DE2158286A1

DE2158286A1 - Acousto-optic light modulator

Info

Publication number: DE2158286A1
Application number: DE19712158286
Authority: DE
Inventors: Derek William Worcester; Hobden Maurice Vernon Malvern Worcestershire; Brown (Großbritannien)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1970-11-24
Filing date: 1971-11-24
Publication date: 1972-08-17
Also published as: GB1341411A

Description

Akustooptischer LichtmodulatorAcousto-optic light modulator

Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Lichtmodulator. The invention relates to an acousto-optic light modulator.

Es ist bisher wenig bekannt über die Lösung des schwieri- fLittle is known so far about the solution to the difficult

gen Problems der schnellen Modulation von Licht. Eine
derartige Modulation ist erförderlich sowohl für Signalzwecke als auch für das Q-Schalten von Lasern, Man hat sich bisher auf die Verwendung von Kristallen unter Ausnutzung eines elektrooptischen Effekts oder auf die Verwendung von Drehprismen zum Q-Schalten beschränkt. Dreh-gen problem of the rapid modulation of light. One
Such modulation is necessary both for signaling purposes and for Q-switching of lasers. Up to now, the use of crystals using an electro-optical effect or the use of rotating prisms for Q-switching has been limited. Turning

-HdHp(7)-HdHp (7)

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prismen sind deutlich in ihrer erreichbaren Drehzahl beschränkt, so daß es nicht möglich ist, sie für eine schnelle Lichtmodulation durch ein Signal einzusetzen.prisms are clearly limited in their achievable speed, so that it is not possible to use them for a to use rapid light modulation by means of a signal.

Es sind bereits Lichtmodulatoren entwickelt worden, die aus einer piezoelektrischen Einrichtung bestehen, die auf einem geschmolzenen Quarzblock montiert ist. Derartige Modulatoren haben verschiedene Nachteile, insbesondere einen geringen Wirkungsgrad.Light modulators have already been developed which consist of a piezoelectric device, which is mounted on a fused quartz block. Such modulators have various disadvantages, especially a low level of efficiency.

Durch die Erfindung wird ein Lichtmodulator angegeben, der aufweist einen dichten Flintglasblock mit mindestens einem von ihm getragenen piezoelektrischen Signaloder Meßumformer und eine Einrichtung zur Erregung des piezoelektrischen Signalumformers mit Hochfrequenz, so daß im Glas ein Bündel von akustischen oder .Schallwellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts erzeugt wird, wodurch Brechungsindexänderungen mit der Periodizität der Schallwelle von einem solchen Betrag entstehen, daß Licht durch die Brechungsindexänderungen, gebeugt werden kann.The invention provides a light modulator which has a dense flint glass block with at least a piezoelectric signal or measuring transducer carried by him and a device for excitation the piezoelectric signal converter with high frequency, so that in the glass a bundle of acoustic or .Schallwellen perpendicular to the direction of propagation of the light is generated, causing refractive index changes with the periodicity of the sound wave of such an amount arise that light can be diffracted by the changes in the refractive index.

Erfindungsgemäß ist ein Glas mit großem Brechungsindex notwendig. Der Wirkungsgrad wird dann beträchtlich gegenüber dem bisher mit geschmolzenem Quarz erhaltenen erhöht; z.B. kann mit besonders dichtem Flintglas die erforderliche Schalleistung um eine Zehnerpotenz verringert werden. Derartige Glassorten haben einen hohen Schallwiderstand und sind daher besser akustisch hochleistungsfähigen Signalumformerwerkstoffen angepaßt. . Diese Glassorten ergeben einen Beugungswirkungsgrad, der bedeutend geringer von der Polarisation des Lichtbündels als im Fall von Quarz abhängt.According to the invention is a glass with a high refractive index necessary. The efficiency is then considerable compared to that previously obtained with fused quartz elevated; For example, with particularly dense flint glass, the required sound power can be reduced by a power of ten will. Such types of glass have a high sound resistance and are therefore better acoustically high-performance Signal converter materials adapted. . These types of glass result in a diffraction efficiency which depends significantly less on the polarization of the light beam than in the case of quartz.

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Die Erfindung benötigt auch Signalumformer von hoher Schallimpedanz und hohem Kopplungskoeffizienten, um eine leistungsfähigere Umsetzung von elektrischer in Schallenergie zu erreichen. Derartige Signalumformer sind mit integrierten Schaltungen verträglich, wenn die Leistungsaufnahme gering ist. Typische Werkstoffe für derartige Signalumformer sind Bleizirkon(o)-Titanate, Lithiumniobat und Wolframbronze-Ferroelektrika. Vorzugsweise werden die * Signalumformer mit dem Glas durch Gold- und Indiumschichten von solchen Abmessungen anhaftend verbunden, daß die Gesamtschallbandbreite der Einrichtung hoch ist, so daß ein schnelles Lichtmodulieren und -schalten erreicht werden kann. "The invention also requires transducers of high quality Sound impedance and high coupling coefficient to enable more powerful implementation of electrical in Achieve sound energy. Such transducers are compatible with integrated circuits, if the power consumption is low. Typical materials for such signal converters are lead zircon (o) titanates, Lithium niobate and tungsten bronze ferroelectrics. Preferably the * transducers with the glass through Gold and indium layers of such dimensions that the total acoustic bandwidth of the Facility is high, allowing rapid light modulation and switching can be achieved. "

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den optischen Weg zu verkürzen und die Schallwellenlänge so weit zu erhöhen, daß die Beugung durch die Raman-Nath-Theorie anstatt nach Bragg beschrieben werden kann. In diesem Fall findet eine Beugung, in viele Ordnungen mit einem hohen Wirkungsgrad der Modulation des ungebeugten Bündels statt. Auch dies verringert die Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung der Schallwellen in bezug auf das Lichtbündel.It has proven advantageous to shorten the optical path and the sound wavelength so far to increase that diffraction by the Raman-Nath theory instead of being described according to Bragg. In this case there is an inflection into many orders the modulation of the undiffracted beam takes place with a high degree of efficiency. This also reduces the need an exact alignment of the sound waves with respect to the light beam.

■Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. |■ The invention is explained in more detail with reference to the drawing. |

Es zeigt: , ■ .It shows:, ■.

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen akustooptischen Q-Schalter gemäß der Erfindung;1 shows a longitudinal section through an acousto-optical Q-switch according to the invention;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Q-Schalters;Fig. 2 is a cross section through a modified one Embodiment of the Q switch;

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Pig.3 einen Querschnitt in Draufsicht eines Lasers mit dem Q-Schalter gemäß Fig. 1; undPig.3 shows a cross-section in plan view of a laser with the Q switch according to FIG. 1; and

Pig. 4a das Schaltbild einer Ansteuerschaltung für den Q-Schalter von Fig. 1.Pig. 4a shows the circuit diagram of a control circuit for the Q switch from FIG. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein insgesamt rechteckiger Block 1 aus dichtem Flintglas wie SP6/SF4-Schottglas auf die Abmessungen 41 * 7 * 9 mm zugeschnitten. Die beiden kleinsten Flächen 3 und 5 sind eben und parallel poliert, um optische Fenster zu bilden. Vier Bleizirkono-Titanat-Slgnalumformer 7, 9, 11, 13, die jeweils die Abmessungen 9 · 2,7 · 0,1 mm haben, sind entlang einer Schmalseite 15 des Blocks unter Verwendung von Gold- und Indiumschichten zur anhaftenden Verbindung angeordnet. DieAccording to Fig. 1, a generally rectangular block 1 is off dense flint glass such as SP6 / SF4 bulkhead glass cut to the dimensions 41 * 7 * 9 mm. The two smallest Surfaces 3 and 5 are polished flat and parallel to form optical windows. Four lead zirconate titanate signal converters 7, 9, 11, 13, each having the dimensions 9 x 2.7 x 0.1 mm are along a narrow side 15 of the block using gold and indium layers arranged for adhesive connection. the

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Fläche/gegenüber der Fläche 15 ist etwas gegen die Fläche 15 geneigt, damit die durch die Signalumformer Y, 9> H und 13 erzeugten Schallwellen nicht in derselben^re-^tuns flektiert werden, in der sie ausgesendet wurden. Das vermeidet die Entstehung einer Stehwellenverteilung, die eine unerwünschte Beugung bewirken würde.Surface / opposite to the surface 15 is slightly inclined to the surface 15, so that the will not be flexed by the transducer Y, 9> H and 13 sound waves generated in the same re- ^ ^tuns in which they were sent. This avoids the creation of a standing wave distribution that would cause undesired diffraction.

Die Signalumformer 7* 9* H und 13 sind in Reihe in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung geschaltet. Diese Schaltung ermöglicht die Erregung der Signalumformer 1,9» 11 und 13 mit Hochfrequenz bei einer Gesamtleistung von 250 mW.The signal converters 7 * 9 * H and 13 are connected in series in the circuit shown in FIG. This circuit enables the signal converters 1, 9 » 11 and 13 to be excited with high frequency with a total power of 250 mW.

Der Q-Schalter arbeitet wie folgt. Wenn die Signalumformer 7* 9> il und 13 mit Hochfrequenz erregt werden, breiten sich vier Bündel von Schallwellen im Glas aus (ein Bündel von jedem Signalumformer). Der spezielle TypThe Q switch works as follows. When the transducers 7 * 9 > il and 13 are excited at high frequency, four bundles of sound waves propagate in the glass (one bundle from each transducer). The special guy

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des Signalumformers und die Dichte des Glases sind so gewählt, daß sie eine gute gegenseitige Anpassung ergeben. Die Bündel der Schallwellen verursachen dann Brechungsindexänderungen mit der Periodizität der Schallwelle, und zwar von einem solchen Betrag, daß Licht, das in den Block 1 in Richtung senkrecht zu einer der kleinsten Flächen 3* 5 eintritt, durch die Brechungsindexänderungen gebeugt wird.of the transducer and the density of the glass chosen so that they result in a good mutual match. The bundles of sound waves then cause Refractive index changes with the periodicity of the Sound wave, and of such an amount that light entering the block 1 in the direction perpendicular to one of the smallest areas 3 * 5 occurs through which Refractive index changes is diffracted.

Die Schaltgeschwindigkeit des Q-Schalters hängt unter anderem von der Durchlaufzeit der Schallwelle durch das optische Bündel ab. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen und einen symmetrischeren Einfluß auf das Bündel auszuüben,kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, eine verbesserte Geometrie wie in Fig. 2 gezeigt zu benutzen, wo der Querschnitt eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Q-Schalters zu sehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat ein Prisma 21 aus dichtem Flintglas einen Querschnitt in Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die beiden (nicht gezeigten) Endflächen sind eben und parallel poliert, um optische Fenster zu bilden. Die drei Seitenflächen 23, 25 und 27 tragen jeweils mindestens einen Bleizlrkono-Titanat-Signalumformer 29, 351 bzw. 33· An den zu den Flächen 23, 25, entgegengesetzten Kanten 35, 37 bzw. 39 sind akustische Absorber oder Dämpfungsglieder 41, 43 bzw, 45 montiert. Ansonsten ist das Ausführungsbeispiel von Flg. 2 identisch mit dem von Flg. 1.The switching speed of the Q switch depends on among other things, on the transit time of the sound wave through the optical bundle. To increase the speed and to exert a more symmetrical influence on the bundle, it may in some cases be advantageous to to use an improved geometry as shown in FIG. 2, where the cross-section of a modified embodiment of a Q-switch can be seen. In this embodiment, a prism 21 has a dense Flint glass has a cross section in the shape of an equilateral triangle. The two end faces (not shown) are polished flat and parallel to form optical windows. The three side surfaces 23, 25 and 27 carry at least one lead-acid-titanate signal converter 29, 351 or 33 on each of the surfaces 23, 25, opposite edges 35, 37 and 39, acoustic absorbers or attenuators 41, 43 and 45 are mounted. Otherwise, the embodiment of Flg. 2 identical to that of Flg. 1.

Der Betrieb des Q-Schalters stimmt mit dem des Q-Schalters von Flg. 1 bis auf die Ausnahme überein, daß in diesem Fall Schallwellen Im Block entlang drei verschiedenenThe operation of the Q switch is the same as that of the Q switch from Flg. 1 with the exception that in this one Fall sound waves in the block along three different ones

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Linien oder Richtungen sich ausbreiten.Lines or directions spread out.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht in Draufsicht eines Lasers mit dem Q-Schalter von Pig, 1. Ein mit Neodym dotierter Yttriumaluminiuragranat-Laserstab 51 ist auf einer Brennlinie eines hohlelliptischen reflektierenden Hohlraums 53 mit einer Lampe 55 auf der anderen Brennlinie montiert. Der Stab 51 liegt in Reihe mit einem Q-Schalter 57 zwischen zwei Spiegeln 59 und 61, von denen der Spiegel 61 halbdurchlässig ist.Fig. 3 shows a cross-sectional view in plan view of a laser with Pig's Q switch, 1. A neodymium-doped yttrium aluminum uragranate laser rod 51 is on a focal line of a hollow elliptical reflective cavity 53 with a lamp 55 mounted on the other focal line. The rod 51 is in series with a Q switch 57 between two mirrors 59 and 61, of which the mirror 61 is semi-transparent.

Der Laser arbeitet wie folgt» Bei Einspeisung von Hochfrequenzenergie in den Q-Schalter 57 hat der Laserresonanzraum, der durch die Spiegel 59 und 61 begrenzt ist, keine so große Verstärkung, daß der Laser einen Lichtimpuls emittieren könnte. Daher wird durch die Energie von der Lampe 55 der Laserstab 51 weiter gepumpt. Sobald die Hochfrequenzenergie vom Q-Schalter abgeschaltet wird, wird er ein guter Lichtsender, und der Laser kann einen Lichtimpuls emittieren. Ein derartiger Lichtimpuls hat eine hohe Energie wegen des zusätzlichen Pumpens durch die Lampe 55 während der Zeit, als der Q-Schalter 57 erregt war.The laser works as follows: When high-frequency energy is fed into the Q-switch 57, the laser resonance chamber which is limited by the mirrors 59 and 61, not so great a gain that the laser one Could emit light pulse. Therefore, the energy from the lamp 55 continues to pump the laser rod 51. As soon as the radio frequency energy is turned off by the Q switch, it becomes a good light emitter, and the laser can emit a pulse of light. Such a light pulse has a high energy because of the additional pumping by the lamp 55 during the time the Q switch 57 was energized.

Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer Ansteuerschaltung für den Q-Schalter von Pig. 1. Eine übliche Einheit 71 aus einem frei schwingenden Multivibrator und einem Verstärker in integrierter Schaltungsbauweise hat zwei übliche integrierte Schaltungen SN741ON und SN74H00N einschließlich ihrer Verbindungen und Stromversorgungen. Ein Anschluß TP ermöglicht das Unterbrechen der Schwingun-Fig. 4 shows the circuit diagram of a control circuit for Pig's Q switch. 1. A common unit 71 from a free vibrating multivibrator and an amplifier Integrated circuit has two common integrated circuits, SN741ON and SN74H00N including their connections and power supplies. A connection TP enables the vibration

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gen durch Anlegen einer geeigneten Spannung. Die Multivibrator/Verstärker-Einheit 71 wird durch eine Frequenzabstiiranschaltung 73 gesteuert und beaufschlagt die Basis eines BFY50-npn-Transistors Jl über einen 1000 pF-Kondensator Cl. Die Basis des Transistors Jl ist für eine + 9 V-Stromversorgung über einen 3*3 kJl-Widerstand Rl vorgespannt, während sein Emitter geerdet ist.by applying a suitable voltage. The multivibrator / amplifier unit 71 is by a Frequency reduction circuit 73 controlled and acted upon the base of a BFY50-npn transistor Jl via a 1000 pF capacitor Cl. The base of the transistor Jl is for a + 9 V power supply via a 3 * 3 kJl resistor Rl biased while its emitter is grounded.

Die vier in Reihe geschalteten Signalumformer 7* 9> 11 und 13 in Fig. 1 (in Fig. 4 durch ein Bauelement T angedeutet) sind durch eine 0,5 /UH-Spule Ll überbrückt, um ihre große kapazitive Reaktanz auszuglei- f chen. Die Gesamtimpedanz der Kombination ist dann weitgehend ohmisch und beträgt etwa 10051. Die Parallelkombination Ll, T ist zwischen den Kollektor des Transistors Jl und einen Anschluß einer 3 /uH-Spule L2 geschaltet, deren anderer Anschluß mit der + 9 V-Stromversorgung verbunden ist. Der zur + 9 V-Stromversorgung entgegengesetzte Anschluß der Spule L2 ist über einen 0,01 /UF-Koridensator C2 geerdet.The four signal converters 7 * 9> 11 and 13 connected in series in FIG. 1 (indicated by a component T in FIG. 4) are bridged by a 0.5 / UH coil L1 in order to compensate for their large capacitive reactance . The total impedance of the combination is then largely ohmic and is about 10051. The parallel combination Ll, T is connected between the collector of the transistor Jl and one terminal of a 3 / uH coil L2, the other terminal of which is connected to the +9 V power supply. The terminal of the coil L2 opposite to the + 9 V power supply is grounded via a 0.01 / UF coridensator C2.

Eine geregelte 5,5 V-Stromversorgung wird vom Emitter eines BFY50-npn-Transistors J2 erhalten, dessen Kollek-A regulated 5.5 V power supply is obtained from the emitter of a BFY50 npn transistor J2, the collector of which

tor mit der + 9 V-Stromversorgung und dessen Basis gtor with the + 9 V power supply and its base g

mit Erde über eine in Sperrichtung vorgespannte CV7070-Diode Dl und mit der + 9 V-Stromversorgung über einen 220.Ω--Widerstand R2 verbunden ist.to earth via a reverse biased CV7070 diode Dl and is connected to the + 9 V power supply via a 220.Ω resistor R2.

Die Schaltung von Fig. 4 arbeitet wie folgt. Die Multivibrator/Verstärker-Einheit 71 kann frei mit derThe circuit of Fig. 4 operates as follows. The multivibrator / amplifier unit 71 can freely with the

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Frequenz schwingen, die durch die Frequenzabstimmschaltung 73 bestimmt ist, und die erzeugten Schwingungen werden durch den Transistor Jl weiter verstärkt. Auf diese Weise werden die Signalumformer ¹J, 9* H und 13 von Fig. 1 erregt. Ein in den Anschluß TPl eingespeister Steuerimpuls hält (kurzzeitig) den MuI-tivibrator an und ermöglicht das Zünden des Lasers.Vibrate frequency determined by the frequency tuning circuit 73, and the generated vibrations are further amplified by the transistor Jl. In this way, the transducers ¹ J, 9 * H and 13 of Fig. 1 are energized. A control pulse fed into the connection TP1 stops the multivibrator (briefly) and enables the laser to be ignited.

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Claims

1.7Light modulator consists of a block made of transparent material, which carries at least one piezoelectric signal converter, and a device for. Excitation of the piezoelectric signal converter with high frequency, so that a bundle of sound waves is generated in the transparent material perpendicular to the direction of propagation of the light, whereby changes in the refractive index occur with the periodicity of the sound waves and of such an amount that light through the like

the refractive index changes are scatterable, characterized in that the transparent material is dense flint glass.

2. Light modulator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric signal converter has a has high acoustic impedance and a high coupling coefficient.

3 · Light modulator according to claim 2, characterized in that the material of the piezoelectric signal curvature is a lead zircono titanate, lithium niobate or a tungsten bronze perroelectric.

4. Light modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the glass block (1) has two plane-parallel opposite surfaces (J, 4) that limit one optical path, a third Surface (15) from which the piezoelectric signal

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former (7, 9, H, Ij5) are carried, and no surface, which is parallel to the third surface of this opposite.

5 · Light modulator according to claim 4, characterized in that that the glass block (1) is a trapezoidal prism, of which the parallel sides (3, 5) of the Cross-sectional trapezoid form the two plane-parallel, opposite surfaces.

6. Light modulator according to claim 4, characterized in that the oil as block (1) has a triangular prism (21) with plane-parallel ends (Fig. 2).

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