DE2138942A1

DE2138942A1 - Akustisch optisches Filter

Info

Publication number: DE2138942A1
Application number: DE19712138942
Authority: DE
Inventors: Donald L Los Altos Hills Cahf Hammond (V St A) P
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-08-07
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1972-02-17
Also published as: GB1356035A; DE2138942C3; DE2166342B2; FR2102111B1; DE2166342C3; DE2166342A1; US3655265A; DE2138942B2; CA966924A; CH537603A; FR2102111A1

Description

Hewlett-Packard Comp.
1501 Page Mill Road
Palo Alto
California 94304
USA
Case 591

3. August 1971

AKUSTISCH-OPTISCHES FILTER Die Erfindung betrifft ein akustisch-optisches Filter.

Bisher wurden akustische Resonatoren als akustisch-optisches Element von Lichtfiltern verwendet. Licht einer ersten Polarisation wurde kollinear von einer radiofrequenten Akustikwelle in einem doppelbrechenden Kristall gebeugt, um einen Lichtstrahl von einer ersten Polarisation in eine zweite Polarisation zu bringen. Das Ausgangslicht wurde dann in bezug auf die Polarisation analysiert, um lediglich Licht der zweiten Polarisation hindurchzulassen. Das Licht der zweiten Polarisation hatte eine Frequenz, welche nach Maßgabe der Frequenzschwankungen der radiofrequenten Akus ti Jeweils in dem Kristall veränderlich war. Derartige elektrisch abstimmbare akustisch-optische Filter waren von 5 000 Angstrom bis 7 500 Angstrom durchstiivcnbar, indem die Frequenz der

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radiofrequenten Akustikwelle von 1 050 MHz auf 75O MHz verändert wurde. Ein derartiges durchstimmbares akustischoptisches Filter ist in dem Artikel "Electronically Tunable Acousto-Optic Filter" in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 15, Nr. 10, vom 15. November 1969, Seiten 325-326 beschrieben.

Bei derartigen akustisch-optischen Vorrichtungen wurde die akustische Welle in dem doppelbrechenden Kristall mittels eines akustischen Übertragers erregt, der an einem Ende des Kristalles befestigt war. Am Ende des Kristalles an der Zwischenfläche zwischen dem Kristall und dem akustischen Übertrager wurde eine optisch reflektierende Beschichtung vorgesehen. Das zu filternde Licht gelangte dann durch den Kristall in der ersten von der Beschichtung reflektierten Richtung und verließ den Kristall in der entgegengesetzten Richtung. Während diese Anordnung für bestimmte Filteranwendungen geeignet ist, besteht ein Bedarf nach einem akustisch-optischen Resonanzelement, injäem das zu filternde Licht durch die akustisch-optische Vorrichtung gelangt.

Bei einem anderen akustisch-optischen Lichtfilter wurde der akustische Übertrager auf die Seite des Kristalles gesetzt, um eine akustische Welle zu erzeugen, die innen von einer Fläche des Kristalles längsseitig zur gegenüber-

—. ο —

: i. 209808/1281'

liegenden Fläche reflektiert wurde. Dieser akustische Übertrager ist keine Resonanzvorrichtung und erforderte daher einen größeren Betrag an akustischer Energie, um eine gegebene Beugung des gerade gefilterten Lichtes zu erzeugen. Ein derartiges akustisch-optisches Filter ist in dem Aufsatz "Acousto-Optic Tunable Filter" in dem Journal of the Optical Society of America", Band 59, Nr. 6, Juni 1969, Seiten 744-747 beschrieben.

Aus dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, daß mehrere piezoelektrische akustische Resonatoren in einer einzigen kristallinen Platte ausgebildet v/erden, wobei derartige Resonatoren in relativ dichtem Abstand liegen und für akustische Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, die innerhalb eines Bruchteiles eines Prozentes liegen, ohne eine wesentliche Kopplung zwischen den Resonatoren hervorzurufen. Die akustische Energie wird in dem Bereich jedes der angeregten akustischen Resonatoren ohne eine wesentliche Ausbreitung akustischer Energie zwischen benachbarten akustischen Resonatoren eingefangen. Derartige mehrfache akustische Resonatoren sind in dem Aufsatz " "Energy Trapping and Related Studies of Multiple Electrode Filter Crystals" in der Zeitschrift "Proceedings of the 17th Annual Frequency Control Symposium," Sei ben 88 vom Mai 1963 und in einem Artikel mit clem Titel "Monolithic Crystal Filters" in I.E.E.E. 'International Ccn\*ention

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Record", Teil 2, 1967, Seiten 78 - 93 beschrieben.

Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Filtern von Licht zu schaffen.

Für ein akustisch-optisches Filter wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein elektrisches Feld mit Radiofrequenz an ein piezoelektrisches optisches anisotropes Medium gelegt wird und eine akustische Welle in dem Medium mit der Frequenz des radiofrequenten Feldes und bei einer Frequenz, die auf die optische Frequenz des zu filternden Lichtes bezogen ist, erzeugt wird, ein Lichtsignal im wesentlichen kollinear an der akustischen Welle in dem optisch anisotropen Medium gebeugt wird, um Licht einer ersten Polarisation und der zu filternden optischen Frequenz in Licht einer zweiten Polarisation zu beugen, und der gebeugte Lichtstrahl analysiert und Licht der zweiten Polarisation von dem Licht der ersten Polarisation getrennt wird, wodurch Licht bei der optischen auf die akustische Frequenz bezogenen Frequenz aus dem einfallenden Lichtstrahl gefiltert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Paar voneinander'beabstandeter Elektroden nahe dom piezoelektrischen Medium vorgesehen werden, um ein radiofrequentes Potential an dem piezoelektrischen optisch

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anisotropen Medium zu erzeugen und darin eine akustische Welle zu erregen.

Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen v/erden, daß eine der Elektroden optisch transparent ist, so daß der zu filternde Lichtstrahl in das piezoelektrische Medium durch die transparente Elektrode eintritt.

Auch kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, daß das piezoelektrische Medium eine kristalline Platte mit einer derart bemessenen Dicke ist, daß eine Dickenschwingungsart bei der Frequenz des elektrischen Feldes erreicht wird, das zur Erregung der akustischen Resonanz verwendet wird.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen werden, daß die kristalline Platte derart bemessen ist, daß sie Oberton-Dicken-Schwingungsarten in verschiedenen optischen Bändern des zu beugenden Lichtes zeigt, so daß durch schrittweise oder gleichzeitige Ausübung elektrischer Felder bei den verschiedenen Resonanzfrequenzen entsprechend den Oberton-Schwingungsarten das eine oder mehrere der optischen Bänder entsprechend den Oberton-Resonanzen durch das Filter ausgefiltert werden.

Darüber hinaus können erfindiingscjemäß mehrere akustische

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Resonatoren allgemein in einer Ebene angeordnet werden, die quer zur Richtung des zu filternden Lichtstrahles liegt, wobei jeder der akustischen Resonatoren eine unterschiedliche akustische Resonanzfrequenz aufweist, so daß einer oder mehrere der verschiedenen akustischen Resonatoren adressierbar sind, indem der Anordnung eine oder mehrere Frequenzen der radiofrequenten elektrischen Felder zugeführt werden, wobei diese Frequenzen der Resonanzfrequenz bestimmten akustischen Resonatoren zur Erzeugung der Resonanz entsprechen. Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, daß die akustischen Resonatoren in einer gemeinsamen Kristallplatte angeordnet werden, die abgeschnittene Bereiche der Platte vorsieht, welche jeden der akustischen Resonatoren umgeben, um in jedem der erregten akustischen Resonatoren Energie einzufangen, wenn diese durch ein elektrisches Feld der Resonanzfrequenz des entsprechenden akustischen Resonators erregt werden. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar
Fig. 1 ein Linien-Blockdiagramm eines akustisch-optischen Lichtfilters nach der Erfindung.

Fig. 2 ein Diagramm des prozentualen Transmissionsvermögens bei der optischen Bandpaßfrequenz des Filters über der akustischen Leistungsdichte in dem akustischoptischen Element für gefiltertes Licht der gleichen Polarisation wie das Eingangslicht und für gefil-

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tertes Licht einer Kreuzpolarisation im Verhältnis zum Eingangslicht;

Fig. 3 ein Linien-Blockdiagramtn einer anderen Ausführungsform eines akustisch-optischen Lichtfilters nach der Erfindung;

Fig. 4 ein Linien-Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines akustisch-optischen Filters nach der Erfindung;

Fig. 5 ein Linien-Blockdiagramm einer Anordnung von akustisch-optischen Lichtfiltern nach der Erfindung;

Fig. 6 ein Liniendiagramm der Anordnung nach Fig. 5 längs der Linien 6-6 in Pfeilrichtung;

Fig. 7 ein Diagramm der Amplitude über der Frequenz der mechanischen Schwingung zur Erläuterung benachbarter Resonanz-Schwingungsarten von nebeneinanderliegenden Kristallschwingern in der Anordnung der Fig. 5 und 6;

Fig. δ ein Liniendiagramm eines Lasers mit Mehrfachöffnung (Multiapertur) nach der Erfindung;

Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht der Anordnung der Fig. 8 und 10 längs der Linie 9-9 in Pfeilrichtung;

Fig. 10 ein Liniendiagramm eines anderen Lasers mit Mehrfachöffnung nach der Erfindung;

Fig. 11 ein Liniendiagramm eines Ringlasers nach der Erfindung;

Fig. 12 ein Liniendiagramm eines abstimnibaren Lasers nach der Erfindung;

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Fig. 13 ein Diagramm der Verstärkung über der optischen Weglänge -r für den Laser der Fig. 12.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes, akustisch-optisches Lichtfilter 1 dargestellt. Dieses Filter 1 ist ähnlich demjenigen, das in dem genannten Aufsatz "Acousto-Optic Tunable Filter"in der Zeitschrift "Journal of the Optical Society of America" beschrieben wurde; dies gilt mit der Ausnahme, daß das optisch anisotrope Medium auch piezoelektrisch ist und die akustische Welle in dem optisch anisotropen Medium durch ein elektrisches Feld erregt ist, da,s an das piezoelektrische Glied angelegt wird. Das Lichtfilter 1 weist eine optisch anisotrope piezoelektrische Platte 2 auf. Geeignete piezoelektrische optisch anisotrope Medien weisen piezoelektrische doppelbrechende Kristalle wie Quarz oder LiNbO, auf. Neben dem Kristall 2 an gegenüberliegenden Seiten dieses Kristalles sind optisch transparente Elektroden 3 und 4 angeordnet. Geeignete optisch transparente Elektroden 3 und 4 weisen relativ offene Drahtgitter-Strukturen oder dünne metallische Beschichtungen auf, die optisch transparent sind, beispielsweise eine Beschichtung aus Zinnoxyd mit einer Dicke von einigen Tausend Angstrom. ^.

An die Elektroden 3 und 4 wird eine Spannung mit Radiofrequenz über Leiter 5 und 6 'angelegt, die mit einem

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Signalgenerator verbunden sind, der eine Quellenimpedanz aufweist. Eine Lichtquelle 9 ist so angeordnet, daß sie einen zu filternden Lichtstrahl 11 durch'einen linearen Eingangspolarisator 12 zur Polarisierung des Lichtstrahles 11 in einer ersten linearen Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung, projiziert. Der polarisierte Lichtstrahl gelangt dann durch die transparente Elektrode 3 in den optisch anisotropen doppelbrechenden Kristall 2 zur kollinearen Beugung an einer akustischen Welle, um die Polarisation dieses Teiles des einfallenden Lichtes, dessen optische Frequenz auf die Frequenz der akustischen Welle durch die Gleichung 1 bezogen ist, in Licht einer zweiten Polarisation zu beugen, das zur Richtung der ersten Polarisation orthogonal ist. Der gebeugte Ausgangslichtstrahl gelangt dann durch einen Polarisationsanalysator 13, beispielsweise einen linearen Polarisator und ist in der Richtung der zweiten (beispielsweise horizontalen) Polarisation polarisiert, so daß der Ausgang des Polarisationsanalysators 13 einen Strahl 14 abgibt, der lediglich aus demjenigen Teil des Lichtes des Eingangsstrahles 11 besteht, der von der ersten in die zweite Polarisation umgesetzt wurde.

Das akustisch-optische Lichtfilter 1 der Fig. 1 macht von der kollinearen akustisch-optischen Beugung in einem optisch doppelbrechendem Medium Gebrauch. Es wird eine Kristall-

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orientierung für den Kristall 2 gewählt, so dr.:\ der einfallende linear polarisierte Lichtstrahl 11 an der akustischen Welle von der Eingangspolarisation in eine zweite orthogonale Polarisation gebeugt wird. Bei einer gegebenen akustischen Frequenz erfüllt nur ein kleiner Bereich der Lichtfrequenzen eine Bedingung für die Momentenvektoren k und wird kumulativ gebeugt. Wenn die akustische Frequenz geändert wird, so ändert sich das Band der Lichtfrequenzen, welches das akustisch-optische Element von der ersten Polarisation in die zweite Polarisation beugt. Die Beugung in die zweite orthogonale Polarisation tritt bei Quarz über die photoelastische Kenstante P» . auf und ist nur dann kumulativ, wenn die Gleichung

erfüllt wird, wobei die Indizes und . die gewöhnlichen und die besonderen optischen Wellen und die akustische Welle bezeichnen. Dies ist der Fall, wenn die optischen und akustischen Frequenzen f und f die Gleichung erfüllen:

c f

f =

ο ν|Δη[ Gl. (1)

wobei ~ das Verhältnis der optischen Geschwindigkeit im Vakuum zu der akustischen Geschwindigkeit in dem Medium und Δη die Doppelbrechung des Kristalles ist. Die Bandbreite bei halber Leistung des Durchlaßbandes des optischen Filters ist durch die Gleichung gegeben:

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wobei B.W. die Bandbreite bei halber Leistung in Anzahl der Wellen pro Zentimeter des Durchlaßbandes, L die Wechselwirkungslänge der optischen und akustischen Felder in dem Kristall und Δη die Doppelbrechung des Kristalles sind.

Das prozentuale Lichttransmissionsvermögen durch das optische Filter 1 bei der optischen Bandpaßfrequenz f ist in Fig. 2 dargestellt. Der Prozentsatz des Lichtes der optischen Bandpaßfrequenz f , welches von der Eingangspolarisation in die Kreuzpolarisation gebeugt v.'ird, ist in Kurve 16 als Funktion der akustischen Leistungsdichte in dem Kristall 2 dargestellt. Daher hat der /uisgangsstrahl 14 eine Transmissionscharakteristik, welche durch die Kurve 16 wiedergegeben wird.

Im Falle des piezoelektrischen Quarzkristalles 2 ist die Quarzplatte 2 vorzugsweise für eine Dickenschub-Schwingungs art oder Dickenausdehnungs-Schwingungsart geschnitten, urn den höchstmöglichen Faktor Q für die akustische Resonanz-Schwingungsart zu erhalten. Da die Energie in der stehenden Welle Q mal dem Energieverlust pro Zyklus ist, kann eine beträchtliche Steigerung im Wirkungsgrad durch die Verwendung einer Resonanzschwingungsart mit hohem Q erwartet

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werden. Die erforderliche akustische Frequenz, um ein Durchlaßband in dem optischen Spektrum für typische doppelbrechende Materialien zu erzeugen, liegt in der Größenordnung von 10 bis 100 MHz. Wenn der Kristall auf eine Dicke für eine Grundwellen-Resonanz zugeschnitten ist, so wird er im Falle von Quarz extrem dünn. Folglich ist eine beträchtliche Steigerung der erforderlichen akustischen Leistung für ein Transmissionsvermögen von 100 % bei der Bandpaßfrequenz erforderlich, da die akustische Leistungsdichte bei 100 % Transmissionsvermögen mit l/L" eingeht. Daher wird der Betrieb bei einer höheren Obertonordnung bevorzugt, obgleich der Kopplungskoeffizient herabgesetzt wird.

Jede der drei Dicken-Schwingungsformen ergibt ungeradzahlige Oberschwingungen, von denen jede erzeugt werden kann, um ein Durchlaßband in dem optischen Spektrum zu erzeugen, das der zugeordneten akustischen Frequenz für jede der Dicken-Schwingungsformen der Obertöne entspricht. Daher kann ein Kamm von optischen Frequenzen, die näherungsweise den ungeraden ganzzahligen Vielf hen horizontal sind, gleichzeitig oder getrennt durch "as optische Filterelement geschickt werden, indem selektiv die piezoelektrisch^bewirkten Resonanzzustände erreicht werden. Beispielsweise kann ein Quarz, der y-geschnitten ist für die Dickenschub-Schwingungsform und der eine Dicke von etv,^Ta

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1,5 mm aufweist, mit den 9. , 11. und 13. Obertönen betrieben werden, um verschiedene Farben oder optische Frequenzen, beispielsweise rot, gelb und blau im sichtbaren Spektrum auszusenden. In einem anderen Beispiel kann ein Quarz mit einer Dicke von 1,398 mm mit 11., 13. und 17. Obertönen angeregt werden, um Bandpaßfrequenzen der Farben rot, grün und blau bei den Wellenlängen 6465Ä, 5471 A und 4183 & abzugeben. Die Breite des Bandpasses zwischen den Punkten bei halber Leistung beträgt für einen derartigen Kristall bei einer Wellenlänge von 5893 A (entsprechend der gelben optischen Frequenz) ungefähr 272 A. Es ergibt sich daher in dem vorstehenden Beispiel, daß das akustisch-optische Filter schrittweise mit der akustischen Fr'equenz gespeist werden kann, die den 11.,' 13. und 17. Obertönen entspricht, um schrittweise oder gleichzeitig rote, grüne und blaue Farben als Ausgangsstrahl 14 abzugeben. Durch Einstellung der Amplitude der Schwingungen des Obertonkristalles 2 kann der Betrag an rot, grün und blau geregelt werden. Die drei Obertöne können gleichzeitig oder schrittweise angeregt v/erden, um näherungsweise jeden gewünschten Farbausgang durch Mischung geeigneter Beträge von rot, grün und blau während der Transmissionsperiode zu erhalten.

Beim Entwurf eines akustisch-optischen Filters 1 zur Aussendung einer spezifischen Farbe wird ein Kristallmaterial

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κ -.ζ einem optischen Transmissions vermögen bai der betreffenden Wellenlänge, vorzugsweise mit einer großen piezoelektrischen Konstanten und einer großen akustisch-optischen Konstanten und einer kleinen Doppelbrechung gewählt. Die ' akustische Frequenz wird durch Gleichung (1) bestimmt. Der verbleibende Parameter ist die Ordnung des Obertones. Dieser Parameter wird gewählt, um die gewünschte Bandbreite für das Filter zu erhalten. Falls eine große Bandbreite für . das Filter gewünscht ist, wird eine relativ kleine Dicke gewählt und die akustische Frequenz wird durch eine piezoelektrisch angeregte Resonanz bei einem Oberton einer relativ niedrigen Ordnung gewählt, dessen Frequenz auf die gewünschte akustische Frequenz abgestimmt ist. Somit wird die Dicke im Hinblick auf die Bandbreite best inen t und um eine gev/ünschte Unterfrequenz (submultiple) bereitzustellen. Wenn eine schmale Bandbreite angestrebt wird, würde der Resonator relativ dick ausgeführt und die Obertonordnung vergrößert.

Bei dem akustisch-optischen Lichtfilter 1 der Fig. 1 kann der akustische Resonator oder Vibrator 2 bei seiner akustischen Resonanzfrequenz über eine Frequenz betrieben werden, die ihm von einem Signalgenerator 7 zugeführt wird. Andererseits kann der akustische Resonator 2 als frequenzbestimmendes Element der Treiberschaltung verwendet und der Frequenzoder Signalgenerator 7 durch ei.nen einfachen Verstärker

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mit positiver Rückkopplung durch den frequenzbestiinmenden Kristall 2 ersetzt werden. In djLesem Fall schwingt das Filter lediglich bei der akustischen Schv/ingungsfrequenz des Kristallresonators 2. Es können abgestimmte, nicht dargestellte elektrische Filterelemente verwendet werden, um die spezielle anzuregende Obertonfrequenz auszuwählen. Derartige zusätzliche abgestimmte Schaltkreise können über geeignete Gatter den Leitungen 5 oder 6 parallel geschaltet werden, um eines oder mehrere der Filterelemente auszuwählen, die schaltungsmäßig mit dem Resonator zu verbinden sind, um eine bestimmte angestrebte Obertonresoi.jnz auszuwählen .

In Fig. 3 ist ein anderes akustisch-optisches Filter 21 nach der Erfindung dargestellt. Das Lichtfilter 21 ist ähnlich dem akustisch-optischen Filter in der·! genannten Artikel in "Applied Physics Letter", Band 15, vom 15. November 1969. Das akustisch-optische Element ist im wesentlichen das gleiche wie das der Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Elektrode 4 reflektiert, so daß der einfallende Lichtstrahl, durch ein Rochon-Polarisationsprisma 22 vertikal polarisiert, nach dem Durchgang durch den Resonator 2 ref lektj ert wird und der gebeugte Ausgangsstrahl 11 in das Prisma 22 zurückgeworfen wird. Das Prisma 22 ist derart angeordnet, daß Licht, welches in bezug auf

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das Eingangslieht kreiizpolarisiert ist,, als Ausgangsstrahl 14 reflektiert, wird. Somit hat der Ausgangestrahl 14 die Bandpaßcfaarakterls.tik der Kurve 16 der Fig. 2«

In, Fig. 4 ist wiederum eine andere Ausführungsform der· Erfindung dargestellt. Das akustisch-optische Lichtfilter

23 der Fig,. 4 ist im wesentlichen das gleiche wie das vorher unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene, jedoch. wurde der Analysator 13 für die Äusgangspolarisation durch einen Rochon-Polarisationsanalysator oder ein Px-isma

24 ersetzt. Das Prisma 24 ist derart angeordnet _r daß Licht der gleichen Polarisation wie der Eingangslichtstrahl 11 durch das Rochon-PrisKui 24 als Ausgangs strahl

25 gelangt, wogegen Licht der fcur Eingangspolarisation orthogonalen Polarisation von dam Prisma 24 als Ausgangsstra'il 14 reflektiert wird. Der Ausgangsstrahl 14 hat die Bandpaßcharakteristik der Kurve 16 der Fig. 2, -wogegen der Ausgangsstrahl 25 die Transmissionscharakteristik der Kurve 26 der Fig. 2 bei der optischen Bandpaßfreguenz aufweist. Daher erzeugt der Frequenzgenerator 7 akustii5che Frequenzen f„_r f, und f , weiche den optischen Bandpaßfrequenzen f im roten, grünen und blauen Spektrum entsprechen. Das Ausgangsspektruir. für den Ausgangsstrahl hat die Spektralcharakteristik des Spektraldiagrammes (a), wogegen der Ausgangsstrahi 25 dem Spektraldiagramm (b) entspricht.

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Pig, 5 und 6 -zeigen eine weitere Äusführungsform der Erf indTing,, ,Die Vorrichtung der iFlg, 5 und 6 1st im wesentlichen die gleiche wie diejenige der -Fig. 1, jedoch ist eine AnOrdnung .derartiger akustischer optischer Filter 1 auf einem einzigen .Substrat-Kristall 2 vorgenommen worden. Es wurden bereits mehrere-akustische Resonatoren oder Schwinger in einem einzigen Hr.1 st al !-,Substrat angeordnet, ■wie sich aus Aufsätzen in °I,IE,E-E„ International Convention Record", 1967, und in "Proceedings of the 17th Annual Frequency Control Symposium" ergibt. Einzelne Krista11vibrato rabschnitte oder akustische Resonatorabschnitte können eine oder zwei verschiedene Konfigurationen annehmen. Eei einer ersten, sogenannten "mesa" Konfiguration werden dünne Elektroden 3 und 4 in einem Punkteanuater auf' gegenüberliegenden Seiten des Substrates 2 angeordnet, wobei die Elektroden transversal zμeinander liegen.

Das Substrat 2 weist zwischen den Elektrodenabschnitten 3 und 4 eine Dicke auf, die größer als die Dicke des Würfels oder Kristalles 2 in dem Bereich ist, der unmittelbar jeden der Kristallresonatoren oder Schwinger umgibt. Bei der Mesa-Konfiguration ist die physikalische Belastung des Kristallresonators oder Vibrators vernachlässigbar.

Bei einer zweiten Resonator-Konfiguration haben die Elektroden 3 und 4 eine Dicke, die ausreicht, um eine beträcht-

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liehe physikalische Belastung für den Kristailvibratorabschnitt zwischen den Elektroden zu ergeben. Die Belastung ist ausreichend, so daß die akustische Frequenz oder Vibratorfrequenz bei der speziellen Dicken-Schwingungsform wesentlich geringer ist als für die unmittelbar angrenzenden Bereiche des Kristalles, die den speziellen Vibrator umgeben.

Sowohl bei der Mesa-Konfiguration als auch bei der belasteten Konfiguration bildet der Kristallbereich zwischen benachbarten Resonatoren oder Vibratoren den Bereich des Kristalles 2, der für die spezielle Dicken-Resonanz-Schwingungsform des Vibratiors abgeschnitten ist. Dieses Phänomen ist bekannt als "energy trapping",' da die akustische Resonanzenergie in einen derartigen Fall innerhalb der einzelnen Resonator- oder Vibratorabschnitte des gemeinsamen Substrates 2 eingefangen wird.

Der Faktor Q für die akustischen Resonatoren oder Vibratoren kann extrem hoch sein und in der Größenordnung von

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IO liegen. Jeder der Resonatoren wird für eine geringfügig unterschiedliche Frequenz abgestimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jeder akustische Resonator oder Vibrator frequenzmäßig von allen anderen Vibratoren durch wenigstens die Resonanzbreite, d.h. ^r getrennt. In einem solchen Fall ist es möglich, mehrere Tausend unabhängiger akustischer Resona^ toren oder Vibratoren auf einem einzigen Substrat 2 zu er-

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_ IQ _

zeugen, von denen sich jeder von allen anderen durch seine Resonanzfrequenz unterscheidet. Beispielsweise werden in einem Material und bei Frequenzen, für die der Wert Q IO ist, 1 000 diskrete Resonatoren auf einem einzigen Substrat mit einem Gesamt-Frequenzspektrum von nur einem Prozent vorgesehen. Die Anregungsfrequenz kann dazu verwendet werden, um den speziellen Resonator zu adressieren, der angeregt v/erden soll.

Bei einer Anordnung von 30 Resonatoren in der X-Richtung und 30 Resonatoren in der Y-Richtung, die in Reihen und Spalten angeordnet sind, hat jeder Resonator einen Wert Q

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von mehr als 10 , so daß jeder Resonator in der ersten Reihe von seinem nächsten Nachbarn um den Wert 10 der Resonanzfrequenz getrennt wäre. Daher wäre die Frequenz des letzten Resonators in einer Reihe frequenzmäßig von dem

_4 ersten Resonator in der Reihe durch 3 χ 10 Hz getrennt.

Der Anfang der nächsten Reihe ist frequenzniäßig von dein letzten Glied der vorhergehenden Reihe durch 1 χ 10 getrennt und die gesamte Anordnung ist mit einer digitalen Bezeichnung der Reihen und Spalten adressierbar. Eine dezimale Bezeichnung der Adresse gibt die Reihen durch die Ziffern niedrigster Ordnung .und die Spalten durch die Ziffern höherer Ordnung an. Beispielsweise würde in einer Ordnung von 10 χ 10 die am wenigsten bedeutsame Ziffer dasu verwendet, um den speziellen Resonator in einer Reihe zu

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bezeichnen, während die nächst bedeutsamere Ziffer dazu verwendet würde, um die Spalte zu»bezeichnen. Da große Anordnungen erzeugt werden können,, indem ein sehr kleiner Teil des Frequenzspektrums zur Bezeichnung der Adresse verwendet wird, können, wie bereits beschrieben, Mehrfach-Obertöne angeregt werden, um verschiedene Farben abzugeben. Bei einer zweidimensxonalen Anordnung nach Fig. 6 kann die Position der Reihe urü der Spalte sowie die der Farbe durch die Frequenz adressierbar sein. Die Frequenz des Signalgenerators 7 wird programmiert, um die gewünschte Farbdarstellung zu ergeben, wie sie zur Betrachtung des gefilterten Ausgangslichtes erscheint.

Da jeder Vibrator oder akustischer Resonator einen endlichen akustischen Wert Q hat, hat die Darstellung einen Kurzzeit-Speicherwert. Durch Multiplex-Ableitung der Frequenz vom Generator 7, welche der Anordnung zugeführt wird, werden verschiedene Resonatoren aufeinanderfolgend erregt. Dies ermöglicht es, daß eine passive Darstellung verfügbares Licht oder gewünschtenfalls eine sehr helle Darstellung helle Lichtquellen 9 verwendet. Als Alternative arbeiten alle akustischen Resonatoren oder Vibratoren in der Reflexions-Betriebsart, die an Hand der Fj ψ, 3 erläutert wurde, um eine Darstellung zu erhalten, die i.^flektiertes? Licht benutzt.

In einer Anordnung von 35 Elementen geir.äß Fig. 6 arbeitet

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der erste mechanische Schwinger mit dem 13. Oberton der Dicken-Schwingungsform bei beispielsweise 50 MHz. In diesem· Fall hätte das Kristallsubstrat 2 in dieser Ecke eine Dieke von etwa 0,436524 mm (0,017186 inch) ., wenn es sich um Quarz handelt. Der fünfte mechanische Vibrator oder akustische Resonator hätte eine Resonanzfrequenz von 50,005 MHz und das Kristallsubstrat 2 hätte an dieser Stelle eine Dicke von 0^436481 mm (0,01718428 inch). Die Dicke des Kristalles an diesem Rand wäre um 0,000044 mm (1,72 χ 10 inch) geringer als der Rand nahe dem ersten Resonator 1. Der 31. Resonator hätte eine Resonanzfrequenz von 50/031 MHz und der Kristall wäre an dieser Stelle 0,436254 mm (0,01717535 inch) dicker und 0,000271 mm (10,65 χ 10 inch) dünner als der Kristall 2 am ersten Resonator. Der 35. Resonator hätte eine Resonanzfrequenz von 50,035 MHz und an dieser Stelle eine Dicke von 0,46219 mm (0,01717397 inch) und wäre damit um 0,000306 mm (12,03 χ 10 inch) dünner als der Kristall beim ersten Resonator.

In Fig. δ ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Lichtweg eines optischen Resonators eines Lasers (optischer Maser) 31 ist eine Anordnung akustischoptischer Filter vorgesehen, die jeweils auf eine unterschiedliche^Frequenz abgestimmt sind, wie dies beispielsweise an Hand der Fig. 5 und 6 beschrieben wurde. Der optische Maser 31 umfaßt ein Paar voneinander beabsbandeter

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Spiegel 32 und 33, wobei der Spiegel 33 teilweise reflektiert, so daß ein kleiner Prozentsatz des den Ausgangsspiegel 33 erreichenden Lichtes durch diesen als Ausgangsstrahl hindurchgelangt. In diesem Fall kann das Reflexionsvermögen des Spiegels 33 in der Größenordnung von 99 Prozent liegen, wobei ein Prozent als /uisgangsstrahl aus dem optischen Resonator herausgelangt. Die Anordnung von akustischoptischen Filtern 34 ist im Strahlengang des optischen Resonators zwischen den Spiegeln 32 und 33 angeordnet und im optischen Resonator ist auch ein geeignetes Verstärkungsmedium 35, beispielsweise eine Mischung aus Helium-Neon, Argon oder dgl. oder organischen Farben wie Rhodamine 6G vorgesehen, wobei das Medium durch Gleichstrom-Entladung oder radiofrequenter Entladung angeregt wird. Die der Anordnung von akustisch-optischen Filtern zugeführte Erregungsfrequenz wird verändert, um ausgewählte akustische Resonatoren oder Vibratoren zu adressieren und dadurch die Position des Ausgangsstrahles des optischen Masers 31 zu bestimmen.

In Fig. 10 ist ein erfindungsgemäßer optischer Maser 36 dargestellte Die Anordnung der Fig. 10 ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Fig. 8 mit der Ausnahme, daß die die Endendes optischen Resonators bildenden Spiegel 37 und 38 kugelförmige Abschnitte sind und die Anordnung der akustisch-optischen ^Pilter nach Art eines Kugelabschnittes

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ausgebildet ist. Das Verstärkungsmedium ist in dem optischen Resonator zwischen den e-.ustisch-optischen Filtern 38 und dem Spiegel 37 angeordne:. Der Ausgangsstrahl des optischen Masers 36 ist steuerbar, indem ein ausgewähltes der akustischoptischen Filterelemente innerhalb des Mosaiks oder der Anordnung 38 adressiert wird.

In Fig. 11 ist ein erfindungsgemäßer Ringlaser 41 dargestellt. Der optische Resonator für den optischen Maser 41 wird durch drei Spiegel 42, 43 und 44 begrenzt, die in den Ecken eines Dreiecks zur Reflexion des optischen Strahles des optischen Masers 41 in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind. Der Ausgangsspiegel 42 ist teilweise reflektierend, so daß ein relativ kleiner Anteil des darauf einfallenden Lichtes als Ausgangsstrahl 45 hindurchgelangen kann. Ein Paar akustisch-optischer Filter ist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, in dem Lichtweg des optischen Resonators angeordnet und auf die gleiche Bandpaßfrequenz abgestimmt und mit der gleichen Erregungsfrequenz angeregt, die vom Frequenzgenerator 7 erhalten wird. Die Filter 1 werden vorzugsweise mit hinreichender akustischer Leistungsdichte in der akustisch-optischen Einrichtung betrieben, so daß im wesentlichen ein Transmissionsvermögen von 100 Prozent bei der Bandpaßfrequenz erreicht wird. Die optische Bandpaßfrequenz der akustisch-optischen Filter 1 wird bei der gewünschten optischen Laserfrequenz des Masers

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gewählt. Es können verschiedene Obertöne des Kristalls in den akustisch-optischen Filtern angeregt werden, um verschiedene Parblichtausgänge für den Strahl 45 zu erhalten.

In Fig« 12 ist ein erfindungsgemäßer optischer Maser 46 dargestellt. Der optische Maser 46 umfaßt einen optischen Resonator, der durch den Abstand zwischen dem Spiegel 47 und dem Ausgangsspiegel 48 begrenzt ist. Der Ausgangsspiegel 48 ist nur teilweise reflektierend, so daß ein relativkleiner Anteil von etwa einem Prozent des einfallenden Lichtes als Ausgangsstrahl 49 hindurchgelangen kann. Ein Verstärkungsmedium 51 und ein akustisch-optisches Filter 1 des unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Typs sind in dem optischen Resonator zwischen den Spiegeln 47 und 48 angeordnet» Der optische Maser 46 ist über einen relativ breiten Bereich von optischen Ausgangsfrequenzen in diskreten optischen Wellenlängen nach Maßgabe verschiedener erregter Obertöne des Kristalles 2 in dem akustisch-optischen Filter. 1 durchstimmbar. In Fig. 13 ist ein Ausgang dargestellt, wobei die Verstärkung des Masers als Funktion des Kehrwertes der optischen Wellenlänge des Ausgangsstrahles 49 dargestellt ist. λ,,λ_, λ,., \_η, und λ entsprechen verschiedenen ungeraden Obertönen η (η ungerade, ganzzahlig) des in dem akustisch-optischen Filter verwendeten Kristalles 2. Der Ausgangsstrahl ist auf diese verschiedenen Ausgangsfrequenzen abgestimmt, indem der entsprechende Oberton

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des Kristalles gespeist wird.

Der Ausdruck "Licht" bedeutet in dieser Anmeldung elektromagnetische Strahlung. Derartiges Licht braucht nicht auf das sichtbare Spektrum begrenzt zu sein. Die Vorzüge kollinearer Beugung sind:

1. Die enge winkelmäßige Toleranzcharakteristik der Bragg'sehen Beugung wird gemildert. Eine winkelmäßige Abweichung des einfallenden Lichtstrahles ergibt nur eine Verschiebung zweiter Ordnung in dem Durchlaßband in Form einer cos-Funktion des Winkels zwischen dem akustischen Vektor K und den einfallenden optischen Vektoren K;

2. der Umfang der Wechselwirkung der akustischen und optischen Strahlen wird wegen der kollinearen Ausbreitung verstärkt; daher kann der Wirkungsgrad der Lichtumsetzung auf nahezu 100 Prozent erhöht und die erforderliche akustische Leistung für eine wirksame Umsetzung drastisch herabgesetzt werden.

In einigen doppelbrechenden Kristallen sind der Vektor der Phasengeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeit nicht kollinear. Der Winkel__zwisch'en ihnen kann etv/a 20 im Falle von Quarz betragen. In einem solchen Fall kann der Lichtstrahl entweder zur Phasengeschwindigkeit oder zur Gruppengeschwindigkeit bei- entsprechenden Vorteilen

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und Nachteilen kollinear sein.

Wenn der Lichtstrahl mit der Phasengeschwindigkeit !collinear ist, wird der Vorteil der cos-Abhängigkeit der Bandbrei-ten-Mittenfrequenz bei einer Abweichung mit dem Nachteil erhalten, daß der Lichtstrahl schnell aus dem akustischen Strahl auswandert, da sich die Energie in der Richtung der Gruppengeschwindigkeit ausbreitet und nicht mit dem Lichtstrahl kollinear ist. Daher kann eine schmale Bandcharakteristik in diesem Falle auf Kosten entweder einer höheren akustischen Apertur oder einer höheren akustischen Leistung erreicht werden.

Wenn andererseits der Lichtstrahl kollinear zur Gruppengeschwindigkeit gemacht wird, wird der Vorteil der wirkungsvollen Verwendung der akustischen Energi.e erhalten, aber der Winkel·zwischen dem akustischen Vektor K und dem optischen Vektor K ist nicht langer Null und die Verschiebung im Zentrum des optischen Durchlaßbandes bei einer Abweichung im optischen Strahl ist eine Funktion des cos des Winkels zwischen den akustischen und optischen Vektoren K, die nicht länger Null ist. Dies führt zu einem breiteren Bandpaß bei der gleichen winkelmäßigen Abweichung. In Grenzfällen, in denen die Ausbreitung weder exakt kollinear zur Phasengeschwindigkeit oder zur Gruppengeschwindigkeit ist, treten entsprechende Über-

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schneidungen auf. Bei solchen doppelbrechenden Kristallen, bei denen die Phasengeschwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit nicht kollinear sind, trägt die nicht-kollineare Ausbreitung des Lichts in dem Filter zu ähnlichen nachteilhaften Effekten für das Filter bei. Daher bedeutet "im wesentlichen kollinear", daß die Licht-und Akustikvektoren "hinreichend kollinear sind, um die Vorteile einer wirkungsvollen Verwendung der akustischen Leistung auszunutzen und sich mit den erforderlichen Bandpaß-Filtercharakteristiken zu vertragen.

Wie sich aus Gleichung 2 ergibt, ist die Bandbreite des akustisch-optischen Filters umgekehrt abhängig von der Länge L der Wechselwirkung durch den Kristall. Bei akustischoptischen Resonanzfiltern kann die Weglänge relativ kurz und daher die Bandbreite relativ weit sein. In solchen

Fällen können die Vektoren für die optischen und akustischen Wellen eine beträchtliche Abweichung aufzeigen, während immer noch die Vorteile der kollinearen Beugung erhalten bleiben, da die akustisch-optische Wechselwirkung bei einem relativ hohen Faktor Q erfolgt, und die Wechselwirkung nur mit dem cos des Winkels der Abweichung abfällt.

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Claims

Hewlett-Packard Comp.

1501 Page Mill Road
Palo Alto
California 94304
USA

Case 591

3. August 1971

Patentansprüche

l.y Akustisch-optisches Filter zur Lichtfilterung, dadurch gekennzeichnet , daß es ein piezoelektrisches, optisch anisotropes Medium (2) aufweist,eine Vorrichtung (7, 8) ein elektrisches Feld mit Radiofrequenz an das piezoelektrische, optisch anisotrope Medium anlegt und darin eine akustische Welle mit der Frequenz des angelegten Feldes und einer auf die optische Frequenz des zu filternden Lichtes bezogene Frequenz anregt, das piezoelektrische, optisch anisotrope Medium einen einfallenden Lichtstrahl einer ersten Polarisation und zu filternden, optischen Frequenz in Licht einer zweiten Polarisation an der akustischen Welle im V/esentlichen kollinear beugt, und eine Einrichtung (13) den gebeugten Lichtstrahl analysiert und Licht der zweiten Polarisation von Licht der ersten Polarisation trennt und dabei Licht der auf die Frequenz der akustischen Welle bezogenen optischen Frequenz

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von dem einfallenden Lichtstrahl ausfiltert.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (7) zur Abgabe eines elektrischen Feldes mit Radiofrequenz an das piezoelektrische,
optisch anisotrope Medium (2) ein Paar beabstandeter Elektroden (3, 4) aufweist, die an dem piezoelektrischen, optisch anisotropen Medium angeordnet sind.

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (12) der Elektroden für den einfallenden Lichtstrahl im wesentlichen transparent ist
und das piezoelektrische, optisch anisotrope Medium (2)
derart zu dem einfallenden Lichtstrahl angeordnet ist,
daß der einfallende Lichtstrahl durch die im wesentlichen transparente Elektrode in das piezoelektrische, optisch .. anisotrope Medium gerichtet ist.

4. Filter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das piezoelektrische, optisch
anisotrope Medium derart bemessen ist, daß es bei der
Frequenz des angelegten elektrischen Feldes eine Resonanzschwingung aufweist.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische, optisch anisotrope

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Medium eine Kristallplatte mit einer solchen Stärke ist, daß bei der Frequenz des angelegten elektrischen Feldes eine Dicken-Schwingungsform auftritt.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kristallplatte derart bemessen ist, daß bei der Frequenz des angelegten elektrischen Feldes eine Oberton-Dicken-Schwingungsform auftritt.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen des radiofrequenten elektrischen Feldes an das piezoelektrische, optisch anisotrope Medium eine Einrichtung avifweist, die schrittweise elektrische Felder verschiedener Frequenzen (f_R/

f_n, f^) erzeugt und an die Kristallplatte (2) anlegt, die den Frequenzen der verschiedenen Oberton-Dicken-Schwingungsformen der Kristallplatte entsprechen und schrittweise verschiedene Oberschwingungen des Kristalles anregen und dabei schrittweise Licht entsprechend unterschiedlicher optischer Frequenzen von der ersten Polarisation in die zweite Polarisation beugen,

8. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Kristallplattenschwinger räumlich getrennt angeordnet sind, jeder der Schwinger für eine Dicken-Schwingungsform bei verschiedenen Frequen-

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zen ausgelegt ist, die Anordnung der Schwinger derart getroffen ist, daß das zu filternde Licht auf die Anordnung von Schwingern gerichtet ist, eine Einrichtung ein elektrisches Feld mit Radiofrequenz an die Schwingeranordnung anlegt, und eine Einrichtung die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes ändert und die Resonanz verschiedener Schwinger der Anordnung gemäß der Frequenz des angelegten elektrischen Feldes erregt und eine entsprechende räumliche Trennung des von der ersten in die zweite Polarisation gebeugten Lichtes erzeugt.

9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplattenschwinger in einer geordneten Matrix gemäß zunehmenden oder abnehmenden Resonanzfrequenzen angeordnet sind.

3.0. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplattensehwinger in einer gemeinsamen kristallinen Platte angeordnet sind, jeder der Schwinger von anliegenden Schwingern durch Bereiche der gemeinsamen kristallinen Platte beabstandet sind, Vielehe für die Frequenzen der Resonanzschwingungen der benachbarten Schwinger abgeschnitten sind und Jedem der angeregten Schwinger einen Energiefang ergeben, wenn sie durch ein elektrisches Feld bei ihren speziellen Resonanzfrequenzen angeregt sind.

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11. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Resonator vorgesehen ist und das piezoelektrische, optisch anisotrope Medium in dem Lichtweg in dem optischen Resonator zum Filtern des Lichtes in dem optischen Resonator angeordnet ist.

12. Akustisch-optisches Filter, dadurch gekennzeichnet , daß es eine Anordnung optisch anisotroper, akustischer Resonatoren aufweist, die Resonatoren in dem Weg des zu filternden Lichtes und in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen quer zur Richtung des Weges des zu filternden Lichtes liegt,- die Verrichtung einen oder mehrere akustische Resonatoren in Resonanz bringt und Licht einer ersten Polarisation und einer auf die akustische Resonanzfrequenz bezogenen optischen Frequenz eines akustischen Schwingers in Licht einer zweiten Polarisation bringt, und eine Einrichtung die Polarisation des gebeugten Lichtes analysiert und Licht der ersten Polarisation von Licht der zweiten Polarisation trennt.

13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Resonatoren auf einer gemeinsamen Kristallplatte angeordnete Kristallschwinger sind, jeder der Schwinger für eine Dicken-Schwingungsform bei verschiedenen Frequenzen ausgelegt ist, die Schwinger

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'durch verschiedene Erregungsfrequenzen adressierbar sind, und die gemeinsame kristalline Platte in den Bereichen zwischen benachbarten Schwingern zum Einfangen der Anregungsenergie in den angeregten Schwingern bei ihren entsprechenden Resonanzfrequenzen bemessen ist.

14. Akustisch-optisches Filter, dadurch gekennzeichnet, daß es ein piezoelektrisches, optisch anisotropes Medium zur Aufnahme eines einfallenden Lichtstrahles mit einer ersten vorbestimmten Polarisation aufweist, das piezoelektrisch anisotrope Medium derart ausgewählt und angeordnet ist, daß der einfallende Lichtstrahl sich in einem doppelbrechenden Kristall als besondere Welle ausbreitet und einen Lichtstrahl mit einer in bezug auf den einfallenden Lichtstrahl orthogonalen Polarisation als eine andere Welle in dem doppelbrechenden System beugen und ausbreiten kann gemäß akustischen Wellen, die in dem piezoelektrischen, optisch anisotropen Medium angeregt sind, eine Einrichtung elektrische, radiofrequente Felder in das piezoelektrische, optisch anisotrope Medium einkoppelt und akustische Wellen einer vorbestimmten Frequenz in dem Medium entwickelt, die Frequenz der akustischen Wellen derart ausgewählt ist, daß sie ein phasenmäßig abgestimmtes Verhältnis ergibt, so daß die Vektorsumme der Momentenvektoren des einfallenden Lichtstrahles und der

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akustischen Wellen gleich der eines in bezug auf den einfallenden Lichtstrahl senkrecht ausgerichteten Ausgangslichtstrahles ist, und der einfallende, diese Bedingung für eine gegebene akustische Wellenfrequenz erfüllende Lichtstrahl in die orthogonale Polarisation gebeugt ist und eine Einrichtung den gebeugten Lichtstrahl analysiert und Licht der zweiten Polarisation von Licht der ersten Polarisation trennt und Licht der zweiten Polarisation von dem einfallenden Lichtstrahl ausfiltert.

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