DE2166342B2 - Akustisch-optisches Filter. Ausscheidung aus: 2138942 - Google Patents

Description

menden akustischen Resonanzfrequenzen ange- 25 Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch geordnet sind. löst, daß mehrere akustisch jeweils unterschiedlich

4. Filter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch abgesthnrnte optisch anisotrope Medien nebeneinangekennzeichnet, daß die Medien (2) piezoelektri- der in einer quer zur Lichtstrahlrichtung ausgerichsche Eigenschaften haben und jeweils in Verbin- teten Fläche angeordnet sind.

dung mit einer von dem HF-Signal beaufschlag- 30 Hierbei können die einzelnen als akustische Reso-

baren Elektrodenanordnung (3, 4) einen elektro- natoren ausgebildeten Medien durch eine entspre-

akustischen Wandler bilden. chende Wahl der Frequenz des elektrischen HF-

5. Filter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 mit Kri- Signals, das zur Anregung der akustischen Wellen stallplatten als Medien, dadurch gekennzeichnet, dient, selektiv akustisch angeregt und dadurch für die daß die als Dickenschwinger für verschiedene 35 der jeweiligen akustischen Frequenz entsprechenden Frequenzen ausgelegten Kristallplatten (2) Ab- optischen Frequenz, je nach Stellung des Analysators, schnitte einer einheitlichen kristallinen Substrat- durchlässig gemacht oder gesperrt werden. Das erfinplatte sind, bei welcher die Bereiche zwischen den dungsgemäße Filter kann daher beispielsweise zur für jeweils eine bestimmte Resonanzfrequenz be- Positionierung eines Lichtstrahles benutzt werden, messenen Abschnitten durch eine entsprechend 40 indem das Medium an derjenigen Stelle, an welcher unterschiedliche Dicke als Sperre für die Reso- ein Lichtstrahl durch das Filter hindurchtreten soll, nanzfrequenzen der jeweils angrenzenden Ab- durch eine Einstellung der Frequenz des elektrischen schnitte ausgebildet sind. HF-Signals auf die akustische Resonanzfrequenz dieses Mediums akustisch angeregt und dadurch nur bei

45 diesem Medium ein optischer Durchlaß bewirkt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine elektrisch

steuerbare Anzeigevorrichtung verwirklicht werden.

Wegen der Resonanzeigenschafi der einzelnen Medien

kann das erfindungsgemäße Filter beispielsweise auch

50 als Kurzzeit-Speicher verwendet werden, der durch

Die Erfindung betrifft ein akustisch-optisches Filter eine entsprechende Wahl der Frequenz des elektrimit mindestens einem in Richtung auf einen nach- sehen HF-Signals adressierbar ist. Die maximale geschalteten Analysator durchleuchtbaren optisch Speicherzeit ist dabei um so größer, je größer die akuanisotropen Medium, in welchem mittels eines elek- stische Güte Q des Mediums ist.
troakustischen, mit einem HF-Signal gespeisten 55 Aus einem Aufsatz »Energy Trapping and Related Wandlers akustische Wellen kollinear mit der Rich- Studies of Multiple Electrode Filter Crystals« in der tung des Lichtstrahls durch das Medium erzeugbar Zeitschrift »Proceedings of the 17th Annual Fresind und das als ein akustischer Resonator für die quency Control Symposium«, S. 88 bis 125 vom Mai akustischen Wellen ausgebildet ist. 1963 und einem Artikel mit dem Titel »Monolithic

Ein derartiges akustisch-optisches Filter, bei wel- 60 Crystal Filters« in I. E. E. E.-lnternational Convenchem das optische Medium als akustischer Resonator tion Record«, Teil 2, 1967, S. 78 bis 93, ist es bereits ausgebildet ist, ist von einem Artikel »Electronically bekannt, mehrere piezoelektrische akustische Resonatunable acousto-optic Filter« in der Zeitschrift toren in einer einzigen kristallinen Platte auszubilden, »Applied Physics Letters«, Bd. 15, Nr. 10 vom wobei die Resonatoren in relativ dichtem Abstand 15. November 1969, S. 325 und 326 bekannt. Des 65 liegen und für sehr dicht nebeneinanderliegende akuweiteren ist ein akustisch-optisches Filter, bei dem stische Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, ohne das optische. Medium allerdings nicht als akustischer eine wesentliche Kopplung zwischen den Resonatoren Resonator ausgebildet ist, in einem Artikel »Acousto- hervorzurufen. Die akustische Energie wird im Be-

reich eines jeweils angeregten akustischen Resonators ren Beugung an einer akustischen Welle, um die PoIa-

ohne wesentliche Energieübertragung zu benachbar- risation dieses Teiles des einfallenden lichtes, dessen

ten akustischen Resonatoren eingefangen gehalten. optische Frequenz auf die Frequenz der akustischen

Die Erzeugung der akustischen Wellen in den Welle durch die Gleichung 1 bezogen ist, im Licht Medien kann grundsätzlich mit den dazu bekannten 5 einer zweiten Polarisation zu beugen, das zur Richelektroakustischen Wandlern erfoigen. Wegen der tung der ersten Polarisation orthogonal ist. Der geeinfacheren Ausbildung wird hier jedoch eine Form beugte Ausgangslichtstrahl 11 gelangt dann durch eines Filters bevorzugt, bei welcher die optischen einen Polarisationsanalysator 13, beispielsweise einen Medien piezoelektrische Eigenschaften haben und je- linearen Polarisator und ist in der Richtung der zweiweils in Verbindung mit einer von dem HF-Signal xo ten (beispielsweise horizontalen) Polarisation polaribeaufschlagbaren Elektrodenanordnung einen elektro- siert, so daß der Ausgang des Polarisationsanalysators akustischen Wandler bilden. Hierbei läßt sich das 13 einen Strahl 14 abgibt, der lediglich aus demjenineue Filter besonders leicht als integrierte Struktur, gen Teil des Lichtes des Eingangsstrahles 11 besteht, wie sie beispielsweise im Unteranspruch 5 gekenn- der von der ersten in die zweite Polarisation umgesetzt zeichnet ist, herstellen. i₅ wurde.

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand an Das akustisch-optische Lichtfilter 1 der Fig. 1 Hand eines schematisch dargestellten Ausführungs- macht von der kollinearen akustisch-optischen Beu-

beispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt gung in einem optisch doppelbrechendem Medium

Fig. 1 eine Schemadarstellung eiiies akustisch- Gebrauch. Es wird eine solche Kristallorientierung

optischen Filters, ao für den Kristall 2 gewählt, daß der einfallende linear

F i g. 2 ein Diagramm des prozentualen Transmis- polarisierte Lichtstrahl 11 an der akustischen Welle

sionsvermögens bei der optischen Bandpaßfrequenz von der Eingangspolarisation in eine zweite orthogo-

des Filters über der akustischen Leistungsdichte für nale Polarisation gebeugt wird. Bei einer gegebenen

gefiltertes Licht der gleichen Polarisation wie das akustischen Frequenz erfüllt nur ein kleiner Bereich

Eingangslicht und für gefiltertes Licht einer Kreuz- 25 der Liclitfrequenzen eine Bedingung für die Momen-

polarisation, tenvektoren t und wird kumulativ gebeugt. Wenn die

F i g. 3 eine Schemadarstellung eines akustisch- akustische Frequenz geändert wird, so ändert sich das

optischen Filters nach der Erfindung, Band der Lichtfrequenzen, welches das akustisch-

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie4-4 in Fig. 3, optische Element von der ersten Polarisation in die

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer anderen 30 zweite Polarisation beugt. Die Beugung in die zweite

Anordnung der optischen Medien eines pkustisch- orthogonale Polarisation tritt bei Quarz über die

optischen Filters nach der Erfindung, photoelastische Konstante P₁₄ auf und ist nur dann

Fi g. 6 eine andere Ausführungsform des akustisch- kumulativ, wenn die Gleichung

optischen Filters, . , , __ , , __ . . j

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des aku- 35 ° ^e "'

stisch-optischen Filters. erfüllt wird, wobei die Indizes o. e und α die gewöhn-

In F i g. 1 ist ein akustisch-optisches Filter 1 dar- liehen und die besonderen optischen Wellen und die

gestellt. Dieses Filter 1 ist ähnlich demjenigen, das in akustische Welle bezeichnen. Dies ist der Fall, wenn

dem genannten Aufsatz »Acousto-Optic Tunable FiI- die optischen und akustischen Frequenzen /₀ und /₀

ter« in der Zeitschrift »Journal of: the Optical Society 40 die Gleichung erfüllen:

of America« beschrieben wurde; dies gilt mit der _c^

Ausnahme, daß das optisch anisotrope Medium 2 /<, = ^~r~~ O)

auch piezoelektrisch ist und die akustische Welle in ^v ■■''ⁿ

dem optisch anisotropen Medium durch ein elektri- , . ν , .. ..... . , ... „ , . ,.

. τί ,. . · _t j j ■ 1 1 * · u <~r α wobei -= das Verha tnis der optischen Geschwindig-

sches Feld erregt ist, das an das piezoelektrische Glied 45 C ^{v ö}

angelegt wird. Das Lichtfilter 1 weist eine optisch keil in dem Medium und Δ η die Doppelbrechung des

anisotrope piezoelektrische Platte 2 auf. Geeignete Kristalls ist. Die Bandbreite bei halber Leistung des

piezoelektrische optisch anisotrope Medien weisen Durchlaßbandes des optischen Filters ist durch die

piezoelektrische doppelbrechende Kristalle wie Quarz Gleichung gegeben:

oder LiNbO₃ auf. Neben dem Kristall 2 an gegen- 50 1

überliegenden Seiten dieses Kristalls sind optisch BW-^ ·--■-, cm-¹ (2)

transparente Elektroden 3 und 4 angeordnet. Geeig- ι ^η

nete optisch transparente Elektroden 3 und 4 weisen wobei B.W. die Bandbreite bei halber Leistung ir relativ offene Drahtgitter-Strukturen oder dünne Anzahl der Wellen pro Zentimeter des Durchlaßbanmetallische Beschichtungen auf, die optisch transpa- 55 des, L die Wechselwirkungslänge der optischen unc rent sind, beispielsweise eine Beschichtung aus Zinn- akustischen Felder in dem Kristall und Δ η die Dopoxyd mit einer Dicke von einigen tausend Angström. pelbrechung des Kristalls sind.

An die Elektroden 3 und 4 wird eine Spannung mit Das prozentuale Lichttransmissionsvermögen durct

Radiofrequenz über Leiter S und 6 angelegt, die mit das optische Filter 1 bei der optischen Bandpaßfre

einem Signalgenerator verbunden sind, der eine Quel- 60 quenz /„ ist in F i g. 2 dargestellt. Der Prozentsat

lenimpedanz 8 aufweist. Eine Lichtquelle 9 ist so des Lichtes der optischen Bandpaßfrequenz/₀, wel

angeordnet, daß sie einen zu filternden Lichtstrahl 11 ches von der Eingangspolarisation in die Kreuzpola

durch einen linearen Eingangspolarisator 12 zur PoIa- risation gebeugt wird, ist in Kurve 16 als Funktioi

risierung des Lichtstrahles Il in einer ersten linearen der akustischen Leistungsdichte in dem Kristall 2 dar

Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung. 65 gestellt. Daher hat der Ausgangsstrahl 14 eine Trans

projiziert. Der polarisierte Lichtstrahl gelangt dann missionscharakteristik, welche durch die Kurve Ii

durch die transparente Elektrode 3 in den optisch wiedergegeben wird,

anisotropen doppelbrechenden Kristall 2 zur kollinea- Im Falle des piezoelektrischen Quarzkristalls 2 is

die Quarzplatte 2 vorzugsweise für eine Dickenschub- Frequenz wird durch Gleichung (1) bestimmt. De Schwingungsart oder Dickenausdehnungs - Schwin- verbleibende Parameter ist die Ordnung des Ober gungsart geschnitten, um den höchstmöglichen Fak- tones. Dieser Parameter wird gewählt, um die ge tor Q für die akustische Resonanz-Schwingungsart zu wünschte Bandbreite für das Filter zu erhalten. Fall erhalten. Da die Energie in der stehenden Welle Q 5 eine große Bandbreite für das Filter gewünscht isi mal dem Energieverlust pro Zyklus ist, kann eine wird eine relativ kleine Dicke gewählt, und die aku beträchtliche Steigerung im Wirkungsgrad durch die stische Frequenz wird durch eine piezoelektriscl Verwendung einer Resonanzschwingungsart mit angeregte Resonanz bei einem Oberton einer relati' hohem Q erwartet werden. Die erforderliche akusti- niedrigen Ordnung gewählt, dessen Frequenz auf di< sehe Frequenz, um ein Durchlaßband in dem opti- io gewünschte akustische Frequenz abgestimmt ist. So sehen Spektrum für typische doppelbrechende Mate- mit wird die Dicke im Hinblick auf die Bandbreiti rialien zu erzeugen, liegt in der Größenordnung von bestimmt und um eine gewünschte Frequenz bereit 10 bis 100 MHz. Wenn der Kristall auf eine Dicke zustellen. Wenn eine schmale Bandbreite angestreb für eine Grundwellen-Resonanz zugeschnitten ist, wird, würde der Resonator relativ dick ausgeführ so wird er im Falle von Quarz extrem dünn. Folglich 15 und die Obertonordnung vergrößert, ist eine beträchtliche Steigerung der erforderlichen Bei dem akustisch-optischen Lichtfilter 1 der F i g. 1 akustischen Leistung für ein Transmissionsvermögen kann der akustische Resonator oder Vibrator 2 be von 100°/o bei der Bandpaßfrequenz erforderlich, da seiner akustischen Resonanzfrequenz über eine Fre die akustische Leistungsdichte bei 100% Transmis- quenz betrieben werden, die ihm von einem Signalsionsvermögen mit 1 /L² eingeht. Daher wird der ao generator 7 zugeführt wird. Andererseits kann da Betrieb bei einer höheren Obertonordnung bevorzugt, akustische Resonator 2 als frequenzbestimmende' obgleich der Kopplungskoeffizient herabgesetzt wird. Element im Schaltkreis verwendet und der Frequenz-Jede der drei Dicken-Schwingungsformen ergibt oder Signalgenerator 7 durch einen einfachen Verungeradzahlige Oberschwingungen, von denen jede stärker mit positiver Rückkoppelung durch den freangeregt werden kann, um ein Durchlaßband in dem as quenzbestimmenden Kristall 2 ersetzt werden. In die· optischen Spektrum zu erzeugen, das der zugeord- sem Fall schwingt das Filter lediglich bei der akustineten akustischen Frequenz für jede der Dicken- sehen Schwingungsfrequenz des Kristallresonators 2. Schwingungsformen der Obertöne entspricht. Daher Es können abgestimmte, nicht dargestellte elektrische kann eine Serie von optischen Frequenzen, die nähe- Filterelemente verwendet werden, um die spezielle rungsweise den ungeraden ganzzahligen Vielfachen 30 anzuregende Obertonfrequenz auszuwählen. Derartige proportional sind, gleichzeitig oder getrennt durch zusätzliche abgestimmte Schaltkreise können über gedas optische Filterelement geschickt werden, indem eignete Gatter den Leitungen 5 oder 6 parallel geselektiv die piezoelektrisch bewirkten Resonanz- schaltet werden, um eines oder mehrere der Füterzustände angeregt werden. Beispielsweise kann ein elemente auszuwählen, die schaltungsmäßig mit dem Quarz, der für die Dickenschub-Schwingungsform 35 Resonator zu verbinden sind, um eine bestimmte an-Y-geschnitten ist und der eine Dicke von etwa 1,5 mm gestrebte Obertonresonanz auszuwählen, aufweist mit den 9., 11. und 13. Obertönen betrieben Die F i g. 3 und 4 zeigen ein Filter nach der Erfinwerden, um verschiedene Farben oder optische Fre- dung. Es unifaßt mehrere der zuvor an Hand von quenzen, beispielsweise Rot Gelb und Blau, im sieht- Fi g. 1 erläuterten Medien, die jedoch auf einem einbaren Spektrum auszusenden. In einem anderen Bei- v> zigen Substrat-Kristall 2 ausgebildet sind. Das Subspiel kann ein Quarz mit einer Dicke von 1,398 mm strat ist in einzelne Kristallvibratorabschnitte oder mit H-, 13. und 17. Obertönen angeregt werden, um akustische Resonatorabschnitte unterteilt die unter-Bandpaßfrequenzen der Farben Rot, Grün und Blau schiedliche Konfigurationen annehmen können, bei den Wellenlängen 6465, 5471 und 4183 A abzu- Bei einer ersten, sogenannten »Mesa«-Konfigurageben. Die Breite des Bandpasses zwischen den Punk- 45 tion, werden dünnen Elektroden 3 und 4 in einem ten halber Leistung beträgt für einen derartigen Kri- Punktemuster auf gegenüberliegenden Seiten des Substall bei einer Wellenlänge von 5893 A (entsprechend strates 2 angeordnet, wobei die Elektroden transversal der gelben optischen Frequenz) ungefähr 272 A. Es zueinander liegen. Das Substrat 2 weist zwischen den ergibt sich daher in dem vorstehenden Beispiel, daß Elektrodenabschnitten 3 und 4 eine Dicke auf, die das akustisch-optische Filter schrittweise mit der aku- 50 größer als die Dicke des Würfels oder Kristalls 2 in stischen Frequenz gespeist werden kann, die den 11., dem Bereich ist, der unmittelbar jeden der Kristall-13. und 17. Obertönen entspricht, um schrittweise resonatoren umgibt Bei der Mesa-Konfiguration ist oder gleichzeitig rote, grüne und blaue Farben als die physikalische Belastung des Kristallresonators Ausgangsstrahl 14 abzugeben. Durch Einstellung der oder Vibrators vernachlässigbar. Amplitude der Schwingungen des Obertonkristalls 2 55 Bei einer zweiten Resonator-Konfiguration haben kann der Betrag an Rot, Grün und Blau geregelt wer- die Elektroden 3 und 4 eine Dicke, die ausreicht um den. Die drei Obertöne können gleichzeitig oder eine beträchtliche physikalische Belastung für den schrittweise angeregt werden, um näherungsweise Kristallvibrjtorabschnitt zwischen den Elektroden zu jeden gewünschten Farbausgang durch Mischung ge- ergeben. Die Belastung ist ausreichend, so daß die eigneter Beträge von Rot, Grün und Blau während 60 akustische Frequenz oder Vibratorfrequenz bei der der Transmissionsperiode zu erhalten. speziellen Dicken-Schwingungsfonn wesentlich gerin-Beim Entwurf eines akustisch-optischen Filters 1 ger ist als. für die unmittelbar angrenzenden Bereiche zur Aussendung einer spezifischen Farbe wird ein des Kristalls, die den speziellen Vibrator umgeben. Kristallmaterial mit einem optischen Transmissions- Sowohl bei der Mesa-Konfiguration als auch bei vermögen bei der betreffenden Wellenlänge, Vorzugs- 65 der belasteten Konfiguration bildet der Kristallbereich weise mit einer großen piezoelektrischen Konstanten zwischen benachbarten Resonatoren oder Vibratoren f _un(j einer großen akustisch-optischen Konstanten und den Bereich des Kristalls 2, der für die spezielle Dikeiner kleinen Doppelbrechung gewählt Die akustische ken-Resonanz-Schwingungsform des Vibrators abge-

schnitten ist. Dieses Phänomen ist bekannt als »energy trapping«, da die akustische Resonanzenergie in einem 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 10' liegen. Jeder der Resonatoren wird für eine geringfügig unterschiedliche Frequenz abgestimmt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird jeder akustische Resonator oder Vibrator frequenzmäßig von allen anderen Vibratoren durch

wenigstens die Resonanzbreite, d. h. getrennt. In

einem solchen Fall ist es möglich, mehrere tausend unabhängiger akustischer Resonatoren oder Vibratoren auf einem einzigen Substrat 2 zu erzeugen, von denen sich jeder von allen anderen durch seine Resonanzfrequenz unterscheidet. Beispielsweise werden in einem Material und bei Frequenzen, fü^T die der Wert Q 10⁵ ist, 1000 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 3f-Richtung und 30 Resonatoren in der Y-Richtung, die in Reihen rad Spalten angeordnet sind, hat jeder Resonator einen Wert Q von mehr als 10⁵, so daß jeder Resonator in der ersten Reihe von seinem nächsten Nachbarn um den Wert 10~⁵ der Resonanzfrequenz getrennt wäre. Daher wäre die Frequenz des letzten Resonators in einer Reihe frequenzmäßig von dem ersten Resonator in der Reihe durch 3 · 10~⁴ Hz getrennt. Der Anfang der nächsten Reihe ist frequenzmäßig von dem letzten Glied der vorhergehenden Reihe durch 1 · 10~^s 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 · 10 die am wenigsten bedeutsame Ziffer dazu verwendet um den speziellen Resonator in einer Reihe zu 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 F i g. 4 kann die Position der Reihe und 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 einer 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, um eine Darstellung zu erhalten, die reflektiertes Licht benutzt.

In einer Anordnung von 35 Elementen gemäß F i g. 4 arbeitet 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 Dicke von etwa 0.436524 mm (0,017186 inch), wenn es sich um

to 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 Kristalls 2 an diesem Rand wäre um 0,000044 mm (1.72 ■ 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

ίο 0,000271 mm (10,65 · 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 · 10~^einch) dünner als der Kristall beim ersten Resonator.

F i g. 5 zeigt schematisch eine andere Anordnung der als akustische Resonatoren ausgebildeten Medien, wie sie z. B. zur Positionierung des Austrittsstrahles eines Lasers geeignet ist.

In F i g. 6 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Lichtweg eines optischen Resonators eines Lasers (optischer Maser) 31 ist eine Anordnung akustisch-optischer Filter vorgesehen, die jeweils auf eine unterschiedliche Frequenz abgestimmt sind, wie dies beispielsweise an Hand der F i g. 3 und 4 beschrieben wurde. Der optische Maser 31 umfaßt ein Paar voneinander beabstandeter 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° 0 liegen, wobei ein Prozent als Ausgangsstrahl aus dem optischen Resonator herausgelangt. Die Anordnung von akustisch-optischen 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 od. dgl. oder organischer Farben wie Rhodamine 6 G vorgesehen, wobei da: Medium durch Gleichstrom-Entladung oder radiofrequente Entladung angeregt wird. Die der Anordnung von akustisch-optischen Filtern zugeführte Er regungsfrequenz wird verändert, um ausgewählt« akustische Resonatoren oder Vibratoren zu adressie ren und dadurch die Position des Ausgangsstrahle: des optischen Masers 31 zu bestimmen.

In F i g. 7 ist ein optischer Maser 36 dargestellt Die Anordnung der Fig. 7 ist im wesentlichen di gleiche wie diejenige der F i g. 6 mit der Ausnahme daß die die Enden des optischen Resonators bilden den Spiegel 37 und 38 kugelförmige Abschnitte sirn und die Anordnung der akustisch-optischen Filte nach Art eines Kugelabschnittes ausgebildet ist. Da Verstärkungsmedium ist in dem optischen Resonate zwischen den akustisch-optischen Filtern 38 und der Spiegel 37 angeordnet. Der Ausgangsstrahl des op

9 10

tischen Masers 36 ist steuerbar, indem ein ausge- weder einer höheren akustischen Apertur oder einer

wähltes der akustisch-optischen Filterelemente inner- höheren akustischen Leistung erreicht werden,

halb des Mosaiks oder der Anordnung 38 adressiert Wenn andererseits der Lichtstrahl kollinear zur

wird. Gruppengeschwindigkeit gemacht wird, wird der

Der Ausdruck »Licht« bedeutet in dieser Anmel- 5 Vorteil der wirkungsvollen Verwendung der akusti-

dung elektromagnetische Strahlung, deren Wellen- sehen Energie erhalten, aber der Winkel zwischen

länge nicht auf das sichtbare Spektrum begrenzt zu dem akustischen Vektor K und dem optischen Vek-

sein braucht. Die Vorzüge kollinearer Beugung sind: tor K ist nicht langer Null, und die Verschiebung im

, .... Zentrum des optischen Durchlaßbandes bei einer

1. Die rage winkelmäßige Toleranzcharaktenstik _{Jo Abweichung im optischen} strahl ist eine Funktion ^d?^r ^ggschen Beugung wird gemildert Eine _{des CQ% des winkds zwischen den} akustischen und winkelmäßige Abweichung des einfallenden _optischen Vektoren K, die nicht langer NuU ist. Dies Lichtstrahles ergibt nur eine Verschiebung zwei- _{mn zu dnem breiteren} Bandpaß bei der gleichen ter Ordnung in dem Durchlaßband m Form _winkelmäß_igeil Abweichung. In Grenzfällen, in denen einer cos-Funküon des Winkels zwischen dem _{die Ausbreitung wieder exakt ko}ii_inear zur Phasenakustischen Vektor K und den einfallenden op- geschwindigkeit oder zur Gruppengeschwindigkeit ist, tischen Vektoren K; treten entsprechende Überschneidungen auf. Bei sol-

2. der Umfang der Wechselwirkung der akustischen _{chcn αορρ}^_{Γεοηεη(36η} Kristallen, bei denen die und optischen Strahlen wird wegen der kol- Phasengeschwindigkeit und die Gruppengeschwindiglmearen Ausbreitung verstärkt; daher kann der _{20 kdt mcht koUinear sind tfugt} die nichtkollineare Wirkungsgrad der Lichtunisetzung auf nahezu _{Ausbreitung des} Lichts in dem Filter zu ähnlichen lOOo/o erhöht und die erforderliche akustische _{nachteilhaften Effekten für das Filter bei> Daher be}-Leistung für eine wirksame Umsetzung drastisch _deutet ,_{im wese}ntlichen koUinear«, daß die Lichtherabgesetzt werden. _und Akustikvektoren hinreichend koUinear sind, um

In einigen doppelbrechenden KristaUen sind der aj die Vorteile einer wirkungsvollen Verwendung der

Vektor der Phasengeschwindigkeit und der Gruppen- akustischen Leistung auszunutzen und sich mit den

geschwindigkeit nicht koUinear. Der Winkel zwischen erforderlichen Bandpaß-Filtercharakteristiken zu ver-

ihnen kann etwa 20° im Falle von Quarz betragen. tragen.

In einem solchen Fall kann der Lichtstrahl entweder Wie sich aus Gleichung 2 ergibt, ist die Bandbreite

zur Phasengeschwindigkeit oder zur Gruppen- 30 des akustisch-optischen Filters umgekehrt abhängig

geschwindigkeit bei entsprechenden Vorteilen und von der Länge L der Wechselwirkung durch den

Nachteilen koUinear sein. Kristall. Bei akustisch-optischen Resonanzfiltem kann

Wenn der Lichtstrahl mit der Phasengeschwindig- die Weglänge relativ kurz und daher die Bandbreite

keit kollinear ist, wird der Vorteü der cos-Abhängig- relativ weit sein. In solchen Fällen können die Vek-

keit der Bandbreiten-Mittenfrequenz bei einer Ab- 35 toren für die optischen und akustischen WeUen eine

weichung mit dem Nachteil erhalten, daß der Licht- betiächtliche Abweichung aufzeigen, während immer

strahl schnell aus dem akustischen Strahl auswan- noch die Vorteile der kollinearen Beugung erhalten

dert, da sich die Energie in der Richtung der bleiben, da die akustisch-optische Wechselwirkung

Gruppengeschwindigkeit ausbreitet und nicht mit dem bei einem relativ hohen Faktor Q erfolgt, und die

Lichtstrahl koUinear ist. Daher kann eine schmale 40 Wechselwirkung nur mit dem cos des Winkels der

Bandcharakteristik in diesem Falle auf Kosten ent- Abweichung abfällt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

optic tunable Filter« in »Journal of the optical Society Patentansprüche: of America«, Bd. 59, Nr. 6, Juni 1969, S. 744 bis 747, beschrieben. Akustisch-optische Filter haben die

1. Akustisch-optisches Filter mit mindestens Eigenschaft, daß ein in das optisch anisotrope doppeleinem in Richtr ag auf einen nachgeschalteten 5 brechende Medium einfallender lichtstrahl einer Analysator durchleuchtbaren optisch anisotropen ersten Polarisation und einer bestimmten, mit der Medium, in welchem mittels eines elektroakusti- Frequenz der kollinear zum Lichtstrahl erzeugten sehen, mit einem HF-Signal gespeisten Wandlers akustischen Welle streng korrelierten Frequenz an der akustische Wellen kollinear mit der Richtung des akustischen Welle in eine zweite, zur ersten orthogo- Iichtstrahls durch das Medium erzeugbar sind io nale Polarisation gebeugt wird. Die für das Licht der und das als ein akustischer Resonator für die bestimmten Frequenz eintretende Polarisationsdrehung akustischen Wellen ausgebildet ist, dadurch läßt sich mit Hufe des dem optischen Medium nachgekennzeichnet, daß mehrere akustisch geschaltetem Analysator als Aufhellung oder Verjeweils unterschiedlich abgestimmte optisch aniso- dunkelung beobachten. Akustisch-optische Filter trope Medien (2) nebeneinander in einer quer zur 15 haben vielfache Verwendungsmöglichkeiten, insbe-Lichtstrahlrichtung ausgerichteten Fläche ange- sondere als Bandpaßnlter oder Bandsperrfilter, wobei ordnet sind. ihr Sperr- oder Duf chlaßbereich durch eine Einstel-

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- lung der Frequenz der akustischen Welle bequem auf zeichnet, daß jedem Medium (2) ein elektroaku- der Frequenzachse verschoben werden kann,
stischer Wandler (2, 3, 4) zugeordnet ist und alle 20 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Wandler elektrisch parallel geschaltet sind. akustisch-optische Filter der eingangs genannten Art

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- so weiterzubilden, daß sein Sperr- bzw. Durchlaßkennzeichnec, daß die Medien (2) in einer geord- bereich nicht nur frequenzmäßig, sondern auch örtneten Matrix gemäß zunehmenden oder abneh- lieh veränderbar ist.