DE2258661A1

DE2258661A1 - Akustooptische anordnung zum ablenken eines optischen strahlenbuendels

Info

Publication number: DE2258661A1
Application number: DE19722258661
Authority: DE
Inventors: William Adam Bonner; Jun Arthur Woodward Warner; Donald Lawrence White
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-12-06
Filing date: 1972-11-30
Publication date: 1973-06-07
Also published as: FR2162417A1; FR2162417B1; AU4948772A; US3743970A; JPS565972B2; JPS4865953A; DE2258661C2; IT975958B; AU473787B2; BE792111A; GB1380475A; CA969263A; SE391245B; NL7216339A

Description

Western Electric Company, Incorporated . Bonner 7-11-16

New York, N.Y., U.S.A. ' ? 9 R 8 R R

Akustooptische Anordnung zum Ablenken eines optischen Strahlenbündels

Die Erfindung bezieht sich auf eine akustooptische Anordnung zum Ablenken eines optischen Strahlenbündels, mit einem Körper aus Paratellurit-Tellurdioxid, einer Wellenerzeugereinrichtung zur Erzeugung akustischer oder elastischer Scherwellen, welche sich längs der EllO3 Achse im Körper ausbreiten, und mit einer Frequenzmodulationseinrichtung, welche die Scherwellen derart moduliert, daß sie ein optisches Strahlenbündel um einen auf die Frequenz der Scherwellen bezogenen Winkel ablenken.

Es ist bekannt, daß ein akustisches Strahlenbündel der Wellenlänge /\ bei seiner Wechselwirkung mit einem Lichtstrahl der Wellenlänge λ als Beugungsgitter mit dem Abstand bzw. der Gitterkonstante iV wirkt, welches den Lichtstrahl unter einem -Winkel f ablenkt, der durch

gegeben ist, wenn das Bragg-Gesetz erfüllt ist. In der Gleichung (1) sind θ und ip die Winkel zwischen den einfallenden und abgelenkten LichtstrahlenteündeIn) und dem akustischen Gitter und V und f die akustische Geschwindigkeit bzw. Frequenz.

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In dieser Form der Bragg-Winkelablenkung hat der Ablenkwinkel <P stets die gleiche Größe wie der Einfallwinkel Θ. Um das abgelenkte Strahlenbündel über einen Winkelbereich £± qj> abzutasten, ist es notwendig, einen relativ schmalen Wandler der Länge L zu verwenden, um die akustische Energie in einen Winkelbereich A θ = A/L zu streuen. Demgemäß wird das Ausgangslichtstrahlehbündel bei Modulation der akustischen Frequenz um einen Betrag Af (die Bandbreite) über einen Winkel Λ ^f abgetastet, der durch

gegeben ist, wobei η der Brechungsindex ist. Es läßt sich zeigen, daß die Anzahl der aus dem abgetasteten Strahlenbündel .auflösbaren Punkte N gleich ist

N « |a f « tkf (3)

wobei D die Öffnung des einfallenden Lichtstrahlenbündels und T die Zugriffszeit, d.h. die vom Lichtstrahlenbündel

bezum Kreuzen der akustischen Welle /nötigte Zeit ist.

Diesen bekannten akustooptisehen Licht-Ablenkeinrichtungen haften einige Probleme an. So muß insbesondere bei einer vorgegebenen akustischen Mittenfrequenz die Wechselwirkungs-

zu vergrößern, länge L verringert werden, um den Ablenkwinkel ^, der wiederum

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höherer akustischer Leistung bedarf. Tatsächlich wird, die akustische Leistung bei vernünftigen Ablenkwinkeln und Wirkungsgraden in bekannten DauerStricheinrichtungen so hoch, daß thermische Spannungen im akustooptisehen Material das gebeugte Lichtstrahlenbündel stark verzerren.

1967 wurde jedoch von R.W. Dixon postiliert, daß Abweichungen von der normalen Bragg'sehen Beugung auftreten, wenn dem einfallenden Lichtstrahlenbündel eine Ausbreitungsrichtung senkrecht zur optischen Achse eines einachsigen doppelbrechenden Kristalls gegeben wird. In einem Artikel mit dem Titel "Acoustic Diffraction of Light in Anisotropie Media" in IEEE Journal of Quantum Electronics, OE-3, 85 (1967) gab er an, daß eine dieser Abweichungen darin besteht, daß der Einfallwinkel 0 nicht mehr gleich dem Ablenkwinkel φ zu sein braucht. Außerdem wies er darauf hin, daß der Ablenkwinkel, aufgetragen über der akustischen Frequenzcharakteristik derartiger doppelbrechende Medien verwendenden Ablenkeinrichtungen eine Extremstelle (inflectionpoint) bei einer Frequenz f' hat, bei der dO/df =0. Durch Frequenzmodulation der akustischen Welle um eine Mittenfrequenz, die gleich f. ist, wies Dixon nach, daß größere Beugungswinkel φ erzielt werden konnten als bisher.

Leider ist die Extremstellenfrequenz f' (inflection point frequency) für die meisten brauchbaren doppelbrechenden

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akustooptischen Medien im Gigahertzbereich,in dem akustooptische Verluste sehr hoch sind. Da jedoch die akustooptischen Verluste mit dem Quadrat der akustischen Frequenz abnehmen, wäre es zweckmäßig, ein akustooptisches Material mit einer niedrigeren f' zu verwenden. Außerdem sollte die Schallwelle in einem solchen Material eine relativ niedrige Geschwindigkeit haben, um die Anzahl auflösbarer Punkte entsprechend Gleichung (3) zu vergrößern.

Ein akustooptisches Material, das doppelbrechend ist und eine relativ niedrige Geschwindigkeit für sich längs der £llOJ Richtung ausbreitende Scherwellen hat, ist TeO₅, das von N. Uchida et al in Journal pf Applied Physics, 40, 4692 (1969) angegeben wurde. Unter Verwendung der Lehren von Dixon berechnet man eine Extremstellenfrequenz f ^β 1,17 GHz für eine optische Wellenlänge von etwa 0,44 «m und sich in der Cliol Richtung in TeO₃ ausbreitenden Scherwelle. Selbst bei 1,15yum, ein Wert, der noch innerhalb des optischen Durchlaßbandes (0,33 /um bis 4,5 yum) von TeOp liegt, ist f etwa 0,45 GHz, also noch relativ hoch. Daher würde eine Ablenkeinrichtung, welche zum Ausnutzen der Doppelbrechung Te0_? geeignet ausgebildet ist, unerwünscht hohe akustische Verluste bei nahezu allen praktikablen optischen Wellenlängen innerhalb ihres Durchlaßbandes erfahren.

Das Problem der Erzielung hoher Ablenkungen eines optischen Strahlenbündels bei niedrigen akustischen Leistungen wird

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erfindungsgemäß bei einer akustooptischen Anordnung dadurch gelöst, daß eine optische Einrichtung vorgesehen ist, welche das optische Strahlenbündel polarisiert und dem polarisierten Strahlenbündel eine elliptische Form gibt, wobei das elliptisch geformte Strahlenbündel so gerichtet ist, daß es sich in dem Körper unter einem Winkel zu dessen optischer Achse ausbreitet, der größer als Null ist, daß der Einfallwinkel des optischen Strahlenbündels über der akustischen Frequenzcharakteristik des Körpers eine Extremstelle hat, die für verschiedene optische Wellenlängen bei unterschiedlichen Frequenzen auftritt, und daß die Mittenfrequehz der Frequenzmodulationseinrichtung angenähert gleich der der Wellenlänge des optischen Strahlenbündels entsprechenden Extremstellenfrequenz ist.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführung sbei spiels der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht auf den TeO--Körper der Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines LiNb(K-Wandlers zur Verwendung in der Ausführung sform nach Fig. 2;

Fig. 4 verschiedene Richtungen der Licht- und akustischen Strahlenbündel, bezogen auf die optische Achse;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Einfall-

und/oder Ablenkwinkel über der akustischen Frequenz sowohl für normale Bragg'sehe Ablenkung (Kurve Ka)) und Ablenkung entsprechend dem Erfindungsvarschlag (Kurven IKa) und III Ca)) ; und

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Fig. 6 eine analoge Darstellung der Fig. 5 mit Kurven für drei unterschiedliche optische Wellenlängen,

Es wird hier erstmals angegeben, daß die Extremstellenfrequenz (inflection point frequency) von Paratellurit TeO» auf den brauchbaren Zehn-Megahertz-Bereich reduziert werten kann, wo akustische Verluste relativ gering sind, indem die optische Aktivität des Materials anstelle seiner Doppelbrechung ausgenutzt wird. Die optische Aktivität, die genauer in "Fundamentals of Optics", Ch. 28, McGraw Hill (3. Auflage 1957) von Jenkins und White erläutert wurde, ist die Eigenschaft eines Materials, durch die sich parallel zur optischen Achse ausbreitendes elliptisch oder zirkulär polarisiertes Licht eine von zwei Fortpflanzungsgeschwindigkeiten hat, die von der Art der Polarisation abhängig ist. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die akustischen Scherwellen so gerichtet, daß sie sich längs der C 110^ Achse im TeO _ ausbreiten, und ein elliptisch polarisierter Lichtstrahl wird so gerichtet, daß er sich unter einem spitzen Winkel y¹ zur optischen Achse des TeO₀ Kristalls ausbreitet. An der Extremstellenfrequenz verläuft das abgelenkte Lichtstrahlenbündel im wesentlichen senkrecht zur ^10*3 Achse. Diese Kombination führt zu Extremstellenfrequenzen im Bereich von etwa 18 MHz bis 82 MHz für optische Wellenlängen im Bereich von 1,15 win bis 0,4416 μπι. Für einen vorgegebenen Einfallwinkel θ und eine vorgegebene

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Wechselwirkungslänge L kann das gebeugte Lichtsirahlen bündel über einen größeren Winkelbereich abgelenkt werden, als dies bisher möglich war (z.B. 2 Grad im Vergleich zu 0,4 Grad in PbMoO₄), oder bei einer vorgegebenen Bandbreite &f kann die Wechselwirkungslänge L größer gemacht werden, wodurch die benötigte akustische Leistung verringert wird und die mit den thermischen Spannungen verbundenen Probleme ausgeräumt werden.

Es wurde außerdem gefunden, daß zur Erzielung der zuvor · genannten sehr erwünschten Eigenschaften vorzugsweise Paratellurit-TeO₅ im Einkristallziehverfahren nach Czochralski

^₁. aus

aus einem Ausgangsmaterial gezüchtet wird, welches/zu wenigstens 99,9999 Prozent reinem polykristallinem Tellurdioxid besteht. In der nachfolgenden Beschreibung wird unter TeO„ Paratellurit-TeOp verständen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Lichtstrahlen-Ablenkanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Ein linear polarisiertes Lichtstrahlenbündel, das von einem L'aser 10 erzeugt wird, wird durch eine Viertelwellenplatte 12 geschickt, wo es in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt wird. Gegebenenfalls kann die Platte 12 durch einen bekannten Kompensator, z.B. einen Soelil-Babinet-Kompensator zur Erzeugung leicht elliptisch polarisierten Lichtes ersetzt werden, um die außerhalb der optischen Achse verlaufende Rich-

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tung des Lichtstrahlenbündels zu kompensieren, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Als nächstes wird das polarisierte Lichtstrahlenbündel durch eine zylindrische Linse 14 geschickt, um eine asymmetrische (elliptische) Intensität sverteilung hervorzurufen, welche die Öffnung D vergrößert und daher die Anzahl auflösbarer Punkte entsprechend Gleichung (3) erhöht. Gleichzeitig verringert ein elliptisch geformtes Strahlenbündel den Strahlenbündelquerschnitt in Richtung normal zur Ablenkrichtung, was bedeutet, daß die Wandlergröße in dieser Richtung ebenfalls verringert werden kann. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, ein TeO_? Kristall geringerer Größe und geringere akustische Energie zu verwenden.

Das elliptisch geformte und elliptisch polarisierte Lichtstrahlenbündel wird von einer Linse 16 auf den TeOp Körper 18 fokussiert. Nachdem das Lichtstrahlenbündel und die akustischen Wellen im Körper 18 in Wechselwirkung getreten sind, wird das abgelenkte Lichtstrahlenbündel von einem Teleskoplinsensystem 28 auf einen Verbraucher 30 fokussiert. Letzterer bezeichnet allgemein die vielfältigen Anwendungsfälle akustooptischer Ablenkeinrichtungen bzw. Deflektoren in beispielsweise Echtzeitanzeigesystemen, Hartkopiersystemen und Verarbeitungsvorgängen.

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Wie genau in Fig. 2 gezeigt ist, weist der TeO₂ Körper 18 an einem Ende 18a einen Wandler 20 auf, an dem eine Elektrode 22 ausgebildet ist. Letztere ist mit einem Oszillator 24, (Fig. 1) verbunden, der ein frequenzmoduliertes e3äctrisches Ausgangssignal erzeugen kann, welches über einen Wandler 20 eine akustische oder elastische Scherwelle in Richtung des Vektors K wirft, d.h., die akustische Scherwelle breitet sich in der 'ClIO^ Richtung aus und hat einen Versetzung svektor in der [ITlOUl Richtung. Die LH0~3 Richtung ist für Scherwellen aus dem Grunde vorgesehen, da die akustische Geschwindigkeit .von TeO₂ in dieser Richtung am geringsten, nämlich etwa 0,617 χ 10 cm/sec ist, wodurch die Anzahl von durch den Deflektor auflösbaren Punkten N entsprechend Gleichung (3) erhöht wird. Wie in Fig., 4 gezeigt ist, breitet sich das einfallende Lichtstrahlenbündel allgemein unter einem kleinen Winkel -f* zur optischen Achse aus, wobei >ζ ungleich Null und typischerweise kleiner als etwa 20 Grad ist. Die sowohl die Licht- alsauch akustischen Strahlenbündel enthaltende Ebene P bildet allgemein einen Winkel mit der optischen Achse, wobei β in typischer Ausführung kleiner als etwa 20 Grad ist und Null werden kann. Außerdem steht das einfallende Lichtstrahlenbündel unter einem kleinen Winkel, θ (z.B. 1 bis 3 Grad), dem Bragg'sehen Winkel, zu der Normalen zur Richtung der akustischen WeJLlen.

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Im Betrieb treten die Scherwellen mit dem einfallenden Lichtstrahlenbündel in Wechselwirkung, das durch einen auf den akustischen Frequenzhub Δf bezogenen Winkelbereich abgelenkt ist. Es ist wesentlich, daß der Lichtstrahlen-Einfallwinkel über der akustischen Frequenzcharakteristik eine Extremstelle bzw. einen Wendepunkt zeigt, an der bzw. an dem das abgelenkte Strahlenbündel im wesentlichen rechtwinklig zum akustischen Strahlenbündel steht, d.h. rechtwinklig zur [jllOj Richtung. Es ist zu beachten, daß bei einer vorgegebenen Extremstellenfrequenz die Winkel )f, β und θ einheitlich bestimmt sind. Wenn das Lichtstrahlenbündel in der (lTO)Ebene (ß = 0) liegt, so ist der Winkel f gleich dem Winkel Θ. Die durch die akustischen und Licht-Strahlenbündel bestimmte Ebene P kann um das akustische Strahlenbündel (d.h. β Φ 0) gedreht werden. Dann ist das Lichtstrahlenbündel von der optischen Achse weiter entfernt, trifft jedoch noch auf die akustischen Wellen unter dem Winkel Θ. In der Praxis wurde gefunden, daß das Lichtstrahlenbündel bis zu 20 Grad außerhalb der optischen Achse liegen kann. Wenn jedoch der Winkel y zwischen dem Lichtstrahlenbündel und der optischen Achse größer wird, so treten zwei Effekte auf: (1) die Extremstellenfrequenz f wird erhöht, wodurch die akustischen Verluste anwachsen; dies kann in einigen Fällen erwünscht sein, da die Extremstellen- bzw. Wendepunktefrequenz bei einem besonderen Anwendungsfall zu klein sein kann, und (2) der Ablenkwirkungsgrad, d.h. der abgelenkte Teil des einfal-

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lenden Strahlenbündels, wird wesentlich verringert. So ergab es sich beispielsweise anhand von Messungen mit Licht bei 0,4416 /um in der (TlO) Ebene ψ = 0 ,£ = θ =3Grad). daß f = 82 MHz und daß in dem um f gemitteten-Frequenzband ein Ablenkwirkungsgrad von 90 Prozent erreicht wird. Demgegenüber ergaben Messungen für p = 12 Grad, "^ = 13 Grad und θ = 4 Grad angenähert ein f' = 110 MHz und einen maximalen Ablenkwirkungsgrad von 40 bis 45 %.

Das dem die akustischen Wellen abstrahlenden Ende 18a gegenüberliegende Ende 18b des TeOp Körpers ist mit einem akustischen Absorber 26 ausgestattet",· der Reflexionen der akustischen Welle am Ende 18b reduziert und dadurch nachfolgende Störwechsel Wirkungen mit dem Lichtstrahl verringert. Zu diesem Zweck sollte die mechanische Impedanz des Absorbers so nahe als möglich derjenigen des TeO _? Körpers angepaßt sein. Sofern jedoch eine Fehlanpassung besteht, kann das Ende 18b unter einem kleinen Winkel zur [1103 Richtung ausgebildet werden, so daß die reflektierten akustischen Wellen aus der Zone abgelenkt werden, in der die akustooptische Wechselwirkung stattfindet. Gegebenenfalls kann der Absorber 26 in einem Kühlkörper 3 2 angebracht werden, der besonders in dem Falle zweckmäßig ist, wenn der Reflektor auf einer Dauerstrichbasis betrieben wird.

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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde der TeOp Körper im Einkristallziehverfahren nach Czochralski gezüchtet, wobei als Ausgangsmaterial kommerziell verfügbares TeO„ Pulver mit einer Reinheit von 99,9999 Prozent verwendet wurde. Es wurde gefunden, daß die Reinheit des Ausgangsmaterials in direkter Beziehung mit der Qualität des gezüchteten TeO« Kristalls steht. D.h., wesentlich geringere optische Streuverluste, sowie niedrigere akustische Absorbtionsverluste wurden dann erzielt, wenn das TeOp-Ausgangsmaterial den obengenannten, auf sechs Neunen bezogenen Reinheitsgrad hatte, im Vergleich zu bisher verwendeten Ausgangsmaterialien mit einem Reinheitsgrad von 99,98 Prozent. So beträgt bei 50 MHz die akustische Dämpfung bei bekanntem TeOp etwa 0,23 db//Js, während bei dem erfindungsgemäßen TeOp nur eine Dämpfung von etwa 0,04 db/zu^aJso nahezu um den Faktor sechs niedriger auftritt. In ähnlicher Weise betrugen die Verluste bei 100 MHz mit bekanntem TeO₂ 0,40 db/^.us, während bei dem erfindungsgemäß benutzten TeOp Verluste von nur etwa 0,13 db/us, also um den Faktor drei niedriger, auftraten.

Unter Verwendung dieser hochwertigen TeOp Kristalle wurde eine akustooptische Licht-Ablenkeinrichtung aufgebaut, welche der gegenwär-tig besten, Bleimolybdat verwendenden Ablenkeinrichtung bei weitem überlegen war. Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, hat der TeO- Körper die Abmessungen w = 8 mrn, h = 9 ram und 1 = 22 mm. Ein x-Schnitt-LiNbO_-Wandler einer

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Stärke von etwa 48 /um und geschnitten in der in Fig. 3 gezeigten Weise wurde verwendet. D.h., der Versetzungsvektor befand sich in der [JlO~} Richtung und bei 41 Grad bzw. 49 Grad zur z-Achse bzw. zur y-Achse entsprechend den Vorschlägen gemäß US-PS 3 591 813. Bei Ansteuerung durch den Oszillator 24 richtete dieser X-Schnitt-Wandler akustische Scherwellen längs der [J1Ö3 Richtung in den TeO₂ Körper 18. Der Absorber 26 wies einen Magnesiumblock auf, der mit Epoxid an dem Ende 18b befestigt war, das unter 2 Grad zur Normalen geschnitten wurde. Die mechanische Impedanz von Magnesium beträgt etwa 5,3 im Vergleich zu·3,6 für TeO_?. Diese Fehlanpassung rief eine akustische Reflexion von etwa 4 Prozent hervor, welche aufgrund der schrägen Schnittführung der Endfläche 18b abgelenkt wurde.

Im Betrieb wurde das von einem bei 0,4416 Aim arbeitenden HeCd-Laser erzeugte Lichtstrahlenbündel mit Hilfe eines Soelil-Babinet-Kompensators leicht elliptisch polarisiert und in die (TlO) Ebene (/5=0 Grad) unter einem Winkel ^ = θ von etwa 3 Grad zur optischen Achse (d.h. zur LOOi} Richtung) des TeOp Körpers 18 gerichtet. Durch Frequenzmodulation des elektrischen Ausgangssignals des Oszillators 24 wurde die akustische Frequenz über einen Bereich von etwa 40 MHz bis auf etwa 120 MHz gewobbelt und die Einfall- und Ablenkwinkel wurden gemessen und entsprechend Fig. 5 aufgezeichnet.

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Kurve II (a) gibt den Winkel des einfallenden Lichtstrahlenbündels und Kurve III(a) den entsprechenden Winkel des abgelenkten Strahlenbündels für jede akustische Frequenz an. Demgegenüber zeigt die Kurve Ka) sowohl den Einfallwinkel als auch den Ablenkwinkel (welche gleich sind) für normale Bragg¹sehe Ablenkung. Es ist zu beachten, daß ein zirkular polarisiertes Strahlenbündel als einfallendes Licht so gewählt wurde, daß Kurve II(a) mit der ..Extremstelle sich für das einfallende Strahlenbündel ergab.

Bei einer optischen Wellenlänge von 0,4416 /um erscheint die Extremstelle bei angenähert f = 82 MHz, was dem Punkt entspricht, bei dem der Winkel des abgelenkten Strahlenbündels Null Grad ist, und erscheint bei einem Einfallwinkel (3,2 Grad), der zweimal so groß vie derjenige bei normaler Bragg'scher Ablenkung (1,6 Grad) ist. Beispielsweise muß bei einer 60 Prozent Bandbreite (d.h. 82 _+ 25 MHz) l die Streuung des einfallenden Lichtstrahlenbündels

(Δθ = A/L) etwa 1,2 Grad für normale Bragg'sehe Ablenkung jedoch nur etwa 0,2 Grad bei der erfindungsgemäßen Ausführung sein. Ferner kann eine Wechselwirkungslänge L verwendet werden, welche um den Faktor 6 größer ist, was bedeutet, daß die akustische Leistung um einen Faktor von etwa sechs verringert und die Leistungsdichte um einen Faktor von etwa sechsunddreißig reduziert werfen kann. Die mit der thermischen Spannung verbundenen Probleme werden beträchtlich

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verringert, insbesondere dann, wenn die Ablenkeinrichtung auf einer Dauerstrichbasis betrieben wird. Unter Verwendung dieses Ablenksystems wurden 500 auflösbare Punkte mit einer 10 us Zugriffszeit bei 50 mW akustischer Leistung und 70 Prozent Ablenkwirkungsgrad erreicht. Im Vergleich hierzu würde ein B,leimolybdat-Ablenksystem etwa 2 Watt akustischer Leistung zur Erzielung der gleichen Werte benötigen, oder er würde einen Ablenkwirkungsgrad von nur etwa 2 Prozent bei der gleichen akustischen Leistung haben.

Die Kurven Ka) und II(a) der Fig. 5 sind in Fig. 6 reproduziert, wo die akustische Frequenz logarithmisch aufgetragen ist. Ferner sind in Fig. 6 Kurven 1Kb) und IKc) gezeigt, welche die Lichtstrahlen-Einfallwinkel bei Wellenlängen von 0,6328 um bzw. 1,15 um, zwei typische Ausgangsstrahlungen eines He-Ne-Lasers, darstellen.- Die Kurven Kb) und Kc) sind entsprechende Darstellungen für normale Bragg'sehe Ablenkung. Es ist zu beachten, daß die Wellenlänge von Licht von 0,4416 Aim auf 0,6328 um und 1,15 /um zunimmt, während die ExtremStellenfrequenz von etwa 82 MHz auf 40 MHz und 18 MHz abnimmt.

Verschiedene mögliche Ausführungen ergeben sich bei diesen unterschiedlichen Extremstellenfrequenzen. Wird an—

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genommen, daß eine 3 db akustische Dämpfung über die Lichtstrahienbündelöffnung (d.h. in der [11Ö]Richtung) zulässig ist, so kann bei 0,4416 /um und einer akustischen Mittenfrequenz von etwa 82 MHz = f die Lichtstrahlenbündelöffnung D angenähert 1 cm sein, und eine 60 prozentige Bandbreite würde N = 750 auflösbare Punkte gemäß Gleichung (3) ergeben. Die Zugriffszeit X würde etwa 16 us betragen. Andererseits könnte die Öffnung D = 0,62 cm für N = 500 Punkte und *- = 10 jus sein. Das zuletzt genannte System würde besonders zweckmäßig für Echtzeitanzeige- oder Hartkopiersysteme sein. Demgegenüber ist bei einer optischen Wellenlänge von 0,6328 um und einer akustischen Mittenfrequenz von etwa 40 MHz = f' eine höhere Kapazität N möglich, da die akustische Dämpfung mit dem Quadrat der akustischen Frequenz abnimmt. Nimmt man wiederum eine 3 db akustische Dämpfung über die Öffnung und eine 60 prozentige Bandbreite an, so kann die Öffnung D etwa 3,5 cm

rf

sein, was zu N = 1600 Punkten und ^L = 60 jus führt. Weitere Verbesserungen können durch Verwendung optischer Wellenlängen im infraroten Bereich, z.B. der 1,15 yum-Linie des He-Ne-Lasers erreicht werden, bei der f angenähert gleich 18 MHz ist. Beispielsweise können N = 5000 Punkte bei ~ = 500 /us erreicht werden, vorausgesetzt, daß ein TeO_?-Kristall ausreichender Größe gezüchtet werden kann (z.B. ein 30 cm langer Kristall). In alternativer Ausführung können N =

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500 Punkte bei ^ = 50 Aas in einem 3 cm langen Stab aus TeOp erzielt werden. Das zuletzt genannte System ist beispielsweise bei Verwendung der relativ leistungsstarken 1,06 ium Linie eines Nd dotierten Yttriumaluminiumgranat-.Lasers besonders zweckmäßig für Behandlungs- bzw. Verarbeitung svorgänge. -

Wenn auch zuvor die Ablenkung von Licht bei speziellen Wellenlängen beschrieben worden ist, so ist zu brachten, daß das neue Ablenksystem für alle optischen Wellenlängai im optischen Durchlaßband von Te0_ brauchbar ist, d.h. im Bereich von angenähert 0,33 /um bis 4,5 /um. Zusätzlich kann ein Paar von Ablenkeinrichtungen zur Ablenkung in orthogonalen Richtungen verwendet werden, oder es kann eine der Ablenkeinrichtungen zum raschen Abtasten in einer Richtung und eine andere, z.B. ein Galvanometer zum langsameren Abtasten in einer orthogonalen Richtung verwendet werden. Die zuletzt genannte Anordnung kann besonders zweckmäßig zur Bildung eines Rasters in einem Echtzeitanzeigesystem verwen'det werden.

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Claims

-ie- 2253661

Patentansprüche

Akustooptische Anordnung zum Ablenken eines optischen Strahlenbündels mit einem Körper aus Paratellurit-Tellurdioxid. einer Wellenerzeugereinrichtung zur Erzeugung akustischer oder elastischer Scherwellen, welche sich längs der CHQ] Achse im Körper ausbreiten, und mit einer Frequenzmodulationseinrichtung, welche die Scherwellen derart moduliert, daß sie ein optisches Strahlenbündel um einen auf die Frequenz der Scherwellen bezogenen Winkel ablenken, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Einrichtung (12,14) vorgesehen ist, welche das optische Strahlenbündel polarisiert und dem polarisierten Strahlenbündel eine elliptische Form gibt, wobei das elliptisch geformte Strahlenbündel so gerichtet ist, daß es sich in dem Körper unter einem Winkel zu dessen optischer Achse ausbreitet, der größer als Null ist, daß der Einfallwinkel des optischen Strahlenbündels über der akustischen Frequenzcharakteristik des Körpers eine Extremstelle hat, die für verschiedene optische Wellenlängen bei unterschiedlichen Frequenzen auftritt, und daß die Mittenfrequenz der Frequenzmodulationseinrichtung (24) angenähert gleich der der Wellenlänge des optischen Strahlenbündels entsprechenden Extremstellenfrequenz ist.

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2. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Strahlenbündel so gerichtet ist, daß es sich im Körper unter einem Winkel zu dessen optischer Achse ausbreitet, der nicht größer als 20 Grad ist.
3. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustischer Absorber so 'ausgebildet und angeordnet ist, daß er die Scherwellen nach deren Wechselwirkung mit dem optischen Strahlenbündel dämpft.
4. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber einen an dem Tellurdioxidkörper befestigten Magnesiumkörper aufweist.
5. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dasjenige Ende des Tellurdioxidkörpers, auf das die Scherwellen nach ihrer Wechselwirkung mit dem Strahlenbündel auftreffen, unter einem Winkel zur Ausbreitung srichtung der Scherwellen angeordnet ist und der Magnesiumkörper an diesem Ende befestigt ist.
6. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenerzeugereinrichtung einen x-Schnitt-Lithiumniobat-Wandler aufweist, der an dem den

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Absorber tragenden Ende entgegengesetzten Ende des Tellurdioxidkörpers befestigt ist.
7. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tellurdioxidkörper niedrige optische Streuverluste und niedrige akustische Absorbtionsverluste hat und ein Einkristall ist, der im Einkristallziehverfahren nach Czochralski aus polykristallinem Tellurdioxid mit einem Reinheitsgrad von 99,9999 Prozent gezüchtet ist.
8. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der x-Schnitt-LiNbO^-Wandler mit einem Ende des Körpers so verbunden ist, daß seine x-Achse längs der £l 10l Richtung des Körpers, seine z-Achse bei etwa 41 Grad zur CTlO] Richtung und seine y-Achse bei etwa 49 Grad zur ΓΤίοΊ Richtung liegen, daß ein Kühlkörper mit dem Absorber thermisch gekoppelt ist und daß der Wandler die akustischen Scherwellen so richtet, daß sie sich im Körper in der [110} Richtung ausbreiten und in der LllQj Richtung polarisiert sind.
9. Akustooptische Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Strahlenbündel von einem He-Cd-Laser bei 0,4416 /um erzeugt ist und die Extremstellenfrequenz bei etwa 82 MHz liegt.

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10. Akustooptische Anordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Strahlenbündel von einem He-Ne-Laser bei 0,6328 /um erzeugt ist und die Extremstellenfrequenz bei etwa 40 MHz liegt.
11. Akustooptische Anordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Strahlenbündel von einem He-Ne-Laser bei 1,15 /um erzeugt ist und die Extremstellenfrequenz bei- etwa 18 MHz liegt.

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