DE2140548A1 - Akustooptischer lichtablenker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Lichtablenker bestehend aus einem kristallinen Schallmedium, in dera durch einen mit dem Medium verbundenen piezoelektrischen Schallv/andler Ultrasehallwellen erzeugt werden, die ein Phasengitter für den durch das Schallraedium geleiteten Lichtstrahl bilden.

Äkuötooptische Lichtabienker sind bekannt.

Man benötigt ein transparentes Schalltnedium. In ihm werden durch die Dz'uckschwankungen der hindurchlaufenden Schallwelle und infolge des elastooptischen Effektes räumlich periodische Änderungen des optischen Brechungsindex erzeugt. An diesen werden die Lichtstrahlen wie an einetu Gitter in verschiedene Ordnungen abgebeugt.

Der Beugungswinkel hängt dabei vom Abstand der Druckmaxima, d.h. von der V/ellenlange und damit von der Frequenz der Ultraschallwelle ab. ITeigt man die Einfallsrichtung des Lichtes gegen die Schallwellenfront um einen kleinen Winkel, so ist bei Schallfrequenzen oberhalb von 30 bis 50 MIIz eine Braggreflexion des Lichtes an den Vfellenfronten des Schalls zu beobachten. Die Größe des gesamten Ablenkwinkels ist gleich dem doppelten Braggwinkel. Dieser Ablenkwinkel ist proportional zur Schallfrequenz.

Damit die Variation des Ablenkwinkels möglichst groß wird, müssen Schallmedien gewählt werden, welche mit Schallwellen möglichst hohen Frequenzunterschiedes erregt werden können.

Bekannte Festkörperschallmedien sind beispielsweise Blei-

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molybat, Lithiumniobat, Tellurdioxyd und oLs -Jodsäure für den sichtbaren Spektralbereich sowie !Tellur und Germanium für den infraroten Bereich.

Zur Schallerzeugung in diesen Schallmedien müssen an diesen geeignete Schallgeneratoren angebracht werden. Man verwendet dazu im allgemeinen piezoelektrische Wandler, wobei sich als Material z.B.' Bleizirkontitanat oder auch Lithiumniobat eignet. Diese Wandler müssen mehrere Bedingungen"erfüllen. Wesentlich bei der Auswahl dieser Materialien ist der Wirkungsgrad der Ultraschallerzeugung. Yon ihm abhängig ist die Breite des Schallfrequenzbandes, innerhalb dessen der Wandler verwendbar ist.

Außerdem ist die Herstellung dieser Generatoren relativ teuer. Ein Maß für die Breitbandigkeit der Schallübertragung ist der Kopplungsfaktor des Schallgenerators. Dieser ist bei den bisher verwendeten Materialien wesentlich kleiner als bei dem erfindungsgemäß verwendeten Material. Wegen der hohen Dielektrizitätskonstanten von Lithiumniobat (30 - 84) und Keramik ( >- 1000) macht die Verwendung dieser Materialien als piezoelektrische Wandler bei Frequenzen um 100 MHz wegen der schlechten elektrischen Anpassung der Blindimpedanzen an die üblichen Innenwid er stände der HF-Generatoren (50 JT-.) Schwierigkeiten. Bei optimaler Dimensionierung liegen die Wandlerimpedanzen zwischen 1 und 10_/2_. Die bisher verwendeten Materialien reichen daher zur Erzielung einer breitbandigen und effektiven Scballerzeugung für Anwendungen wie etwa die Abtastung eines großflächigen Bildes mittels Lichtstrahlung nicht aus.

Aufgabe der Erfindung iat es deshalb, einen akustooptischen Lichtablenker anzugeben, mit dem das technische Problem der effektiven Sehallerzeugung innerhalb eines breiten Frequenzbereiches besser gelöst wird als bisher.

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Die Auf gäbe" wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schallwandler aus einkristallinem Lithiunssulfat~Monohydrat besteht. Dieser Kristall hat gegenüber den bekannten als Schallgeneratoren verwendeten Materialien mehrere Vorteile: Zum einen ist es sehr preiswert lind widerstandsfähig gegen Einflüsse durch die Atmosphäre, zum anderen läßt es sich leicht bearbeiten. Es können Kristallple/ttehen mit· Dicken bis herab' zu 25 /um hergestellt werden,-"was "wichtig- ist für die Erzeugung hoher Schallfrequenzen. Die Dicke d des Schallgenerators ist η anal ich umgekehrt proportional der im Schall-¹ generator erzeugbaren Resonanzfrequenz fr gemäß der Beziehung fr ~-<rx- · ν bedeutet die Schallgeschwindigkeit im Kristall, die mit 5500 m/s auch relativ hoch liegt.

Der oben erwähnte Kopplungsfaktor beträgt bei Lithiumsulfat-Monohydrat 0,38, bei Mthiuniniobat beispielsweise dagegen nur 0,19· In Lithiumsulfat-Monohydrat-Einkristallen lassen sich Schallwellen mit Frequenzen in einem Bereich bis zu über 100 MHz erzeugen. Als Schallmedium wird insbesondere qL- -Jodsäure gewählt, an das Lithiumsulfat-Monohydrat hervorragend angepaßt ist. ¥egen seiner im Gegensatz zu den ferroelektrischen Wandlersubstanzen Lithiumniobat und Lithiumtantalat kleinen Dielektrizitätskonstanten läßt sich der Wandler in einem reinen longitudinalen Mode in dem hohen Frequenzbereich von 100 bis 200 MHz mit den üblichen Hochfrequenzsendern von 5OJ2_Innenwiderstand betreiben. Dadurch wird die breitbandige elektrische Anpassung zwischen Generator und Wandler erleichtert.

Da nur geringe dielektrische HF-Verluste in Lithiumsulfat-Monohydrat vorliegen, ist die Anregung der akustischen Lichtablenker mit elektrischen Leistungen über 1 Watt möglieh.

In der Figur ist ein Aunführungsbeispiel des akustooptischen Liehtab'J c-iikers dargestellt.

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ORIGINAL INSPECTED

Durch einen frequenzvariablen Oszillator 1 wird der piezoelektrische Wandler 2 aus Lithiumsulfat-Monohydrat mit einer Plättchendicke von 40 /um angeregt. Zur Zuführung der elektrischen Energie ist der Wandler 2 auf swei gegenüberliegenden Seiten mit Goldschichten als Elektroden 3 und 4 versehen. Die Elektrode 4 sitzt unmittelbar auf einem Schallmedium 5 aus <?C -Jodsäure-auf, an das sich ein Schallabsorber 6 aus Glas anschließt. Der Wandler 2 erzeugt in dem-Sehallmedrum 5 eine Ultraschallwelle 7 mit den eingezeichneten ebenen Wellenfronten 8,· deren Abstand der Schallwellenlärige entsprechen. Im Schallabsorber 6 läuft die Schallwelle schräg zur Schallwellenrichtung im Schallmedium 5 weiter. Schallreflexionen an der Grenzfläche des Schallmediums 5 zum Schallabsorber 6 können daher nicht zu einer Störung des Lichtablenkbetriebes führen. Ein von links einfallender paralleler Laserstrahl 9 wird an den Wellenfronten des Schalls 8 gebeugt und in die Richtung 10 abgelenkt.

1 Figur

3 Patentansprüche

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Claims (3)

214054; Patentansprüche

1. Akustooptischer Lichtablenker bestehend aus einem kristallinen Schaum edium,, in dem durch einen mit dem Medium verbundenen piezoelektrischen Schallwandler Ultraschallwellen erzeugt werden_s die ein Phasengitter für den durch das Schallmedium geleiteten Lichtstrahl bilden, dadurch gekennzeichnet , daß der Schallwandler aus einkristallinem Lithiumsulfat-Monohydrat besteht.

2. Akustooptischer Lichtablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lithiumsulfat-Monohydrat-Kristall als Longitudinal-Schwinger verv\rendet wird.

3. Akustooptischer Lichtablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Schallmedium -Jodsäure verwendet wird.

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