das aus sieben Zeilen mit fünf Spalten besteht. In Fig.4 sind die Elektrode und die die Orte der Wandler bestimmenden Elektroden 7 gezeigt. Es wird angenommen, daß die schraffierten Quadrate diejenigen Wandler darstellen, die zur Bildung

des Leuchtbuehstabens "M" strahlen. Es versteht sich J

von selbst, daß die Anzahl, die Form und die Ausbildung der Wandler von dem in Fig.4 gewählten Schema sehr verschieden sein können.

Fig.2 zeigt eine erste Abänderung der Ausbildung des Wandlers von Fig.1. In dieser Seitenansicht sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.1 verweudet, wobei eines d er Ultra 3 cha 1 !bündel schraffiert ist, damit sein Weg im Innern des Blocks 1 gezeigt wird. Die Oberseite

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flea Blocks 1 besitzt eine schräge Eintrittsfläche PQ und eine schräge Austrittsfläche PM. Der Winkel ß, den äie Normale ON mit der Vertikalen bildet, ist der Brewster-Winkel. Der Vektor IT* des einfallenden Lichtbündels liegt in der Einfallsebene. Der elektrische Vektor E, des gebeugten lichtbündels steht senkrecht zu der Einfallsebene und parallel zu einer der neutralen linien des doppelbrechenden Materials. Die einfallende Welle wird im Block 1 in der radikalen Richtung gebrochen und nimmt nach Reflexion an der Fläche 5 den umgekehrten Weg , um durch die Fläche PQ auszutreten. Der elektrische Vektor ET der vom Ultraschal !bündel induzierten licht welle, legt außerhalb der Einfalls ebene , so daß diese Welle an der Fläche PQ reflektiert wird und durch die Fläche PM aus dem Block 1 austritt. Die Ausbildung von Fig.2 ergibt den Vorteil, daß das Ijchtbündel 2 vollsizndig

von dem gebeugten licht bündel 4 getrennt wird, da eine Eintrittsfläche PQ und eine Austrittsfläche PM vorhanden sind. In Fig.2 ist zu erkennen, daß das Ultraschallbündel einen vertikalen Abschnitt 11 hat, der an der Wechselwirkung mit dem licht teilnimmt, und einen schrägen Abschnitt, der keine Rolle für diese Wechselwirkung spielt. '

Fig.3 zeigt eine weitere Abänderung, die derjenigen von Fig.2 ähnlich ist, wobei aber die Trennung der lichtbündel auf dem Totalreflexions winkel beruht. Die Oberseite des Blocks 1 besitzt eine Eintritts fläche RQ, die das einfallende lichtbündel 2 in einem streifenden Einfallswinkel empfängt, eine Austrittsfläche PM, aus der das gebeugte lichtbündel 4 austritt und eine Fläche PR, die mit einer dasUltraschalIbündel dämpfenden Substanz 10 bedeckt ist. Der Winkel« ist kleiner als der Totalreflexionswinkel des Bündels 2, aber größer als der Totalreflexions winkel des gebeugten Bündels 4. Dies

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erklärt die Tatsache, daß das Bündel 2 durch Brechung in den Block 1 eindringt, während das gebeugte Bündel aus dem Block nur durch die Fläche EM nach Reflexion an der Fläche RQ austreten kann. Eines der Ultraschallbündel ist in Έig.3 schraffiert dargestellt, um anzuzeigen, daß es zwei aufeinanderfolgende Reflexionen erleidet, bevor es von der Schicht 10 absorbiert wird, die sich zwischen den Punkten P und S erstrecktJiur der Teil 11 des UItraschallbundeis nimmt wirklich an der Wechselwirkung mit dem' Licht teil*

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Akusto-optischer Modulator zur Umwandlung eines parallelen raonoearoiDätischea kohärenten Lieht bund eis in ein gebeugtes LichtMindel, das in der Querrichtung eine Amplituden verteilung aufweist, die aus getrennten Bereichen besteht» in denen sich die Helligkeit unter der Einwirkung von elektrischen Steuersignalen ändert, dadurch gekennzeichnet, daß das paralleleBündel im Innern eines Blocks aus einem üoppelbrechendenMaterial in einer Bezugsrichtung gebrochen wird, die senkrecht zu einer Fläche des Blocks steht, flie eine Anzahl von elektromechanischen Wandlerin trägt, die in der Lage sind, ultraschall— energiebundel parallel zu der Bezugsrichtung auszusenden, daß elektrische Einrichtungen zur Erregung der V/andler mit Hilfe einer Wechselspannung vorgesehen sind, deren Amplitude sich in Abhängigkeit von den elektrischen Steuersignalen ändert_f daß sich das gebeugte Bündel im Innern des Blocks parallel zu der Bezugs richtung mit eimer Ausbreitungsgeschwindigkeit fortpflanzt,die von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des parallelen Bündels verschieden ist, und daß die Frequenz der Wechselspannung so gewählt ist, daß die Wellenzahleo "k^, k*"lbzw. iTder in äeta parallelen Bündel, in dem gebeugten Bündel bzw« in dem UTfcraschallbündel

enthaltenen Wellen ita Innern des Blocke die Vektorgleichung IcT = IcT + 2Γerfüllen.
2. Akusto-optischer Modulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Block eine Einftrittsflache für deu Eintritt des parallelen Bündels unter einem schrägen Einfallswinkel aufweist.

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3. Akusto-optischer Modulsfcor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche schräg zu der die Wandler tragenden Fläche steht.
4. Akusto-optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler so polarisiert sind, daß sie Scherungssehwingungen erzeugen.
5. Akusto-optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Absorptionaeinriehtungen zur Absorption der Ultraschallenergie vorgesehen sind.
6. Akusto-optischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale auf die Eintrittsfläche mit der Bezugs richtung einen B rewster -Winkel bildet.
7. Akusto-optischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch

ge ke Γα η ze ich net ,daß die Normale auf die Eintrittsfläche mit der Bezugsrichtung einen Winkel bildet, der zwischen den Totalreflexionswinkein des von dem doppelbrechenden Material und seinem Umgebungsmedium gebildeten Diopters enthalten ist.
8. Akusto-optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1

bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß die elektrischen Erregungs- » anrieht ungen einen Viechs el spannungsgenerator enthalten, derrnit den Wandlern über SchaIteinrichtungen gekoppelt ist.
9. Akuato-optischer Modulator nach Ansi)ruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen uripolare Feldeffekttransistoren sind.

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BAD ORIGINAL

1o. Akusto-optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9f dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler ein Mosaik bilden, das eine Anzahl von Druckzeichen darstellen kann, wobei jedes dieser Zeichen durch selektive Erregung der Wandler gebildet wird.

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