DE2136060A1 - Optische Ablenk- oder Modulationsvorrichtung - Google Patents

Description

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7243-71/H
RCA 63,057

U.S.Ser.Ho. 56,496
Piled: July 20,1970

ROA Corporation, New York, H.Y.,USA Optische Ablenk- oder Modulationsvorriohtung»

Die Erfindung betrifft eine optische Ablenk- oder Modulationsvorriohtung mit einer Platte aus elektro-optischem Kristallmaterial, mit welcher ein breites, dünnes Strahlenbüschel bzw. dessen Achse ablenkbar ist* Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur digitalen Ablenkung von Licht unter Verwendung eines elektro-optischen Gitters«

Insbesondere für Datenverarbeitungsanlagen und deren Speicherfelder aind zahlreiche Systeme bekannt, die eine elektrisch steuerbare Lichtablenkvorrichtung benötigen, mit der ein beispielsweise von einem Lager erzeugter Lichtstrahl digital in eine von mehreren diskreten Ausgangsrichtungen oder -Positionen ablenkbar ist. Sie bekannten Liohtablenkvorrichtungen sind jedoch su kompliziert und aufwendig und entsprechend teuer, verbrauchen zu viel Leistung und/oder arbeiten su langsam· A

Eine Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine digitale Lichtablenkvorrichtung anzugeben, die weniger aufwendig im Aufbau und Leistungsverbrauch ist und/oder schneller arbeitet als bekannte Ablenkvorrichtungen·

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in einer Platte aus einem elektro-optisohen Kristallmaterial ein Gitter in Gestalt eines elektrischen Feldes erzeugt· Zu diesem Zweck befindet sich auf einer

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Hauptfläche des Kristalls eine spaltenartige Reihe aus in regelfflässigen Abständen angeordneten Elektroden· Eine andere Elektrodenanordnung befindet sich auf der entgegengesetzten Hauptflache des Kristalls· Hit diesen Elektrodenanordnungen wird an das Kristallmaterial ein elektrisches Feld angelegt· Ein flaches Strahlenbüschel aus Licht mit einer gegebenen Polarisation wird durch das Kristallmaterial geleitet. Der Setrag der Ablenkung wird durch den Abstand zwischen den Elektroden bestimmt. Andere Gruppen von Elektroden, die einen unterschiedlichen gegenseitigen Abstand haben, bewirken bei ihrer Einschaltung jeweils andere Ablenkungsbeträge·

In Weiterbildung der Erfindung wird auch ein Ablenksystem geschaffen, mit dem Licht in zwei zueinander senkrechten Richtungen ablenkbar ist·

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt· Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine digitale Lichtablenkvorrichtung gemäß der Erfindung;

Figur 2 eine Seitenansicht der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung;

Figur 3 einen Teil der Vorrichtung mit weiteren Einzelheiten; und

Figur 4- eine perspektivische Ansicht «ines Ablenksysteme, die die Ablenkvorrichtung gemäß Figur 1 enthält und eine Ablenkung sowohl in X-Richtung wie auch in Y-Richtung ermöglicht.

Bei der in Figur 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtung wird ein Laserstrahl 10 auf ein optisches System 12 geworfen, das zur Umwandlung des Laserstrahls in ein breites, dünnes Strahlenbüsehel (also eine blattförmige Lichtstrahlung) dient,

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dessen Querschnitt «ine relativ grosse Breite D und in der anderen Richtung eine relativ sehr kleine Dimension E hat· Bas dargestellte optische System 12 enthält Zylinderlinsen und 14, doch können auch andere optische Systeme mit sphärischen Linsen oder optischen Dünnfilm-Wellenleiterverbindungsgliedern verwendet werden. Das optische System 12 enthält einen Polarisator 15, so dass das flache Strahlenbüschel hinter der Linse 14 aus parallelen oder kollimierten Lichtstrahlen "besteht, die in der in Figur 2 gezeigten Richtung T polarisiert sind· Das polarisierte Strahlenbüschel mit den Dimensionen D und E wird auf den Hand einer Platte 16 aus elektro-optischem Kristall· A material gerichtet· Das Kristallmaterial kann beispielsweise Lithiumniobat (LiHbO*) sein· Sin anderes geeignetes Kristallmaterial ist Strontiumbariumnlobat mit der formel Sr _fn »_c\ Ba/Q ge) &ΐ>2⁰6* ^^ie Platte 16 aus elektro-optischem Lithiumniobatkristall ist so orientiert, dass ein quer über dem Kristall in Richtung der y-Aohse des Kristalls (das heißt in der Dikkenriohtung I) herrschendes elektrisches Feld den Brechungsindex für in der x-Riohtung (das heißt der Richtung der Breitendimension W) den Kristall durchdringendes Licht ändern wird, falls das ankommende Licht polarisiert ist und falls das S-FeId dieses Lichtes parallel sum eingeprägten elektrischen Feld (senkrecht su den Hauptflächen der Kristallplatte) liegt.

Ein oder mehrere elektrische Felder werden der Kristallplatte 16 durch eine Mehrzahl von Elektroden aufgeprägt, die sioh auf wenigstens eine Hauptfläche der Kristallplatte befinden· Eine erste spaltenartige Reihe von Elektroden 18, die jeweils gleiche Abmessungen und gleiche Abstände voneinander haben, befindet sich auf der Oberseite der Kristallplatte· Eine gleichförmige Spaltenreihe aus in Deckung mit den Elektroden 18 aufgebrachten. Elektroden 18' befindet sich auf der Unterseite der Kristallplatte. Alle Elektroden 18 sind durch •ine Sammelschiene 22 miteinander verbunden} entsprechend sind sämtliche Elektroden 18' durch eine Sammelschiene 22* verbunden. Die Sammelschiene 22 ist über einen Schalter 26 mit der einen Klemme einer elektrischen Spannungsquelle 28 gekoppelt,

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die Sammelschiene 22 über einen Schalter 26' mit der anderen Klemme der Spannungsquelle 28· Die Spannung der Quelle 28 kanm etwa 1500 7 betragen· Durch die Anordnung der beschriebenen feile kanm zwischen den Elektroden 18 auf der Oberseite des Kristalls und den Elektroden 28* auf seiner Unterseite derart eine elektrische Spannung angelegt werden, dass in der Kristallplatte ein Beugungsgitter in Gestalt eines elektrischen Feldes hervorgerufen wird«

Die Dimensionen und Ablenkungseigenschaften des elektrischen Beugungsgitters innerhalb des Kristalls werden durch die Dimensionen und Abstände der Elektroden 18 und 18' bestimmt, die unter Anwendung allgemein bekannter photograph!scher Verfahren und Ä'tSTorgänge hergestellt werden. Die in Figur 3 dargestellten Elektroden 18 und 18' haben eine Dimension d.. in Spaltenrichtung, einen Abstand, der ebenfalls gleich d^ ist, und eine Dimension a. in der anderen Richtung, die ungefähr gleich der halben Dimension dj ist· Der einem den Kristall durchdringenden flachen Strahlungsbüsohel erteilte Ablenkwinkel, der in Figur 1 mit θ bezeichnet ist, steht in folgender Beziehung mit der Dimension und den Abständen der Elektroden 18:

sin 9 * ■

wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist· Die Elektroden einer Spalte müssen nicht gleich dimensioniert und beabstandet sein, sondern ihre Abmessungen und Abstände können auch gemäß irgendeiner anderen periodischen Anordnung grosser oder kleiner werden· Beispielsweise kann sich die Dimension a in der Z-Riehtung gemäS folgender Gleichung ändern:

* sin ψ^~ n

In diesem fall wird der Brechungsindex im Kristall eine sinusförmige Änderung in Z-Biehtung erfahren und einen groseen Prozentsatz an ttitterspektren erster Ordnung ergeben·

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Die spaltenartige Reihe τοη Elektroden liegt darstellungsgemäß rechtwinklig sur Richtung des ankommenden Strahles· Die Elektrodenepalte kann aber auch andere Transversalwinkel mit dem Strahl bilden, beispielsweise den Braggschen Winkel (Glanzwinkel). Wenn in diesem Fall auch die Dimension a der Elektroden stark vergrössert wird, treten keine Breehungskomponenten höherer Ordnung auf, und es kann praktisch das gesamte Licht des ankommenden Strahles abgelenkt werden·

Bas im Lithiumniobatkristall durch die Elektroden erzeugte elektrische Feldgitter wirkt auf einen ankommenden Lichtstrahl, der in Richtung der Y-Aehs* gemäß Figur 2 polarisiert ist, als ein Phasengitter. Gemäß einer anderen mögliche-n Betriebsweise wirkt das elektrische Feldgitter als ein Polarisationsgitter, wenn das ankommende Licht in einer Richtung polarisiert ist, die ungefähr 4-5 Grad gegen die Richtung der Y-Achse geneigt ist· Bei Verwendung verschiedener Kristallmaterialien sollten die Orientierungen der Kristallaohsen in Bezug sur Polarisation des ankommenden Lichtes und die Richtung des elektrischen Feldes nach allgemein bekannten Kriterien so gewählt werden, daß je nach Wunsch ein Phasengitter oder ein Polarisationsgitter geschaffen wird·

Wenn also keine elektrische Spannung an die spaltenartigen Reihen von Elektroden 18 und 18' angelegt wird, durchläuft das an der dargestellten Position mit der Breite D ankommende Liohtstrahlenbüsehel den Kristall direkt sur Ausgangsposition F in Figur 1. Wenn aber eine elektrische Spannung angelegt wird, wird das Strahlenbüschel des Ausgangslichtes um einen durch den Winkel θ ausgedrückten Betrag sur Ausgangsposition Gr abgelenkt.

Die Kristallplatte 16 ist ferner mit einer sweiten Spalte aus übereinstimmend, d.h. in gegenseitiger Deckung aufgebrachten Elektroden 32 und 32' versehen, die eine grössere Dimension d₂ und Abstände, die ebenfalls gleich d₂ sind, haben« Die grober dimensionierten Elektroden 32 und 32* der sweiten

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Spalte erzeugen ein. gröberes elektrisches Beugungsgitter im Kristall als die Elektroden 18,18* der ersten Spalte. Die Elektroden der zweiten Spalte bewirken also bei ihrer Einschaltung eine geringere Ablenkung als die Elektroden der ersten Spalte· Auf der Platte 16 befinden sich nach weitere dritte, vierte und fünfte Spalten aus Elektroden 34,34', 36,56^s und 38,38', die annehmend grössere Dimensionen haben, also zunehmend kleinere Ablenkungsbeträge des den Kristall durchdringenden Lichtes hervorrufen. Ton den fünf Gruppen oder Spalten von Elektroden» mit denen die Kristallplatte 16 somit darstellungsgemäfi versehen ist, kann jede von der Quelle 38 mittels Schaltern gespeist werden, so daß sieh entsprechend unterschiedlich grosse Ablenkungen des flachen Strahlungsbüschel© ergeben, das durch den Kristall geleitet wird.

Eine zusätzliche Anzahl unterschiedlicher diskreter Ablenkungswinkel erhält man dann, wenn man mehr als nur eine Elektrodenspalte gleichzeitig einschaltet« Die Speisung jeder der verschiedenen möglichen Kombinationen von Elektrodenspalten führt zu einem entsprechend anderen Ablenkungswinkel der Ausgaagsstrahlung des Kristalls. Die Zahl der verschiedenen Richtungen, in die das Ausgangslieht abgelenkt werden kann, ist gleich 2ⁿ, wobei η die Anzahl der Elektrodenspalten auf dem Kristall ist· Sind beispielsweise darstellungsgemäß fünf Elektrodenspalten vorhanden, so kann das Licht in 32 verschiedene Sichtungen abgelenkt werden, wenn alle Spaltenkombinationen eingeschaltet werden können· Kit relativ wenigen Elektrodenspalten läßt sich also schon eine grosse Anzahl von verschiedenen Ablenkwinkeln erreichen.

Bei einer einfacheren, aber weniger wirkungsvollen Ausführungsform der Erfindung werden die Elektroden 18',32', 34', 36' und 38' an der Unterseite der Kristallplatte durch eine durchgehende leitende Elektrode ersetzt, die sich über die gesamte Unterseite des Kristalls erstreckt und ständig an

Hasse liegt,

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Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ablenkungssystem erzeugt ein Ausgangslicht-Strahlungsbüschel ait einem der fielen gewünschten Ablenkungswinkel in einer Richtung, die in der Ebene dee Strahlungsbüschels liegt. Ba es häufig erwünscht ist, einen abgelenkten einzelnen Auegangestrahl zu erzeugen, kann dem in Figur 1 und 2 dargestellten System normalerweise eine (nicht dargestellte) konventionelle Optik folgen, welche das abgelenkte flache Strahlungsbüsohel in einen abgelnkten Einzellichtstrahl umwandelt· Zu diesem Zweck kann, man eine Strahlkomprimiereinrichtung verwenden, die umgekehrt gleichartig wie die Strahlezpandiereinriohtung mit den Linsen 13,14 ist, mit der der ankommende Lichtstrahl 10 verwandelt wird·

In figur 4 ist ein optisches Ablenksystem gem&fi der Erfindung dargestellt, mit dem ein Lichtstrahl um einen von vielen möglichen diskreten Beträgen in eine gegebene Richtung abgelenkt und das resultierende Licht dann um einen von vielen diskreten Winkeln in eine orthogonale Richtung abgelenkt werden kann· Das optische System 12 und die Kristallplatte 16 sind die gleichen, wie sie in Figur 1 und 2 dargestellt sind« Bas Ausgangslioht der Kristallplatte 16 wird durch ein optisches System 50 geleitet, welches das vertikal ausgerichtete Strahlungsbüschel von der Kristallplatte 16 in ein entspreche nod abgelenktes horizontales flaches Lichtstrahlenbüsohel umwandelt, das einem Stapel 52 von Ablenkgliedern zugeführt wird, die jeweils wie die Platte 16 ausgebildet sind· Bie Zahl der Ablenkplatten im Stapel 52 ist gleich der Zahl der möglichen Ausgangsablenkwinkel hinter der Ablenkvorrichtung mit der Platte 16. Wenn also darstellungsgemäfi die Elektrodenspalten auf 4er Ablenkplatte 16 fünf verschiedene Ablenkungswinkel ermöglichen, enthält der Stapel 52 fünf gesonderte Ablenkplatten, die jeweils gleich der Platte 16 sind.

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Wenn durch di« Elektrodenspaiten der Ablenkplatte 16 dessen Ausgangslicht eine Ablenkung einer ersten gegebenen G-rösse erfährt, wird dieses abgelenkte Licht durch die erste Ablenkplatte im Stapel 52 geleitet· wenn in ähnlicher Weise die Elektrodenspalten der Ablenkplatte 16 so eingeschaltet werden, daß sich ein zweiter, -vom ersten unterschiedlicher Ablenkwinkel ergibt, gelangt dieses abgelenkte Licht durch die zweite Ablenkplatte im Stapel 52. In entsprechender Weise können die Elektrodenspalten in der Ablenkplatte 16 dagu verwendet werden, das Licht so abzulenken, daß es durch die dritte, vierte bzw. fünfte Ablenkplatte im Stapel 52 geleitet wird· Eine spaltenartige Reihe von Elektroden in irgendeiner der fünf Ablenkplatten im Stapel 52 kann so gespeist werden, daß das Licht eine zusätzliche Ablenkung in einer Richtung erfährt, die orthogonal zur Richtung der durch die Ablenkplatte 16 bewirkten Ablenkung liegt. Ba man Jeweils weiß, welche spezielle Elektrodenspalte der Ablenkplatte 16 erregt werden wird, muß nur eine einzige gewünschte Elektrodenspalte in nur einer einzigen Ablenkplatte des Stapele 52 eingeschaltet werden. Der zur (gleichzeitigen) Ablenkung der Lichtstrahlung in zwei Richtungen erforderliche Leistungsverbrauch ist deshalb nur zweimal so groß wie die für die Ablenkung in einer einzigen Richtung erforderliche Leistung.

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Claims (8)

1. Patentansprüche»

   ί 1_;» Optische Ablenk- oder Modulationsvorrichtung mit einer Platte aus elektro-optischem Kristallmaterial, mit weloher ein breites, dünnes Strahlenbüschel ablenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der einen Hauptfläche der Platte (16) wenigstens eine spaltenartige Reihe von in einer periodischen Folge im Abstand voneinander angeordneten Elektroden (18) und auf der entgegengesetzten Hauptfläche der Platte ebenfalls eine Elektrodenanordnung (18») befindet, daß eine Einrichtung (26,28) zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (18) auf der einen Hauptfläche und der Elektrodenanordnung (18') auf der anderen Hauptfläche vorgesehen ist, und daß da« Strahlenbüschel polarisiert und derart zwischen der Reihe von Elektroden (18) durch die Platte (16) geleitet wird, daß es von der Platte hinter dieser in Segenwart des von der Potentialdifferenz hervorgerufenen elektrischen Feldes um einen bestimmten Betrag aus der Bahn abgelenkt wird, der das Licht in Abwesenheit des elektrischen Feldes folgt·
2. 2. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flache Strahlenbüschel durch die Platte (16) in einer Richtung gelenkt wird, die quer zur spaltenartigen Reihe von Elektroden (18) verläuft.
3. 3· Torrichtung nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Platte (16) Lithiumniobat ist, und daß das ankommende Strahlungsbüschel in der zu den Hauptfläohen der Platte senkrechten Richtung polarisiert ist·
4. 4 # Torrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (18) innerhalb der spaltenartigen Reihe gleiche Dimensionen und regelmässige Abstände voneinander haben·

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5. 5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 t dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung auf der entgegengesetzten Hauptfläche der Platte (16) aus einer weiteren Reihe von Elektroden (18») besteht, die jeweils in Deckung mit entsprechenden Elektroden (18) auf der ersten Hauptflache angeordnet sind·
6. 6· Torrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere spaltenartige Reihen von Elektroden (18,32,34,36,38) auf der einen Hauptfläche der Platte (16) vorgesehen sind, daß die Elektroden von Reihe zu Reihe zunehmend unterschiedliche Abmessungen und Abstände haben, und daß die Potentialdifferenz durch Schalter (26) wahlweise zwischen die Elektrodenanordnung (18* usw·) auf der entgegengesetzten Plattenhauptflache und eine oder mehrere ausgewählte Elektrodenreihen (16 usw.) auf der einen Hauptfläche anlegbar ist, so daß das Strahlenbüschel um zusätzliche unterschiedliche Beträge ablenkbar ist.
7. 7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (26) in allen möglichen Kombinationen einzeln oder gemeinsam betätigbar sind und die Ablenkung des Strahlenbüschels in der möglichen Anzahl von Kombinationen entsprechende unterschiedliche Sahnen bewirken können.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in jeder Spalte jeweils gleiche Abmessungen und gleiche Abstände voneinander haben»

   9· Optisches Ablenksystem mit einer einzelnen Vorrichtung (12,16) nach Anspruch 6, mit der das Strahlenbüschel in eine erste Richtung abgelenkt wird» dadurch gekennzeichnet, daß ein Stapel (52) aus zusätzlichem Ablenkplatten von Vorrichtungen gemäß Anspruch 7 vorgesehen ist* die jeweils das Ausgangsliolit der einzelnen

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   Ablenkvorriohtung (12,16) empfangen können und alt ihren Hauptflachen im wesentlichen rechtwinklig zu denjenigen der Platte (16) der einzelnen Ablenkvorrichtung liegen, daß eine optische Einrichtung (50) vorgesehen ist, die das Strahlenbüsohel von der einzelnen Ablenkvorrichtung (12,16) zum Eingangsrand einer Ablenkplatte innerhalb des Stapele (52) lenkt, welche durch die Ablenkung des Strahlenbüschelβ in der einzelnen Ablenkvorrichtung (12,16) ausgewählt worden ist, und daß die ausgewählte Ablenkplatte innerhalb des Stapels (52) das in ihr vorhandene Licht in eine Richtung weiter ablenkt, die praktisch rechtwinklig zur ersten Richtung verläuft (figur 4·)·

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