DE2166342A1

DE2166342A1 - Akustisch-optisches filter

Info

Publication number: DE2166342A1
Application number: DE2166342*A
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-08-07
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1973-09-06
Also published as: GB1356035A; DE2138942C3; DE2166342B2; FR2102111B1; DE2166342C3; US3655265A; DE2138942B2; CA966924A; CH537603A; FR2102111A1; DE2138942A1

Description

18.. April 1973

HEWLETT PACKARD CO.
case 591 TRA 1

Akustisch-optisches Filter

Die Erfindung betrifft ein akustisch-optisches Filter mit mindestens einem in Richtung auf einen nachgeschalteten Analysator durchleuchtbaren optisch anisotropen Medium, in welchem mittels eines elektroakustischer mit einem HF-Signal gespeisten Wandlers akustische Wellen kollinear mit der Richtung des Lichtstrahlweges durch das Medium erzeugbar sind und das als ein akustischer Resonator für die akustischen Wellen ausgebildet ist.

Ein derartiges akustisch-optisches Filter, bei welchem das optische Medium als akustischer Resonator ausgebildet ist, ist von einem Artikel "Electronically tunable •acousto-optic Filter" in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Bd. 15, Nr. 10 vom 15.11.1969, S. 325 - 326 bekannt. Des weiteren ist ein akustisch-optisches Filter, bei dem das optische Medium allerdings nicht als akustischer Resonator ausgebildet ist, ein einem Artikel "Acousto-optic tunable Filter" in "Journal of the optical Society of America", Bd. 59, Nr. 6, Juni 1969, S. 744-747, beschrieben. Akustisch-optische Filter haben die Eigenschaft, daß ein in das optisch anisotrope doppel brechende Medium einfallender Lichtstrahl einer ersten Polarisation und einer bestimmten, mit der Frequenz der kollinear zum Lichtstrahl erzeugten akustischen Welle streng korrelieren Frequenz an der akustischen Welle in einezweite, zur

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ersten ortogonale Polarisation gebeugt wird. Die für das Licht der bestimmten Frequenz eintretende Polarisationsdrehung läßt sich mit Hilfe des dem optischen Medium nachgeschalteten Analysator als Aufhellung oder Verdunkelung beobachten. Akustisch-optische Filter haben vielfache Verwendungsmöglichkeiten, insbesondere als Bandpassfilter oder Sperrbandfilter, wobei ihr Sperr- oder Durchlaßbereich durch eine Einstellung der Frequenz der akustischen Wellebequem auf der Frequenzachse verschoben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das akustisch-optische Filter der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß seine Einsatzmöglichkeiten noch erweitert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere akustisch jeweils unterschiedlich abgestimmte optisch anisotrope Medien nebeneinander in einer zur Richtung des Lichtstrahlweges ungefähr senkrechten Ebene angeordnet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen akustischi-optischen Filter können die einzelnen als akustische Resonatoren ausgebildeten Medien durch eine entsprechende Wahl der Frequenz des elektrischen HF-Signales, das zu Anregung der akustischen Wellen dient, selektiv akustische angeregt und dadurch für die der jeweiligen akustischen Frequenz entsprechenden optischen Frequenz, je nach Stellung des Analysator, durch-'lässig gemacht oder gesperrt werden. Das erfindungsgemäße Filter kann daher beispielsweise zur Positionierung eines Lichtstrahles benutzt werden, indem das Medium an derjenigen Stelle, an welcher ein Lichtstrahl durch das Filter hindurchtreten soll, durch eine Einstellung der Frequenz des elektrischen HF-Signales auf die akustische Resonanzfrequenz dieses Mediums akustisch angeregt und dadurch nur bei diesem Medium ein optischer Durchlaß bewirkt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine elektrisch steuerbare Anzeigevorrichtung verwirklicht werden. Wegen des endlichen Wertes der akustischen Gute Q kann das Filter beispielsweise auch als Kurzzeit-Speicher verwendet, werden, der durch eine entsprechende Wahl der Frequenz des elektrischen HF-Signals adressierbar ist.

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Aus einem Aufsatz "Energy Trapping and Related Studies of Multiple Electrode Filter Crystals" In der Zeitschrift "Proceedings of the 17th Annual Frequency Control Symposium", Seiten 88-125 vom Mai 1963 und einem Artikel mit dem Titel "Monolithic Crystal Filters" in I.E.E.E.-International Convention Record", Teil 2, 1967, Seiten 78 - 93 ist es bereits bekannt, mehrere piezoelektrische akustische Resonatoren in einer einzigen kristallinen Platte auszubilden, wobei die Resonatoren in relativ dichtem Abstand liegen und für sehr dicht nebeneinanderliegende akustische Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, ohne eine wesentliche Kopplung zwischen den Resonatoren hervorzurufen. Die akustische Energie wird im Bereich eines jeweils angeregten akustischen Resonatoren ohne wesentliche Energie zu benachbarten akustischen Resonatoren eingefangen gehalten.

Die Erzeugung der akustischen Wellen in den Medien kann grundsätzlich mit den dazu bekannten elektroakustischen Wandlern erfolgen. Wegen der einfacheren Ausbildung wird jedoch eine Form des erfindungsgemäßen Filters bevorzugt, bei welcher die optischen Medien piezoelektrische Eigenschaften haben und jeweils in Verbindung mit einer von dem HF-Signal beaufschlagbaren Elektrodenanordnung einen elektroakustischen Wandler bilden. Hierbei läßt sich das neue Filter besonders leicht als integrierte Struktur, wie sie beispielsweise im Unteranspruch 5 gekennzeichnet ist, herstellen.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines akustisch-optischen Filters, Fig. 2 ein Diagramm des prozentualen Transmissionsvermögens bei der optischen Bandpassfrequenz des Filters über der akustischen Leistungsdichte für gefiltertes Licht der gleichen Polarisation wie das Eingangslicht und für gefiltertes Licht einer Kreuzpolarisation,

Fig. 3 eine Schemadarstellung eines akustisch-optischen Filters nach der Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung der optischen Medien eines akustisch-optischen Filters nach der Erfindung.

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In Pig. 1 ist ein ,.. . , akustisch-optisches

. ..Filter 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, das an das piezoelektrische Glied angelegt wird. Das i

Lichtfilter 1 weist eine optisch anisotrope piezoelektri-

• *

ι
sehe Platte 2 auf. Geeignete piezoelektrische optisch anisotrope Medien weisen piezoelektrische doppelbrechende Kristalle wie" Quarz oder LiNbO₃ 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 iüngström.

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 dem- f

jenigen 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 doppelbrechenden» Medium Gebrauch. Es wird eine Kristall-

. ' ~ 6 ^m ' ■ - ' ' ORlGlMAL INSPECTED

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orientierung für den Kristall 2 gewählt, so daß der einfällende linear polarisierte Lichtstrahl 11 an der akusti-i sehen 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 . , .

	k e	^ka
-

.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 ' Vl Δη I 61. (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 di© Gleichung gegeben:

• · ■

• . ORIGINAL INSPECTED

wobei B.W. die Bandbreite bei halber Leistung in Anzahl der Wellen pro Zentimeter des Durchlaßbandes, L die .Wechselwirkungslänge der optischen und akustischen Felderin 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 £ , welches von der Eingangspolarisation in die Kreuzpolarisation gebeugt wird, ist in Kurve 16 als Funktion der akustischen Leistungsdichte in dem Kristall 2 dargestellt. Daher hat der Ausgangsstrahl 14 eine Transmissionscharakteristik, welche durch die Kurve 16 wiedergegeben wird.

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

-Si- ■: ' · . · ORIGINAL INSPECTED

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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

2 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 ungeradaahlige Oberschwingungen, von denen jede erzeugt werden kann, um ein Durchlaßband in dem optischen Spektrum au 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 Vielfachen horizontal sind, gleichzeitig oder getrennt durch das optische Filterelement geschickt werden, indem selektiv die piezoelektrisch bewirkten Resonanzzustände erreicht werden. Beispielsweise kann ein Quarjs, der Y-ge schnitten ist für die ,Dickenschub-Schwingungsform und der eine Dicke von etwa

. ' 3tf9$36/055 8 .. original inspected

.1,5 mm aufweist, mit den 9. , 11. und 13. Obertönen be-• trieben werden, um verschiedene _t 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 R abzugeben. Die Breite des Bandpasses zwischen den Punkten bei halber Leistung beträgt für einen '

' ' öl

derartigen Kristall bei einer Wellenlänge von 5893 A (entsprechend der gelben optischen Frequenz) ungefähr 272 R. Es ergibt sich daher in dem vorstehenden Beispiel, daß das akustisch-optische Filter schrittweise mit der akustischen Frequenz 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 werden, 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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mit einem optischen Transmissionsvermögen bei der betreffenden Wellenlänge/ vorzugsweise mi,t 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 re-

lativ niedrigen Ordnung gewählt, dessen Frequenz auf die gewünschte akustische Frequenz abgestimmt ist. Somit wird die\ Dicke im Hinblick auf die Bandbreite bestimmt und um eine gewünschte 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 frequenzbestimmenäes Element der Treiberschaltung verwendet und der Frequenzoder Signalgenerator 7 durch einen einfachen Verstärker

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-limit positiver Rückkoppelung durch den frequenzbestimmenden Kristall 2 ersetzt werden. In diesem Fall schwingt das Filter lediglich bei der akustischen Schwingungsfrequenz des Kristal !resonators 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 Obertonresonanz auszuwählen.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein Filter nach der Erfindung. Es umfaßt mehrere der zuvor anhand von Fig. 1 erläuterten Medien, die jedoch auf einem einzigen Substrat-Kristall 2 ausgebildet sind. Das Substrat ist in einzelne Kristal Ivibratorabschnitre oder akustische Resonatorabschnitte unterteilt, die unterschiedliche Konfigurationen annehmen können.

Bei einer ersten, sog. "mesa" Konfiguration werden dünnen Elektroden 3 und 4 in einem Punktemuster auf gegenüberliegenden Seiten des Substrates 2 angeordnet, wobei die Elektroden transversal zueinander 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 Kristall resonatoren 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 Kristallvibratorabschnitt 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 be-. nachbarten 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 ge- . meinsamen "Substrates 2 eingefangen wird.

Der Faktor Q für die akustischen Resonatoren oder Vibratoren kann extrem ',och sein und in der Größenordnung von 10 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 wen d gstens die Resonanzbreite, d.h. γ getrennt. In einem solchen Fall ist es möglich, mehrere Tausend unabhängiger akustischer Resonatoren oder Vibratoren auf einem einzigen Substrat 2 zu er-

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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

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10 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 werden 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 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 v/äre 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 frequenzmäßig von dem

-5

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 dazu ,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 zweidimensionalen Anordnung nach Fig. 6 kann die • Position der Reihe und der Spalte sowie die der Farbe durch die Frequenz adressierbar sein. Die Frequenz des Signal-

generators 7 wird programmiert, um die gewünschte Farbäarstellung 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-Speicherwerk. Durch Multiplex-Ableitung der Frequenz vorn .. . , 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 Fig. 3 erläutert wurde, um eine Darstellung zu erhalten, die reflektiertes Licht benutzt.

In einer Anordnung von 35 Elementen gemäß Fig. 6 arbeitet*

BAD ORIGINAL

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der erste mechanische Schwinger mit dem 13. Oberton der Dicken-Schwingungsform bei beispielsweise 50 MHn. In diesem " Fall hätte das Kristallsubsbrat 2 in dieser Ecke eine Dicke 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 Kristalisubstrat 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 lo" 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 1O~ 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 Ο/ΟΟΟ3Ο6 mm (12,03 χ 10 inch) dünner als der Kristall beim ersten Resonator. .

Fig. 5 zeigt schematisch eine andere Anordnung der als akustische Resonatoren ausgebildeten Medien, wie sie z.B. zur Positionierung dos Ausirittsstrahlos oines Lasers geeignet ist.

BAD

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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

. .Bragg¹sehen 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. her Umfang der Wechselwirkung der akustischen und optischen Strahlen wird wegen der kollinearen Ausbreitung verstärkt; daher kann der Wirkungsgrad der Lichtum- .. ·

■ setzung 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 zwischen ihnen kann etwa 20 im Falle von Quarz betragen. In einem solchen Fall kann der Lichtstrahl entweder zur Phasengeschwindigkeit oder zur Gruppengeschwindigkeit bei entsprechenden Vorteilen

'bad

und Nachteilen kollinear sein.

Wenn der Lichtstrahl mit der Phasengeschwindigkeit kollinear ist, wird der Vorteil der cos-Abhängigkeit der Bandbreiten-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 έ 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 Energie 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 langer Null ist. Dies führt zu einem breiteren Bandpaß bei der gleichen winkelmäßigen Abweichung. In Grenzfallen, in denen die Ausbreitung weder exakt kollinear zur Phasengeschwindigkeit oder zur Gruppengeschwindigkeit ist, treten entsprechende über-

-18 309836/0558 ^BAD

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-optische¹ 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

3,8. April X973 HEWLETT PACKARD CO. case 591 TRA 1 Patentansprüche

1. Akustisch-optisches Filter mit mindestens einem in Richtung auf einen nachge- ^

schalteten Analysator durchleuchtbaren optisch anisotropen Medium, in welchem mittels eines elektroakustischen, mit einem HF-Signal gespeisten Wandlers akustische Wellen kollinear mit der Richtung des Lichtstrahlweges durch das Medium erzeugbar sind und das als ein akustischer Resonator für die akustischen Wellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere akustisch jeweils unterschiedlich abgestimmte optisch anisotrope Medien nebeneinander in einer zur Richtung des Lichtstrahlweges ungefähr quer / ⁹ !Ebene angeordnet sind.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Medium (2) ein elektroakustischer Wandler (2,3,4) zugeordnet ist und alle Wandler elektrisch parallel geschaltet sind. g

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien(2) in einer geordneten Matrix gemäß zunehmenden ober abnehmenden akustischen Resonanzfrequenzen angeordnet sind.

4. Filter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien (2) piezoelektrische Eigenschaften haben und jeweils in Verbindung mit einer von dem HF-Signal beaufschlagbaren Elektrodenanordnung (3,4)einen eiektroakustischen Wandler bilden.

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5. Filter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, mit Kristallplatten als Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die als Dickenschwinger für verschiedene
Frequenzen "ausgelegten Kristallplatten (2) Abschnitte einer einheitlichen kristallinen Substratplatte sind, bei welcher die Bereiche zwischen den für jeweils
eine bestimmte Resonanzfrequenz bemessenen Abschnitten durch eine entsprechend unterschiedliche Dicke als Sperre für die Resonanzfrequenzen der jeweils angrenzenden Abschnitte ausgebildet sind.

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