DE2261576A1 - Optisches verbundelement - Google Patents
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dr. O. ϋΠΤΜΑΝΝ
K. L·. SCHIFF DB. A. ν, FÜNBR Dipl. ing. P. STREHL·
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Dipl. ing. D. EBBINOIIAUS
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LTD.
15. Dezember 1972 - SL/ka
Optisches Verbundelement
(Priorität: 17.Dez. 1971, Japan, Fr.lol898)
Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges optisches Verbundelement,
das ein regelmäßiges ferroelektrisches Einkristallsubstrat
in Kombination mit einem Film einer flüssigkristallinen Substanz enthält.
Ferroelektrische Materialien lassen sich bekanntlich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften allgemein einteilen
in
(1) unregelmäßige ferroelektrische Materialien
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(2) regelmäßige ferroelektrisch^ Materialien.
Die unregelmäßigen ferroelektrischen Materialien (1) sind ferroelektrische Substanzen, die kein Symmetrieaentruin in
der paraelektrischen (-para magnetischen) Phase aufweisen. In der ferroelektrischen Phase werden Veränderungen (-x_)
der Gitterdeformation (x), die bei Umkehrung der Polarisation eintreten, durch Anlegen elektrischer Felder E aufgezeigt,
wie in Fig. la veranschaulicht wird. Nach anderer Betrachtungsweise können diese Materialien auch als ferroelektrische
Substanzen bezeichnet werden, in denen die spontane Polarisations-Umkehr (+Pjr=* ~^s^ <*urch Spannungen
X eintritt, wie in Fig. Ib dargestellt ist. Eine der Eigenschaften, welche diese Substanzgruppe zeigt, ist der
spontane Pockels-Effekt. Nach diesem Effekt ist die spontane Doppelbrechung Δ η der ferroelektrischen Phase proportional
der spontanen Polarisation P entsprechend der folgenden Gleichung (l):
*na = a P3 (1)
Anders ausgedrückt wird durch diesen Effekt das Vorzeichen
der Doppelbrechung Δη in Übereinstimmung mit dem Vorzeichen
der spontanen Polarisation verändert. Im einzelnen kann die spontane Doppelbrechung Δ η von plus nach minuü
oder von minus nach plus in der Weise verändert werden, wie in Fig.Ic gezeigt ist, wenn ein elektrisches Feld oder Spannungen
X an die ferroelektrische Phase angelegt werden. Diese physikalische Erscheinung wird als spontaner Pockel-Effekt
bezeichnet.
Es wurde vorgeschlagen, optische Elemente, wie eine optische
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Blende, einen Farbmodulator und einen optischen Raummodulator unter Ausnutzung dieser Erscheinung herzustellen. Die beabsichtigten Anwendungszwecke sind im allgemeinen üblich für
unregelmäßige ferroelektrische Materialien. Als typische Substanzen, die der Gruppe der unregelmäßigen ferroelektrischen
Materialien angehören, sind Gadolinium-molybdat und dessen isomorphe Kristalle bekannt. Außerdem kennt man etwa
2o verschiedene Arten, wie Kalium-dihydrogen-phosphat (KDP)
und dessen isomorphe Formen, Rochelle-Salz und dessen isomorphe "Formen, Methyl-ammonium-aluminium-sulfat-dodecahydrat
(MASD), Boracit und Diammonium-dicadmium-sulfat (NEL)0Cd0
(SO.)^. In dieser Gruppe der unregelmäßigen ferroelektrischen Substanzen sind die praktisch bei Raumtemperatur anwendbaren
Substanzen auf Gadolinium-molybdat und tdessen isomorphe Kristalle beschränkt.
Im Gegensatz dazu haben die regelmäßigen ferroelektrischen
Substanzen Symmetriezentren in der paraelektrisilhen Phase
und stellen eine Substanzgruppe dar, in der keine Veränderung
in der Gxtterdeform'ation eintritt, auch wenn die spontane Polarisation umgekehrt wird. Eine der Eigenschaften
dieser Substanzgruppen ist der spontane Kerr-Effekt. So ist spezieller die spontane-Doppelbrechung Δη proportional
dem Quadrat der spontanen Polarisation P , entsprechend der
folgenden Gleichung (2):
= -bP? (2)
Selbst wenn daher die spontane Polarisation durch elektrische Felder umgekehrt wird, unterliegt daher offensichtlich die Doppelbrechung keinerlei Veränderung. Das bedeutet,
daß es unmöglich ist, die Polarisationsänderung optisch
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festzustellen.
Dies ist ein wesentlicher Unterschied, den die regelmäßigen
ferroelektrischen Materialien gegenüber den unregelmäßigen ferroelektrischen Materialien aufweisen. Im Vergleich mit
den unregelmäßigen ferroelektrischen Substanzen haben daher die regelmäßigen ferroelektrischen Substanzen wesentlich
geringere Anwendbarkeit als Materialien für elektro-optische Vorrichtungen.
Als Substanzen, die der Klasse der regelmäßigen ferroelektrischen Substanzen angehören, sind ungefähr 2oo Arten bekannt,
wie eine Reihe von ferroelektrischen Substanzen mit oktaedrischem Sauerstoff (beispielsweise Bariumtitanat
BaTiO,, und Lithiumniobat LiNbO,), Guanidin-aluminium-Bulfat-hexahydrat
(CASH), Triglycin-sulfat (TGS) und Ammonium-Sulfat.
Wie bereits ausgeführt, verändern die regelmäßigen ferroelektrischen Substanzen bei Umkehr der spontanen Polarisation
die Doppelbrechung in keiner Weise. Sie wurden daher bisher als Materialien angesehen, die kaum von Wert als
Material für optische Elemente sind.
Es wurde nun gefunden, daß die regelmäßigen ferroelektrischen Substanzen, die bisher als wertlos für optische Zwecke angesehen
wurden, ausgezeichnete Punktionen zeigen können, die optisch gleichwertig mit den Punktionen der unregelmäßigen
ferroelektrischen Substanzen sind, wenn die regelmäßige ferroelektrische Substanz mit einem flüssigen Kristall kombiniert
wird.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein optisches Verbundelement, das ein regelmäßiges ferroelektrisches Einkristallsubstrat,
eine transparente Platte und einen zwischen dem
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Substrat und der Platte angeordneten Plüssigkristallfilm aufweist,
der einen flüssigen Kristall auf Basis von Cholesterin oder einen nematischen flüssigen Kristall mit negativer dielektrischer
Anisotropie darstellt.
Als regelmäßiger ferroelektrischer Kristall kann ein beliebiger
Kristall aus einer Anzahl bereits bekannter Kristalle gewählt werden (wovon z.Zt. etwa 2oo Arten bekannt sind). Dazu
gehören beispielsweise Bariumtitanat BaTiO,, Lithiumniobat
«IiiNbO^, Guanidin-aluminium-sulfat-hexahydrat und Triglyeinsulfat,
wie bereits angegeben.
Z.Zt. sind etwa 3.ooo verschiedene Arten von Flüssigkristallen bekannt. Erfindungsgemäß werden davon flüssige Kristalle auf
Cholesterinbasis oder nematische flüssige Kristalle mit negativer dielektrischer Anisotropie angewendet.
Als flüssige Kristalle auf Cholesterinbasis seien beispielsweise Cholesteryl-nonanoat, Cholesteryl-oleat, Cholesterylacetat,
Cholesteryl-chlorid, Cholesteryl-propionat, Cholesteryloleyl-carbonat,
Cholesteryl-methallyl-carbonat, Cholesterylbenzoat, Cholesteryl-4-nitrobenzoat, Gholesteryl-nitrat und
dgl. erwähnt.
Als nematische flüssige Kristalle mit negativer dielektrischer Anisotropie sind beispielsweise p-Azoxy~anisol, Anisyliden-paminophenyl-acetat,
p-Azoxy-phenetol, 4,4'-Diäthoxy-diphenyl,
4,4l-Di-n-amyloxy-diphenyl, 4,41-n-Hexyloxy-diphenyl, 41-Methoxybenzyliden-aminostilben,
4'-Methoxybenzyliden-aminobenzonitril, 4I-Methoxybenzyliden~aminoazobenzol, 4-(4f-Methoxybenzyliden)-aminodiphenyl,
n-(p-Methoxybenzyliden)-p-n-buty!anilin
und dgl. zu nennen.
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Die Eigenschaft der flüssigen Kristalle auf Cholesterinbasis beruht darauf, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes sich
die Spiraldrehung der Gesamtmolekular-Konfiguration verändert,
so daß die Wellenlänge der selektiven Streuung geändert wird. Wenn daher ein flüssiger Kristall auf Cholesterinbasis mit
dem regelmäßigen ferroelektrischen Einkristallsubstrat kombiniert wird, kann die Streuung von Licht beobachtet werden,
das eine Wellenlänge entsprechend der Anzahl von Ladungen hat, die auf der Oberfläche des Substrats induziert wurden.
Andererseits stellt ein nematischer flüssiger Kristall mit negativer dielektrischer Anisotropie ein Material dar, in
welchem das Dipolmoment im wesentlichen senkrecht zu der Hauptachse des Moleküls gerichtet ist. Die Eigenschaft dieses
flüssigen Kristalls beruht darin, daß bei Anlegen eines elektrischen Felds die Lichtdurchlässigkeit abrupt erniedrigt
wird. Wenn daher dieser nematische flüssige Kristall mit dem Substrat aus einer regelmäßigen ferroelektrischen Substanz
"kombiniert wird, kann eine Lichtdurchlässigkeit beobachtet werden, die der Menge der Ladungen entspricht, die auf der
Oberfläche des Substrats induziert werden.
Erfindungsgemäß kann daher der Polarisationszuatand der
regelmäßigen ferroelektrischen Substanzen in einfacher Weise optisch aufgezeigt werden, indem das Verhalten des flüssigen
Kristalls gegenüber dem elektrischen Feld benutzt wird.
Es läßt sich daher sagen, daß das erfindungsgemäße Verbundelement in optischer Hinsicht im wesentlichen die gleiche
Funktion und Wirkung wie unregelmäßige ferroelektrische Substanzen zeigt. Es wurde gefunden, daß der Zusammenhang
zwischen der Doppelbrechung Δη und dem elektrischen Feld E in dem erfindungsgemäßen Verbundelement ähnlich dem von
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unregelmäßigen ferroelektrischen Materialien ist, wie in
Fig. Ic dargestellt wird. ^
(domain state) Bekanntlich kann der Zustand der Bezirke/ der regelmäßigen
ferroelektrischen Substanzen optisch nicht direkt beobachtet werden. Dies ist aus der vorstehenden Gleichung (2) ersichtlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbundelement kann jedoch der Polarisationszustand der regelmäßigen ferroelektrischen
Substanz mit Hilfe des Plüssigkristallfilms optisch beobachtet werden.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verbündelements im Vergleich mit unregelmäßigen Ferroelektrika, wie Gadolinium-molybdat,
sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
309825/108/.
| unregelmäßige Perro- elektrika |
erfindungsgemäßes Verbundelement |
|
| Art | wenig mögliche Arten (etwa 2o) |
zahlreiche verschiedene Arten möglich, etwa 2oo Arten regel mäßige Ferroelektrika, etwa 3.000 Arten flüssige Kristalle |
| Preis | ziemlich hoch | kann niedrig sein |
| "Schaltgeschwindig keit |
mehr als Io m s | möglich bis et v/a Ims |
| Spriting- Spannung Auflösung |
ziemlich hoch (etwa 5 KV/cm) zwar hoch, jedoch kein beliebiges Muster möglich |
niedrig (von etwa o,2 KV/cm) 5oo Linien/2,54 cm "beliebiges Muster ist möglich |
| Speicherdauer | OO | OO |
309825/108/.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Darin bedeutet Fig. la ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Feld und der Gitterdeformation
bei unregelmäßigen Ferroelektrika zeigt, Fig. Ib ist ein
Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung und der spontanen Polarisation der unregelmäpigen Ferroelektrika
zeigt und Fig. Ic zeigt bei den gleichen Substanzen den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Feld oder der
mechanischen Spannung und der Doppelbrechung.
Fig. 2 ist die Darstellung der Anordnung einer Vorrichtung zum Messen des· Polarisationszustarids einer regelmäßigen f erroelektrischen
Substanz und
Fig. 3 und 4 sind schematische Ansichten von Informationsauf ze ichnungs- und Reproduktionsvorrichtungen, die je eine
-Ausführungsform der Erfindung zeigen.
In diesen Figuren bedeuten die Bezug3ziffer
41: eine Lichtquelle, 42: eine Linse, 43: einen Polarisator, 44: ein regelmäßiges ferroelektrisches Einkristallsubstrat,
45: einen flüssigen Kristall, 46: ein Deckglas, 47: einen Analysator, 48: eine Linse,
5o: ein Speicherungsmedium, 51: eine Glasplatte, 52: eine transparente Elektrode,
53: Einrichtungen zur Informationsaufzeichnung mit
thermischer Abbildung,
54: eine Linse, 61: einen transparenten Photoleiter, 62: Einrichtungen zur Informationsaufzeichnung mit
optischer Abbildung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend erläutert. Fig. 2 zeigt die Ansicht der Anordnung einer Vorrichtung
zum Messen des Polarisationszustands einer regelmäßigen ferroelektrischen Substanz. Ein regelmäßiges ferroelektrisches
Einkristallsubstrat 44 hat eine durch Pfeile angezeigte Struktur der Bereiche. Der Raum zwischen dem
Substrat 44 und einem Deckglas 46 ist mit einem Film 45 gefüllt, der aus einem flüssigen Kristall besteht.
Es ist daher, wie in der Figur gezeigt wird, ein vollständiges Verbundelement vorgesehen. Das Element ist zwischen
zwei polarisierenden Platten 43 und 47 angeordnet. Die Ziff. 41 bezeichnet eine Lichtquelle, während die Ziff. 42
und 48 Linsen bezeichnen. Bei dieser Anordnung werden elektrische Felder, welche die Verteilung der Bereiche des Substrats
44 verursachen, an den Flüssigkristallfilm 45 angelegt.
Bei der Meßvorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau
wurden unter etwa 2oo Arten 2 Arten von regelmäßigen Ferroelektrika ausgewählt, nämlich TGS und Lithium-hydrogenselenit
(LiH,(SeO,^)· Als Flüssigkristalle wurde ein nemati- scher
flüssiger Kristall von Anisyliden-p-aminophenyl-acetat
(CH3O -/ \}-CH=N-/ \-02CCH3) mit negativer dielektrischer
Anisotropie und von Cholesteryl-oleat als flüssiger Kristall
auf Cholesterinbasis unter etwa 3.000 Arten ausgewählt.
Der Polarisationszustand der genannten ferroelektrischen Substanzen
konnte dann in Form der Differenzen der Doppelbrechungen der Flüssigkristallfilme beobachtet werden. So wurde
9peziell bei Verwendung des flüssigen Kristalls auf Cholesterinbasis
erkannt, daß die Bereichsstrukturen der Ferroelektrika in Form von Farbänderungen ausreichend leicht beobachtet
werden konnten. ,
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Die vorstehend beschriebene Messung wurde statisch durchgeführt; es konnte jedoch auch eine nachstehend "beschriebene
dynamische Erscheinung beobachtet werden.
Auf dem TGS-Einkristall, der in positiver Richtung geschaltet
war, wurde der nematische Flüssigkristall, aufgetragen» Der mit dem flüssigen Kristall beschichtete Einkristall wurde
zv/ischen Glasplatten festgehalten, wovon jede am Umfang mit einer transparenten Elektrode versehen war. Es wurde ein
elektrisches Feld in negativer Richtung (-12 Volt) angelegt. Danach wurde beobachtet, daß in TGS ein negativer
Bereich ausgebildet wurde und daß dieser längs der Ebene,
des Einkristallsubstrats wuchs, bis schließlich die gesamte Fläche innerhalb der Elektrodenmit dem negativen Bereich angefüllt
war. Obwohl die Bewegungsgeschwindigkeit einer Fläche des Bereiches sehr niedrig war (etwa 1 cm/min.)
konnte beobachtet werden, daß der flüssige Kristall ihr vollkommen folgte„
Nachstehend wird ein weiteres Beispiel für die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verbundelements beschrieben.
Da das erfindungsgemäße Verbundelement im wesentlichen die
gleiche Funktion und die gleiche Wirkung wie unregelmäßige Ferroelektrika zeigt, ist es möglich, es für eine Speichervorrichtung,
einen optischen Schalter, eine Farbmodulationsvorrichtung
und dgl. zu verwenden. Außerdem ist das erfindungogemäße
Verbundelement wirksam als speicherförmiges
Bildanzeigemediuin (memory type display medium)· und als
löschbares optisches Speichemiedium„
Beispiele für die Verwendung als'löschbares optisches Speichermedium
werden nachstehend beschrieben.
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Pig. 3 zeigt eine Vorrichtung, in der, wenn eine Information in Form einer thermischen Aufzeichnung gegeben wird, t das
Perroelektrikum erwärmt wird, um das Koerzitivfeld Ec zu
erniedrigen, so daß die Information aufgezeichnet werden kann. Der in der Fig. bei 5o gezeigte Teil entspricht dem
Speicherungsmedium, in welches das erfindungsgemäße Verbundelement einverleibt ist. Angrenzend an ein regelmäßiges
ferroelektrisches Einkristallsubstrat 44. ist ein Flüssigkristallfilm
45 ausgebildet. Pas Substrat mit dem darauf ausgebildeten Flüssigkristallfilm wird zwischen Glasplatten
eingeschlossen, wovon jede mit einer transparenten Elektrode 52 versehen ist. Das Speicherungsmedium iat daher so ausgebildet,
daß ein schwaches Aufzeichnungsfeld E . das niedriger ist als das Koerzitivfeld bei Raumtemperatur, an d,ie
Elektroden angelegt wird. Andererseits gibt die Ziff. 53 eine Einrichtung zum Aufzeichnen einer Information mit Hilfe
einer thermischen Aufzeichnung und 54 eine Kondensatorlinse dafür an. Die Teile 41,42,43,47 und 48 bilden ein optisches
System zum Ablesen einer Information und bestehen aus Lichtquelle 41, Linse 42, Polarisator 43, Analysator 47 und Linse
Das Substrat 44 wird nun in gleichgerichtete Bereiche übergeführt, in entgegengesetzter Richtung zu dem Aufzeichnungsfeld Ew, und eine thermische Abbildung wird durch die Informationsauf
Zeichnungsvorrichtung 53 auf das Substrat 44 übertragen. Dabei werden Bereiche in Teilen, in denen das Koerzitivfeld
Ec aufgrund der thermischen Abbildung niedriger wird als
das Aufzeichnungsfeld Ew,in die Richtung des Aufzeichnungüfelds
Ew umgekehrt. Auf diese Weise wird ein optisches Bild
erzeugt, das dem thermischen Bild entspricht.
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Wenn ein dünner Film eines transparenten Photoleiters, wie
Cadmiumsulfid (CdS) und Polyvinylcarbazol (PVCZ) zwischen dem Flüssigkristallfilm und der transparenten Elektrode eingelagert
wird, kann die Information unmittelbar in Form eines optischen Bilds aufgezeichnet werden. Eine mit dieser
Einrichtung zum Aufzeichnen des optischen Bilds versehene Vorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. In dieser Fig. bedeutet
Teil 6o ein Speichermedium, in welches das erfindungsgemäße Verbundelement eingebaut ist. Angrenzend an eine Seite des
regelmäßigen ferroelektrischen Einkristallsubstrats 44 wird der Flüssigkristallfilm 45 ausgebildet. Außerdem wird ein
Film eines durchsichtigen oder transparenten Photoleiters auf der anderen Seite des Substrats 44 ausgebildet. Diese
Anordnung wird zwischen Glasplatten 51 festgehalten, wovon jede mit der transparenten Elehtrcde 52 versehen ist. Ein
schwaches Feld E wird zwischen den Elektroden angelegt. Bei 62 werden Einrichtungen zum Aufzeichnen einer Information
mit Hilfe eines optischen Bilds gezeigt. Die Teile 42, 43,
47 und 48 sind die gleichen wie in Fig. 3« Dann wird das
Substrat 44 in gleichgerichtete Bereiche entgegengesezt zu der Richtung des Aufzeichnungsfelds E übergeführt und ein
optisches Bild wird mit Hilfe der Informationsaufzeichnungseinrichtung 62 auf das Substrat 44 projiziert. Dabei wird
der Photoleiterfilm 61 entsprechend dem optischen Bild
leitend gemacht. Das Aufzeichnungsf.eId Ε_, das dem optischen
Bild entspricht, wird direkt an das Substrat 44-angelegt.
Dadurch erfolgt, partielle Polarisationsumkehr, welche die
Aufzeichnung b.ewirkt. . -. . .
In den Vorrichtungen in Fig. > und 4, kann das -Löschen leicht
erfolgen, indem entweder an das Speichermedium ein intensives Feld mit entgegengesetzter Polarität zu der des Aufzeiehnungs-
3098 25/108
felds angelegt oder indem das Speichermedium auf eine Temperatur
oberhalb der Curie-Temperatur des Perroelektrikuns erhitzt wird.
Da mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen die Aufzeichnung
und das Auslöschen leicht durchgeführt werden kann, können neuartige Typen eines löschbaren optischen Speichermediums
zugänglich gemacht werden.
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Claims (4)
1. Joptisches Verbundelement, dadurch gekenn· ζ e'ich-
n e t , daß es ein regelmäßiges ferroelektrisches Einkristallsubstrat,
eine transparente Platte und einen zwischen dem Substrat und der Platte angeordneten Flüssigkristallfilm
aufweist, der aus mindestens einer flüssigkristallinen Substanz auf Cholesterinbasis und/oder nematischen
flüssigen Kristallen mit negativer dielektrischer « Anisotropie besteht.
2. Optisches Verbundelement, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein regelmäßiges ferroelektrisches Einkristallsubstrat, eine mit einer transparenten Elektrode
versehene transparente Platte, einen zwischen dem Sub-, strat und der Platte angeordneten Flüssigkristallfilm aufweist,
der aus mindestens einer flüssig-kristallinen Substanz auf Cholesterinbasis und/oder nematischen flüssigen
Kristallen mit negativer dielektrischer Anisotropie besteht, sov/ie angrenzend an die Seite des regelmäßigen ferroelektrischen
Substrats, die entfernt von dem Flüssigkristallfilm ist, einen transparenten Halbleiterfilm und eine an diesen
angrenzende, mit einer transparenten Elektrode versehene transparente Platte aufweist.
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3. Optisches Verbundelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeich nee t , daß das regelmäßige ferroelektrisch^ Einkristallsubstrat aus Bäriumtitanat, Lithiumniobat,
Guanidin-alurniniumsulfat-hexahydrat, Triglycin-
sulfat oder Lithium-hydrogen-selenit besteht.
4. Optisches Verbundelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß es auf beiden Seiten je
eine transparente Platte aufweist, die mit den Seiten des
Elements verbunden ist, wobei in jeder transparenten Platte eine transparente Elektrode angeordnet ist.
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Lee rs e ί te
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| JP10189871A JPS5327938B2 (de) | 1971-12-17 | 1971-12-17 |
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