DE2122941C3

DE2122941C3 - Akustisch-optisches Filter

Info

Publication number: DE2122941C3
Application number: DE2122941A
Authority: DE
Inventors: John R. Los Altos Hills Calif. Hearn (V.St.A.)
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-05-10
Publication date: 1975-09-11
Also published as: DE2122941A1; GB1362233A; FR2099243A5; CH540499A; US3644015A; DE2122941B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein akustisch-optisches Filter zum Unterdrücken von Licht einer bestimmten, einstellbaren Frequenz mit einem durchleuchtbaren optisch-anisotropen Medium, in welchem kollinear mit dem Lichtweg durch das Medium eine akustische Welle einer bestimmten, mit der bestimmten Frequenz tiwu 1 ichtcs korrelierten Frequenz erzeugbar ist, an welcher Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung und der bestimmten Frequenz in eine zweite Polarisationsrichtung gebeugt wird mit einem Polarisationsanalysator.

Durchstimmbare akustisch-optische Bandpaßfilter sind bisher so aufgebaut worden, daß Licht einer ersten Polarisationsrichtung kollinear an einer akustischen Welle in einem optisch-anisotropen Medium, beispielsweise einem doppelbrechenden Kristall, ge beugt wird, um das Licht bei einer ausgewählten optischen BaadpaÖrPrequenz von einer ersten FoJarisationsrichüxag in eine zweite Polarisationsrichtung zu drehen. Das gedrehte licht wed dann in bezog auf die Polaiisationsricbtung analysier!, um das Licht der zweiten Polarisatioasrichtung hindurcbgelangen zu lassen uad das Liebt der ersten Polarisationsrichtung zu sperren. Die Bandpaß-Oiarakterisfik des akustisch-optischen Filters ist elektrisch darchstimmbar, indem die Frequenz der akustischen Welle in dem doppelbrechenden Kristall verändert wird. Ein derartiges akustisch-optisches Filter ist beschrieben im »Journal of the Optical Society of America«, Band 59, Nr. 6, Juni 1969, S. 744 bis 747, und in »Applied Physics Letters«, Band 15, Nr. 10, 15. November 1969, S. 325 und 326. Bei derartigen akustisch-optischen Filtern ist die Intensität des ausgeblendeten Lichtes nicht konstant, sondern von der akustischen bzw. optischen Frequenz abhängig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akustisch-optisches Filter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das ba der einstellbaren Frequenz unterdrückte Licht unabhängig von der akustischen bzw. optischen Frequenz einer konstanten Intensität entspricht

Diese Aufgabe wird erfrndungsgemäß dadurch gelöst, daß der Polarisationsanalysator das Licht mit der zweiten Polarisationsrichtung von dem mit der ersten Polarisationsrichtung abtrennt und aus dem Hauptstrahlengang entfernt, und daß ein das abgetrennte Licht der zweiten Polarisationsrichtung empfangender Detektor für die Lichtintensität vorgesehen ist, an den eine die Leistungsdichte der akustischen Welle in dem Medium im Sinne einer konstanten Intensität des abgetrennten Lichtes beeinflussende Regelschaltung angeschlossen ist

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellt dar

Fig. 1 ein Linien- und Blockdiagramm einer akustisch-optischen Vorrichtung,

F i g. 2 ein Diagramm der prozentualen Lichtübertragung über der akustischen Leistungsdichte in einem optisch-anisotropen Medium; für die Lichtabgabe zweier rechtwinkliger Polarisationszustände.

Gemäß Fig. 1 ist das akustisch-optische System in mancher Hinsicht ähnlich demjenigen, das in dem genannten Artikel in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America« beschrieben wurde. Dies gilt jedoch mit der Ausnahme, daß nach F i g. 1 der Analysator so gedreht ist. daß Licht einer zu der Polarisation des einfallenden Lichtes rechtwinkligen Polarisation gesperrt wird. Im einzelnen weist das akustisch-optische System 1 eine Lichtquelle 2 auf, welche einen Lichtstrahl 3 durch einen vertikal, linear polarisierenden Polarisator 4 in ein optisch-anisotropes Medium S, beispielsweise einen doppelbiechenden Kristall von LiNbO.,, PbMoO₄, CaMoO₄ oder Quarz projiziert. Der Lichtstrahl 3 wird auf eine Eingangsfläche 6 in einem solchen Winkel gerichtet, daß der Lichtstrahl durch den Kristall in einer Linie mit der y-Achse zwischen den Endflächen 6 und 7 geleitet wird.

Die Lichtquelle 2 kann von irgendeiner Art sein. Beispielsweise kann es sich um eine kohärente Licht-

quelle handeln, wie sie durch einen Laser dargestellt wird, oder es kann ska ran eine Breitband-Lichtquelle mit einer gleichförmigen Spektralleistungsdichte handeln, wie sie durch eine weiße LichtqueHe erzeugt wird. Der vertikal polarisierende Eingangspolarisator 4 dient dazu, nur Licht von der Quelle 2 hindurchgelangen zu lassen, welches in der vertikalen Richtung, d. h. in der Z-Richiung polarisiert ist, um einen polarisierten Eingangs-Lichtstrahl 3 abzugeben. Der Eingangs-Lichtstrahl tritt in die Eingangsfläche 6 des Kristalls 5 ein, indem er sich im allgemeinen entlang einer vorbestimmten Achse mit der Bezeichnung Y ausbreitet und aus der gegenüberliegenden Fläche 7 als Ausgangsstrahl 3 austritt. Der Ausgangsstrahl 3 gelangt dann durch einen zweiten linearen Polarisator oder Polarisationsanalysator 9, beispielsweise ein Kochon-Prisma, welches derart ausgerichtet ist, daß seine Obertragungsachse mit der Polarisation des Eingangsstrahles 3 fluchtet, d. h., daß die Übertragungsachse die gleiche Polarisation wie der Eingangspolarisator 4 aufweist.

Ein akustischer Übertrager 12 ist in engem Kontakt mit dem Kristall 5 angeordnet und mit einem geeigneten Signalgenerator oder einer Quelle 13, beispielsweise einem durchstimmbaren Radiofrequenz-Oszillator, über einen Leistungsverstärker 14 verbunden. Der akustische Übertrager 12 wird durch die Radiofrequenz-Leistung des Oszillators 13 und des Leistungsverstärkers 14 gespeist, um eine akustische Schubwelle S_} zu erzeugen, welche gegen die Innenfläche der Eingangsfläche 6 gerichtet ist, um intern die Schubwelle S₁ zu reflektieren und in e^ne zweite Schubwelle S_t umzusetzen, welche sich entlang der y-Achse des Kristalls kollinear mit dem einfallenden Lichtstrahl 3 ausbreitet.

Wie aus den bereits genannten Veröffentlichungen in »J.O.S.A.« und »Appl. Phys. Letters« bekannt ist, gibt es in einer besonderen Kombination der Lichtwelle und der akustischen Wellenfrequenzen eine starke Wechselwirkung zwischen dem Licht und der akustischen Welle, wobei die akustische Welle das Licht von dem Polarisationszustand des Eingangsstrahles 3 in den Zustand der dazu rechtwinkligen Polarisation beugt Dies ergibt ein schmales Band von Lichtwellen rechtwinkliger Polarisation, welche durch Sperrung von den Eingangs-Lichtwellen durch den Polarisationsanalysator 9 getrennt werden. Dieses schmale Band von Lichtwellen der Kreuz-Polarisation hat eine Frequenz, welcne eine Funktion der zugeführten akustischen Frequenz ist, und kann daher in bezug auf die Frequenz modifiziert werden, indem die dem akustischen Übertrager 12 von dem Oszillator 13 zugeführte Erregungsfrequenz variiert wird.

Die erwähnte kollineare Beugung tritt als eine kumulative Wirkung bei einem schmalen Band von Lichtfrequenzen auf, und sie ist nicht kumulativ durch die inkrementale Selbstauslöschung bei anderen Frequenzen. Der kumulative Beugungseffekt tritt auf, wenn die Momentenvektoren i des einfallenden Liehtes und der akustischen Welle die Bedingung erfüllen, daß ihre Summe gleich dem Momentenvektor des Ausgangslichtstrahles ist. Diese Bedingung wird »Phasenabstimmung« (phase matching) genannt und tritt auf, wenn die durch die Beugung erzeugte Polarisation sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die freie elektromagnetische Welle ausbreitet. Ein schmales Band von Frequenzen, welches diese Bedingung erfüllt und in den rechtwinkligen Polarisationszustand gebeugt wird, wird dann durch den Ausgangs-Polarisationsanalysaior 9 gesperrt, während das Licht der ursprürglichen Polarisation durch den Ausgangsanalysator 9 hindurcbgelangt, um einen Ausgangs-Lichtstrahl 15 abzugeben, der eine Bandsperr-Übertragungschaiakteristik aufweist, weiche auch als KerbfUter-Charakleristik bekannt und durch das Spektrum (α) dargestellt ist. Das von der ersten Polarisation in die zweite b/w. rechtwinklige Polarisation gebeugte Licht wird durch den Pplarisationsanalysator 9 gesperrt und als ein zweiter Ausgangsstrahler 16 mit einer typischen Bandpaß-Charakteristik gemäß dem Spektrum (b) reflektiert.

Die Beugung in die rechtwinklige Polarisation erfolgt bei Lithium-Niobat über die photoelastische Konstante P₁₁ und ist nur dann kumulativ, wenn IJt₀1 — \k_e\ = jA₈j wobei die Indizeso, e und a die gewöhnlichen und besonderen Lichtwellen und die akustische Welle bezeichnen. Dies ist der Fall, falls die Frequenzen /₀ und /₀ des Lichtes und der akustischen Welle der Gleichung genügen:

V An

wobei f, das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im

Vakuum zu der akustischen Geschwindigkeit in dem Medium ist und An die Doppelbrechung des Kristalls ist.

In einem typischen Fall des Lithium-Niobat-Salzes ist die akustisch-optische Vorrichtung 1 zwischen 7000 und 5500 A durchstimmbar, indem die akustische Antriebsfrequenz von 750 bis 1050 MHz geändert wird. Eine Bandsperre von weniger als 2 A wird bei einem Ausgangsstrahl 15 erhalten, wenn ein Kristall von einer Länge von 5 cm verwendet wird.

In F i g. 2 ist die prozentuale Lichrübertragungs-Charakteristik über die akustische Leistungsdichte für die akustisch-optische Vorrichtung 1 dargestellt. Im einzelnen ist das prozentuale Transmissionsverhalten für Licht der ausgewählten Bandsperr-Frequenz für den Ausgangsstrahl 15 durch die Kurve 17 dargestellt, während das prozentuale Transmissionsverhalten bei der Bandsperrfrequenz in dem kreuzpolarisierten Lichtstrahl 16 durch die Kurve 18 der Fig. 2 dargestellt wird. Bei einem Lithium-Niobat-Kristall von 5 cm Länge führt eine akustische Leistungsdichte von 14 mW/mm² dazu, daß nahezu 100 Prozent des Lichtes in dem Eingangsstrahl 3 bei der Bandsperr-Frequenz in die Kreuz-Polarisation umgesetzt werden. Bei kleineren akustischen Leistungsdichten wird ein kleinerer Prozentsatz des Lichtes der ausgewählten Bundsperrfrequenz von der Eingangspolarisation in die Kreuz-Polarisation umgesetzt.

Unter der Voraussetzung, d.iU «lic Intensität des eingestrahlten Lichtes über den interessierenden Spektralbereich konstant ist, wird der Prozentsatz des von der ersten Polarisationsebene in die zweite Polarisationsebene bei der Bandsperrfrequenz umgesetzten Lichtes zu einem vorbestimmten Prozentsatz durch einen Regelkreis geregelt, weicher einen Thermosäulcn-Detektor 19 aufweist, der die Intensität des Ausgangsstrahles 16 mit der Kreuzpolarisation überwacht. Der Ausgang des Detektors 19 gibt eine Spannung ab, weiche dem prozentualen Trans-

21 ZZ y4i

missionsvermögen des kreuzpolarisierten Lichtstrahles 16 proportional ist. Diese Referenzspannung wird in einem Fehlerdetektor 21 mit einer Referenzspannung verglichen, welche von einer Referenzspannungsquelle 22 abgeleitet ist, wobei eine derartige Referenzspannungsquelle geregelt oder auf ein gewünschtes prozentuales Transmissionsvermögen bei der Bandsperr-Frequenz eingestellt wird. Der Ausgang des Fehlerdetektors 21 wird zur Verstärkungsregelung dem Leistungsverstärker 14 zugeführt, um die akustische Leistungsdichte in dem Kristall zu steuern und die gewünschte ausgewählte prozentuale Referenztransmission bei der Bandsperrfrequenz zu erhalten.

Die in dem Kristall S erforderliche akustische Leistungsdichte zur Erzeugung einer bestimmten prozentualen Transmission von Licht bei der gewählten Bandsperrfrequenz ist eine Funktion der Frequenz der akustischen Welle. Im einzelnen sollte bei der Änderung der akustischen Frequenz die akustische Leistung umgekehrt zu dem Quadrat der akustischen Frequenz geändert werden, falls ein konstanter Transmissionsgrad bei der optischen Bandsperrfrequenz aufrechterhalten werden soll.

Bei gewissen Anwendungen ist es wünschenswert, daß die Bandsperrfrequenz über einen relativ weiten Bereich der optischen Frequenzen durchgewobbelt wird. In einem solchen Fall wird die optische Ausgangsfrequenz durch Wobbein der Frequenz des durchstimmbaren Oszillators 13 gewobbelt. Hierzu ist ein Frequenz-Spannungs-Umsetzer 23 angeschlossen, um einen Teil der Ausgangsspannung des Oszillators 13 abzutasten und die Frequenz des Oszillators in eine frequenzproportionale Spannung umzusetzen. Der Gleichspannungsausgang des Frequenz-Spannungs-Umwandlers 23 wird einem Eingang eines Fehlcrdetektors 24 zum Vergleich mit einer Gleichspannung zugeleitet, welche von einer »Startfrequenz«-Referenzspannungs-Versorgung 25 abgeleitet ist, die eine für die Betriebsperson zusätzliche Steuerung aufweist, welche in Einheiten der optischen Ausgangsfrequenz geeicht ist.

Die Bedienungsperson stellt die Referenzfrequenzspannung auf eine wählbare Frequenz nach Maßgabe des Beginns eines Wobbeivorganges des gewünschten optischen, zu wobbelnden Spektrums ein. Der Ausgang des Fehlerdetektors 24 wird über einen Schalter 26 dem Eingang des Oszillators zugeführt, um zu bewirken, daß der Oszillator in Übereinstimmung mit dem Fehlersignal durchgestimmt wird. Wenn der Ausgang des Fehlerdetektors Null erreicht, d. h. das Fehlersignal auf ti η Amplituden* :rt Null abfällt, ist die Frequenz des Oszillators auf dem Wert derjenigen Frequenz, welche der ausgewählten optischen Bandsperrfrequenz entspricht. Falls die Bandsperrfrequenz über ein ausgewähltes optisches Band durchgewobbelt werfen soü, ist der Schalter 27 geschlossen und verbindet einen Noll-Detektor 28 mit dem Ausgang des Fehlerdetektors 24. Der Nnfldetektor erfaßt den Nall-Ausgangszustand des Fehlerdetektors 24 and schließt ein geeignetes Relais od. dgl., welches mechanisch mit dem Schalter 26 verbunden ist, mn den Schafter 26 ze öffnen und eines zweiten Schalter 29 zu schließen, welcher in der Schaltung mit dem Ausgang eines zweiten Fehterdetektors 31 verbunden ist, der den Ausgang des Frequenzspannungsumsetzers 23 mit einer Referenzspannung vergleicht, die von einer »Haltefrequenze-Referenzspannungsquelle 32 abgeleitet ist und von der Betriebsperson gesteuert ist und die gemäß der optischen Frequenz der Bandsperre geeicht ist.

Der Ausgang des Fehlerdetektors 31 wird über den Schalter 29 an den Oszillator geleitet, damit der Oszillator mit einer Geschwindigkeit wobbelt, welche

ίο durch eine getrennte nicht dargestellte Steuerung in dem Oszillator bewirkt werden kann. Wenn sich die Frequenz des Oszillators auf der »Stop-Frequenz« unter dem Einfluß der »Stöp-Frequenz-Referenzspannung« befindet, ist das Fehlersignal im Ausgang

t5 des Fehlerdetektors 31 auf die Null-Amplitude abgefallen, und ein zweiter Null-Detektor 33, der mit dem Ausgang des Fehlerdetektors 31 verbunden ist, erfaßt den Null-Zustand und öffnet den Schalter 29, so daß der Schalter 26 geschlossen und eine Wiederaufnahme des Wobbeivorganges bewirkt wird.

Die Kerbfilter-Resonanzkurve des Ausgangsstrahles 15 ist nützlich, um optische Vorrichtungen in bezug auf nichtlineares optisches Transmissionsverhalten zu prüfen und optische Mehrkanal-Kommunikationsvorrichtungen in bezug auf Nebensprechen zu prüfen. In einem derartigen System gemäß F i g. 1 ist ein optischer Prüfling 34 derart angeordnet, daß er den Ausgangslichtstrahl 15 in einem optischen Kanal in dem Prüfling 34 aufnimmt. Die Bandsperrfrequenz wird über die Referenzspannungsquelle 25 auf die optische Frequenz des zu prüfenden Kanals eingestellt. Das durch den zu prüfenden Kanal gelangende Licht wird bei seinem Durchgang durch den Kanal verändert und dem Eingang eines Spektrumanaly-

sators 35 zugeführt, indem die optischen Frequenzen in dem Sperrband analysiert werden, um den Grad zu bestimmen, in welchem eine Kopplung des Lichtes der angrenzenden Frequenzen in die Bandpaßfrequenz des zu prüfenden Kanals stattfindet. Der Umfang, in

dem Licht angrenzender Bänder in das Durchgangsband eingekoppelt ist, stellt ein Maß der optischen Lichtlinearität des Prüflings 34 dar. Die Bandsperrfrequenz kann über die vollständige Bandbreite der weißen Lichtquelle 2 durchgewobbelt werden, und die entsprechende Veränderung des Ausgangslichtstrahles 15 durch den Prüfling 34 wird in bezug auf das Spektrum durch den Spektnimanalysator 35 analysiert, um die optischen Nichtlinearitätcn der Vorrichtung 34 als Funktion der optischen Frequenz zu bestimmen.

Der Ausdruck »Licht« ist als elektromagnetische Strahlung definiert. Derartiges Licht braucht nicht auf das sichtbare Spektrum begrenzt zu sein. Bei einigen doppelbrechenden Kristallen divergieren die

Vektoren der Phase&geschwindigkeit and der Groppengeschwtndigkeh für die akustische WeUe, and zwar im FaIk von Qaaxz um etwa 20°. In einem der· artigen Fall kann der Yfeg des Lichtstrahles eatwedei kollmear zur Phasen- oder znr GroppengeschwiB^g-

keit der akustischen WeQe sein, am die beschriebene

Zu (fei

Der Ausdruck »koffineaT* bedeutet te
sammennang, da» der LacntSttani entweder
Phasen- oder raft der
akustischen WeHe fcoISaear fet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

[1684

Claims

Patentansprüche:

von Licht eine; bestimmten, einstellbaren Freqaeaz mit einem durcaleuchtbarcn optisch-anisotropen Medium, in welchem kollinear mit dem Lichtweg durch das Medium eine akustische Welle einer bestimmten, mit der bestimmten Frequenz des Lichtes korrelierten Frequenz erzeug- bar ist, an welcher Licht mit einer ersten Polarisationsriehtung und der bestimmten Frequenz in eine zweite Polarisationsrichtung gebeugt wird mit einem Polarisationsanalysator, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisations- is analysator (9) das Licht mit der zweiten Polarisationsrichtung von dem mit der ersten Polarisationsrichtung abtrennt und aus dem Hauptstrahlengang entfernt, und daß ein das abgetrennte Licht (16) der zweiten Polarisationsrich- ao tung empfangender Detektor (19) für die Lichtintensität vorgesehen ist, an den eine die Leistungsdichte der akustischen Welle in dem Medium im Sinne einer konstanten Intensität des abgetrennten Lichts beeinflussende Regelschaltung (21. 22,14) angeschlossen ist
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Regelschaltung ein Vergleichsglied (21) für den Vergleich der Ausgangsspannung des Detektors (19) mit einer einstellbaren Referenzspannung umfaßt
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der akustischen Welle im Medium (5) periodisch über einen bestimmten Frequenzbereich durchstimmbar ist
4. Filter nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Weißlichtquelle (2) für die Durchleuchtung des optisch-anisotropen Mediums (5).
5. Verwendung eines akustisch-optischen FU-ters nach Anspruch 4 zur Ermittlung der Nichtlinearitäten in der optischen Übertragungscharakteristik eines optischen Prüflings durch Beleuchtung des Prüflings mit dem die erste Polarisationsrichtung aufweisenden Ausgangslicht des Filters und Spektralanalyse des aus dem Prüfling empfangenen Lichts.