DE2164712C3 - Akusto-optisches Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akusto-optisches Filter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es sind elektronisch abstimmbare, akusto-optische Filter bekannt, bei denen Licht einer ersten Polarisationsrichtung kollinear mit einer akustischen Welle durch ein optisch anisotropes Medium, beispielsweise einen doppelbrechenden Kristall, wandert und von der akustischen Welle aus der ersten in eine zweite Polarisationsrichtung gedreht wird. Das Licht der zweiten Polarisationsrichtung kann von demjenigen der ersten Polarisationsrichtung mittels eines Analysator getrennt werden. Die Frequenzen der akustischen Welle und der optischen Welle stehen in einem solchen Verhältnis zueinander, daß die Bandpaß-Charakteristik des akusto-optischen Filters über einen Bereich optischer Frequenzen geändert oder bestimmt werden kann, indem die Frequenz der akustischen Welle verändert wird. Ein derartiges akusto-optisches Filter ist beschrieben in »Journal of the Optical Society of America«, Band 59, Nr. 6, Juni 1969, S. 744 bis 747 und in »Applied Physics Letters«, Band 15, Nr. 10, 15, November 1969, S. 325 und 326.

Bei den bekannten Filtern wird die akustische Welle längs einer Achse des Kristalles kollinear zu der optischen Strahlenachse geleitet. Die akustische Welle wird von einer Seite her in den Kristall eingeleitet und dann an einer Stirnfläche des Kristalles derart reflektiert, daß sie längs der gewünschten Achse verläuft. Die optische Welle wird durch diese Stirnwand so eingeführt, daß sie kollinear mit der akustischen Welle verläuft. Wenn die Eingangsbtirnwand für eine geeignete Reflexion der akustischen Welle abgewinkelt ist, hat sie keine optimale Transmissionscharakteristik für die optische Welle, was zu verminderten Aperturen und unerwünschten Transmissionsverlusten führt

Es sind akusto-optische Filter bekannt, in denen ίο sowohl die akustische Welle als auch der Lichtstrahl kollinear durch eine Eingangsendfläche gerichtet werden, die senkrecht zur Achse des Strahlenganges durch das Filtermedium verläuft Um dies zu erreichen, wird ein optisch transparenter elektroakustischer Wandler an der Eingangsendfläche verwendet, welcher mit optisch transparenten Dünnfilm-Elektroden, beispielsweise aus Zinnoxid oder Indiumoxid, versehen ist. Die optische Transparenz dieser Filme ist begrenzt, so daß nur etwa 50% des einfallenden Lichtes in das ίο Filtermedium eintreten können. Ein weiterer Nachteil solcher Wandler liegt darin, daß das durchtretende Licht bereits im elektro-akustischen Wandler beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akusto-optiiches Filter der eingangs genannten Art mit einem elektro-akustischen Wandler zu schaffen, der einen hohen elektro-mechanischen Wirkungsgrad hat, jedoch das ihn durchstrahlende Licht nicht selbst beeinflußt und außerdem so transparent ist, daß keine wesentlichen Lichtverluste auftreten.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Beim erfindungsgemäßen akusto-optischen Filter erfolgt die Beeinflussung des Lichtstrahls praktisch ausschließlich im Filterkristall selbst
Vorteilhafte Elektrodenanordnungen für den Wandler-Kristall sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar

F i g. 1 ein akustisch-optisches Filter,

F i g. 2 eine Endansicht der Filteranordnung nach Fig. 1, vori einem Polarisator 19 aus betrachtet, wobei eine Ausführungsform der Elektrodenanordnung auf dem akustischen Wandler dargestellt ist,

F i g. 3 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 2 mit einer anderen Elektrodenanordnung,

F i g. 4 eine Endansicht eines akustisch-optischen Filters, die eine andere Ausführuiigsform des Wandlers darstellt.

Gemäß F i g. 1 weist ein akustisch-optisches Filter ein anisotropes Medium 11, beispielsweise einen doppelbrechenden Kristall aus Kalzium-MoIybdat (CaMoO₄) auf, dessen Querschnittsfläche ein Quadratzentimeter und dessen Länge zehn Zentimeter beträgt, welcher Eingangs- und Ausgangsendflächen 12 bzw. 13 hat. Die Eingangsfläche 12 ist senkrecht zur Längsachse des Hauptkörpers 11 gerichtet, der hier als V-Achse bezeichnet wird. Die Z-Achse ist senkrecht zur Zeichenebene, und die X-Achse erstreckt sich senkrecht zu dei dargestellten Figur.

Ein akustischer Wandler 14 ist in engem Kontakt mit der Endfläche 12 des Kristalles U angebracht und mit einer Signalquelle 15, beispielsweise einem spannungsgesteuerten Oszillator, verbunden, dessen Frequenz durch Veränderung der Eingangsspannung verändert werden kann. Das Hochfrequenz-Ausgangssignal des Oszillators 15 wird über einen einstellbaren Abschwä-

eher 16 an den akustischen Wandler 14 übertragen, um eine akustische Schubwelle 5 zu erzeugen, die sich längs der r-Achsedes Körpers 11 ausbreitet

Der optische Strahl 17 der Quelle 18, beispielsweise sichtbares Licht im Falle eines CaMoC-Modiums, wird in den Körper 11 durch den Wandler 14 und die Eingangsfläche 12 übertragen und gelangt längs der K-Achse des Körpers durch den Kristall und tritt durch das Ausgangsende 13 aus. Dieses Licht wird in einer ersten Richtung längs der Z-Achse durch den linearen Polarisator 1.9 polarisiert Um denjenigen Anteil des Lichtes zu beobachten oder in anderer Weise zu verwenden, der von dem Lichtstrahl durch die akustische Welle gebeugt wird, ist ein linearer Ausgangspolarisator 21 mit einer in der .Y-Achse liegenden Polarisi.tionsachse im Weg des Ausgangsstrahles angeordnet und läßt Licht hindurch gelangen, welches orthogonal zur Polarisation des Eingangsstrahles 17 polarisiert ist

Die akustische Schubwelle und der Eirgangslichtstrahl 17 breiten sich kollinear längs der y-Achse des Kristalles 11 aus. Bei einer besonderen Kombination der Lichtwelle und der akustischen Frequenzen stellt sich eine starke Wechselwirkung zwischen dem Licht und der akustischen Welle ein, wobei die akustische Welle die Lichtwelle aus ihrem Polarisationszustand bringt. Dies führt zu einem schmalen Bandpaß für Lichtwellen orthogonaler Polarisation, welche dann ve η den Eingangslichtwellen durch den linearen Polarisator 21 getrennt werden. Dieser schmale Bandpaß für Lichtwellen ist eine Funktion der akustischen Frequenz und kann daher bezüglich der Frequenz geändert werden, indem die Erregungsfrequenz geändert wird, weiche durch den Oszillator 15 zugeführt wird. Die akustische Schubwelle 5 wird von der abgeschrägten Endfläche 13 wegreflektiert und daher von dem Wechselwirkungsweg entfernt.

Diese kollineare Beugung tritt als kumulativer Effekt bei einem sehr schmalen Band von Lichtfrequenzen auf und ist nichtkumulativ bei anderen Frequenzen wegen der inkrementalcn Selbstauslöschung. Der kumulative Beugungseffekt tritt auf, wenn die Momentenvektoren des einfallenden Lichtes und der akustischen Wellen die Gleichung erfüllen, daß ihre Summe gleich dem Vektor des Ausgangslichtstrahles ist. Diese Bedingung wird Phasenabstimmung (phase matching) genannt und tritt auf, wenn die durch Beugung erzeugte Polarisation sich mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet wie die freie elektromagnetische Welle. Ein schmales Band von Frequenzen, welche diese Bedingung erfüllen und in die orthogonale Polarisation gebeugt werden, wird dann durch den Ausgangsanalysator 21 hindurch gelassen, während das Licht der Eingangspolarisation gesperrt wird. Gewünschtenfalls kann der Ausgangspolarisator 21 in der Z-Richtung polarisiert werden, um das nichtgebeugte Licht hindurch zu lassen und den gebeugten Lichtanteil zu sperren.

Der optisch transparente Wandler 14 weist einen schiefen bzw. geneigten V-geschnittenen Kristall aus Lithium-Niobat (LiNbOa) mit einem Paar voneinander beabstandeter Elektroden 23 und 24 auf, die auf dessen Außenfläche beispielsweise mittels Aufdampfung durch eine Maske hindurch ausgebildet sind. Die Flächennormale dieses Wandlers ist ungefähr 58,6° von der positiven V-Achse zur negativen Z-Achse oder optischen Achse geneigt Diese Neigung ergibt einen guten Erregungswirkungsgrad für tangential erregte Dickenschub-Schwingung. Die Elektroden 23 und 24 befinden sich in einem geeigneten Abstand voneinander, wobei beispielsweise eine halbe Wellenlänge der akustischen Welle theoretisch gut wäre. Dies gibt jedoch eine begrenzte optische Apertur und in der Praxis wird ein Abstand von einigen Millimetern vorgezogen.

Der Wandler ist an dem Ende des Körpers 11 durch ein uptisch transparentes Epoxydharz befestigt wobei die Klebetechnik verwendet wird, die in dem US-PS Nr. 34 53 166 beschrieben ist. Bei dieser Anordnung befinden sich die Elektroden 23 und 24 auf der Außenfläche des Wandlers zur leichten Verbindung einer Quelle für Spannung niedriger Frequenz.

Das elektrische Feld E, das von dieser Elektrodenanordnung erzeugt wird, erstreckt sich in der durch Pfeile 24 angedeuteten Richtung, d. h. tangential oder parallel zur Außenfläche des Wandlers im Unterschied von dem transversalen elektrischen Feld an den Wandlern (d. h. in der V-Riehtung der Fig. 1) herkömmlicher Anordnungen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Elektroden gemäß Fig.3 ist das Paar Elektroden 22' und 23' ineinanderkämmend angeordnet und die getrennten Finger 25, 26 sind etwa 1 bis 2 Mikron breit und weisen einen Abstand von 35 Mikron auf.

Die Elektroden der F i g. 2 und 3 können kongruente Elektroden aufweisen, die auf der Innenfläche des Wandlers an der Endwand des Körpers U gemäß F i g. 4 angeordnet sind, wo die Elektroden 22 und 23 kongruente Elektroden 22' bzw. 23' aufweisen. Jede dieser besonderen inneren Elektroden, beispielsweise die Elektrode 22', ist elektrisch gemeinsam mit der zugeordneten Elektrode auf der Außenfläche des Wandlers, beispielsweise der Elektrode 22, verbunden, wie durch die elektrischen Verbindungen 22" und 23" dargestellt ist. Da die Herstellung einer Verbindung zu der inneren Elektrode auf den Wandler schwierig sein kann, kann die innere Elektrode auf der Eingangsfläche 12 des Filterkörpers U ausgebildet sein, und der Verbindungsanschluß kann zu einer Seitenfläche des Körpers 11 zum Zwecke der leichten elektrischen Verbindung herausgeführt sein. Danach kann der Wandler 14 an der Endfläche über den inneren Elektroden befestigt sein, wobei die kongruenten Elektroden ausgerichtet sind.

Die Erfindung kann bei verschiedenen Filtermedien, beispielsweise bei Quarz und Bleimolybdat verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Akusto-optisches Filter, in dem durch kollineare Beugung an einer akustischen Weile bestimmte Wellenlängenkomponenten eines hindurchgehenden Lichtstrahls von einer Polarisationsrichtung in die andere umgewandelt werden, mit einem optisch anisotropen, transparenten Kristall als akusto-optischem Medium und einem elektro-akustischen Wandler, der an der Lichteintrittsfläche des Kristalls angebracht ist und parallele, zur Richtung des durch ihn hindurchgehenden Lichtstrahls senkrechte Eingangs- und Ausgangsflächen sowie voneinander beabstandete, an eine Wechselspannungsquelle anschließbare Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) einen V-geschnittenen Lithiumniobat-Kristali aufweist, dessen Oberflächennormale der Eingangsfläche um etwa 58,6° gegenüber seiner positiven V-Achse zu seiner negativen Z-Achse hin geneigt ist, und daß wenigstens ein Paar Elektroden (22, 23), (22', 23') verschiedener Potentiale auf einer der zum Lichtstrahl senkrechten Flächen des Wandler-Kristalls zur Erzeugung eines elektrischen Tangentialfeldes angeordnet sind.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpaar (22, 23) auf der Eingangsfläche des Wandlerkristalls (14) angeordnet ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden kammartig ineinandergreifende Finger (25,26) aufweisen.

4. Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden (22', 23') auf der Ausgangsfläche des Wandlerkristalles (14) angeordnet ist.