DE2304870A1 - OPTICAL ARRANGEMENT FOR BEAM COMPARISON - Google Patents
OPTICAL ARRANGEMENT FOR BEAM COMPARISONInfo
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- G02F1/0311—Structural association of optical elements, e.g. lenses, polarizers, phase plates, with the crystal
Description
•31. Januar 1973• 31. January 1973
HASLBR AG , Bern (Schweiz) HASLBR AG , Bern (Switzerland)
Optische Anordnung zum StrahlvergleichOptical arrangement for beam comparison
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum StrahlververgMch, welche eine Lichtquelle, ein strahlteilendes Doppelprisma, einen Einflussabschnitt, ein strahlvereinigendes Dopp*elprisma und einen Strahlungsempfänger enthält, wobei die beiden Prismen jedes Doppelprismas sich auf einer halblichtdurchlässigen Grenzfläche berühren und wobei alle Prismenflächen, durch die Licht eintritt oder austritt, den gleichen spitzen Winkel (<* ) mit der Grenzfläche bilden.The invention relates to an optical arrangement for beam comparison, which is a light source, a beam-splitting double prism, an influence section, a beam-combining double prism and a radiation receiver, wherein the two prisms of each double prism are transmissive on a semi-transparent basis Touch the boundary surface and with all prism surfaces through which light enters or exits, the same acute angle (<*) with the Form interface.
Ein bekannter Strahlteiler besteht aus einem Doppelprisma, das aus zwei Dreikantprismen besteht, die zusammen einen quadratischen Querschnitt bilden, wobei die in einer Diagonale des Quadrats liegenden Trennfläche der beiden Prismen für das Licht halbdurchlässig ist. Bei dieser bekannten Anordnung treten die Strahlen senkrecht zu den Prismenflächen in den Strahlteiler ein und aus; die beiden Strahlen verlassen den Strahlteiler in verschiedenen Richtungen, die miteinander einen rechten Winkel bilden. In jedem der beiden Strahlen 1st somit ein Spiegel erforderlich, um die beiden Strahlen auf das strahlvereinigende Prisma zu führen.A well-known beam splitter consists of a double prism, which consists of two triangular prisms that together form a square one Form a cross-section, the dividing surface of the two prisms lying in a diagonal of the square being semi-transparent to the light is. In this known arrangement, the rays enter and exit the beam splitter perpendicular to the prism surfaces; the two beams leave the beam splitter in different directions which form a right angle with one another. In each of the two beams, a mirror is therefore required in order to guide the two beams onto the beam-combining prism.
Derartige Anordnungen werden beispielsweise für die Lichtmodulation zur Uebertragung von Nachrichten auf optischem Wege verwendet. Das von einer Lichtquelle herrührende Licht wird in einem Strahlenteiler in zwei Strahlen aufgespalten, von denen mindestens einer durch ein elektrooptisches Material geführt wird, d.h. durch ein Material, dessen optische Eigenschaften durch das Anlegen einesSuch arrangements are used, for example, for light modulation used to transmit messages by optical means. The light emanating from a light source becomes in one Beam splitter split into two beams, at least one of which is passed through an electro-optic material, i.e. through a material whose optical properties can be achieved by applying a
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elektrischen Feldes verändert werden. Nach dem Durchlaufen des Lichtmodulators werden die beiden Strahlen in einem Strahlenvereiniger wieder zusammengeführt und interferieren miteinander.electric field can be changed. After going through the Light modulator, the two beams are brought together again in a beam combiner and interfere with each other.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Interferenz-Anordnung mit einem wesentlich vereinfachten Strahlengang anzugeben, bei welchem die beiden Strahlen zwischen den beiden Prismen in beliebig kleinem und veränderbarem gegenseitigem Abstand verlaufen.It is an object of the invention to specify an interference arrangement with a significantly simplified beam path in which the two rays run between the two prisms at any small and variable mutual distance.
Bei der erfindungsgemässen optischen Anordnung liegen die Grenzflächen beider Doppelprismen in einer Ebene 5 der von der Lichtquelle auf das strahlteil^nde Doppelprisma auffallende Strahl und damit auch die beiden Strahlen der Vergleichsstrecke und die aus dem Strahlvereiniger auftretenden Strahlen verlaufen parallel zu den Grenzflächen der beiden Doppelprismen.In the optical arrangement according to the invention, the Boundaries of both double prisms in a plane 5 that of the light source on the beam splitting double prism incident beam and thus also the two beams of the comparison path and the beams emerging from the beam combiner run parallel to the interfaces of the two double prisms.
Im folgenden werden anhand der Figuren einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigen;In the following, some embodiments of the invention are explained by way of example with reference to the figures. Show it;
Fig. 1 eine optische Anordnung zum Strahlvergleich mit zwei Doppelprismen,Fig. 1 shows an optical arrangement for beam comparison with two double prisms,
Fig. 2 eine Anordnung zum Strahlvergleich mit einem Doppelprisma und einem Spiegel,2 shows an arrangement for beam comparison with a double prism and a mirror,
Fig. 3 eine Anordnung zur Strahlmodulation, Fig. 4 idem für sehr hohe Modulationsfrequenzen.FIG. 3 shows an arrangement for beam modulation, FIG. 4 shows an arrangement for very high modulation frequencies.
Fig. 1 zeigt eine Interferenz-Anordnung. Darin bezeichnet 1 den einfallenden Strahl, der etwa von einem Laser 23 kommen kann und auf den Strahlteiler 2 fällt. Dieser besteht aus zwei Prismen 3 und 4, die sich an der halbdurchlässigen Grenzfläche 5 berühren. Die seitlichen Flächen der Prismen, durch die Strahlen ein- oder austreten, bilden mit der halbdurchiKssigen Fläche 5 den gleichen WinkelFig. 1 shows an interference arrangement. 1 the incident beam, which can come from a laser 23 and falls on the beam splitter 2. This consists of two prisms 3 and 4, which touch at the semipermeable interface 5. The lateral surfaces of the prisms through which the rays enter or emerge, form the same with the semi-transparent surface 5 angle
Wenn der Strahl 1 parallel zur Grenzfläche 5 verläuft, werden auch die austretenden Strahlen 6 und 7 nach BrechungTUer Eintrittsfläche, nach Reflexion an der Grenzfläche 5 bzw. nach dem Durchgang durch diese und nach Brechung an den Austrittsflächen parallel zu der Grenzfläche verlaufen. Der Abstand der Strahlen 6 und 7 von der Ebene der Grenzfläche 5 sind gleich und werden durch den Abstand des einfallenden Strahles 1 von der Ebene der Grenzfläche 5 bestimmt, da die Abstandssumme der Strahlen 1 und 6 von der Grenzfläche konstant ist.If the beam 1 runs parallel to the interface 5, the exiting rays 6 and 7 will also run parallel to the interface after refraction at the entrance surface, after reflection at the interface 5 or after passing through it and after refraction at the exit surfaces. The distance of the rays 6 and 7 from the plane of the interface 5 are the same and are determined by the distance of the incident ray 1 from the plane of the interface 5, since the sum of the distances between the rays 1 and 6 from the interface is constant.
Damit lässt sich der Abstand der beiden Strahlen 6 und 7 auf einfachste Weise durch Verlagern des Strahles 1 relativ zur Ebene der Grenzfläche 5 verändern. Dieser Strahlabstand kann beliebigThe distance between the two beams 6 and 7 can thus be changed in the simplest manner by moving the beam 1 relative to the plane of the interface 5 . This beam spacing can be arbitrary
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klein gemacht werden.be made small.
Die Strahlen 6 und 7 treten in einem Einflussabschnitt 8 ein, in welchen sie verschieden beeinflusst werden können, z.B. derart, dass am Ausgang dieses Abschnittes eine Phasenverschiebung zwischen beiden Strahlen auftritt.The rays 6 and 7 enter an influence section 8, in which they can be influenced in different ways, e.g. in such a way that that at the output of this section a phase shift between occurs in both rays.
Im Strahlvereiniger 9, welcher gleich gebaut ist wie der Strahlteiler 2, interferieren die beiden Strahlen miteinander. Die Strahlen 10 und 11 treten aus dem Strahlvereiniger aus, wobei im allgemeinen nur einer der Strahlen benutzt und der andere ausgeblendet wird. 24 bezeichnet den Strahldetektor.In the beam combiner 9, which is built the same as the Beam splitter 2, the two beams interfere with one another. The beams 10 and 11 emerge from the beam combiner, with im generally only one of the beams is used and the other is blanked out. 24 denotes the beam detector.
Der Querabschnitt der Prismen 3 und 4 kann statt der in Fig.l gezeichneten trapezförmigen Form auch die Form eines gleichschenkligen Dreiecks haben, da die zur Trennfläche 5 parallelen äusseren Flächen optisch unwirksam sind.The transverse section of the prisms 3 and 4 can instead of the one shown in Fig.l drawn trapezoidal shape also have the shape of an isosceles triangle, since the outer surfaces parallel to the separating surface 5 Surfaces are visually ineffective.
Wählt man den Winkel ot derart, dass sein Komplementarwinkelβ gleich dem Brewster-Winkel ist, so wird die eine Polarisationskomponente des eintretenden Strahles ohne Reflexion durch die Grenzflächen hindurchtreten, während die dazu senkrechte Polarisationskomponente stark reflektiert wird. Dieser Vorgang tritt an allen vier Grenzflächen der Strahlteiler bzw. -vereiniger auf, so dass in diesem Falle die Anordnung als Polarisator wirkt.If the angle ot is chosen such that its complementary angle β is equal to the Brewster angle, one polarization component of the incoming beam will pass through the boundary surfaces without reflection, while the polarization component perpendicular to it is strongly reflected. This process occurs at all four interfaces of the beam splitters or combiners, so that in this case the arrangement acts as a polarizer.
Die Anordnung nach Fig. 1 kann mit Vorteil in allen den Fällen Verwendung finden, in denen Strahlvergleiche durchgeführt werden und νιο ein verhältnlsmässig geringer Abstand der beiden Strahlen vorteilhaft ist. Als Beispiel sei die Prüfung einer planparallelen durchsichtigen Platte auf Inhomogenitäten genannt. Die Platte wird hierbei entsprechend Fig. 1 in den Einflussabschnitt 8 senkrecht zur Strahlrichtung eingebracht. Die Strahlen 6 und 7 erleiden wegen der Inhomogenitäten unterschiedliche Phasenverschiebungen und Abschwächungen, die sich in den Strahlen 10 und 11 bemerkbar machen. Diese interferieren bei der Vereinigung im Prisma 9, wodurch sich die Phasendifferenz in eine Amplitudenmodulation umwandelt.The arrangement according to FIG. 1 can advantageously be used in all cases in which beam comparisons are carried out and νιο a relatively small distance between the two beams is advantageous is. An example is the inspection of a plane-parallel transparent plate for inhomogeneities. The plate will in this case, according to FIG. 1, introduced into the influence section 8 perpendicular to the beam direction. Rays 6 and 7 suffer because of different phase shifts and weakenings of the inhomogeneities, which are noticeable in rays 10 and 11. These interfere with the union in the prism 9, whereby converts the phase difference into an amplitude modulation.
Fig. 2 zeigt eine weitere Anordnung unter Verwendung des gleichen Strahltellers. In dieser ist 12 der einfallende Strahl, der durch eine spiegelnde Flüche 13 so umgelenkt wird, dass er parallel zur TrennflUche des Strahlteilers 2 auf diesen auffällt. Er durchsetzt diesen wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, tritt in den P^influssabschnitt 8,ein und fällt nach dem Austreten aus diesem auf den Spiegel 14, wird reflektiert und durchläuft den Einflussabschnitt 8 und das Doppelprisma 2 noch einmal. Aus dem Prisma 2Fig. 2 shows a further arrangement using the same jet plate. In this 12 is the incident ray, the is deflected by a reflective surface 13 so that it is parallel to the separating surface of the beam splitter 2 falls on this. He prevails this, as described in connection with FIG. 1, enters the P ^ influx section 8, and falls on the exit from this the mirror 14 is reflected and passes through the influence section 8 and the double prism 2 again. From the prism 2
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treten zwei Strahlen 1 und 15 aus, von denen der erste dem einfallenden Strahle 12 entgegenläuft, der zweite Strahl 15 an der Fläche 16 reflektiert wird, so dass er in gerader Fortsetzung des Strahles 12 aus der Anordnung austritt.two rays 1 and 15 emerge, the first of which is the incident Beam 12 runs in the opposite direction, the second beam 15 is reflected on the surface 16, so that it is in a straight continuation of the Beam 12 emerges from the arrangement.
Die Anordnung entsprechend Fig. 2 ähnelt damit der Anordnung von Fig. 1 mit der Aenderung, dass das einzige Prisma und der. Einflussabschnitt 8 zweimal vom Licht durchlaufen werden. Damit verdoppelt sich die Wirkung auf die Strahlen im Einflussabschnitt 8.The arrangement according to FIG. 2 is thus similar to the arrangement of FIG. 1 with the change that the single prism and the. Influence section 8 are traversed twice by light. This doubles the effect on the rays in the influence section 8.
Für eine Absorptions- oder Streumessung kann man in bekannter-Weise die Strahlen 6 und 7 oder 10 und 11 abwechselnd-z.B. durch eine Lochscheibe unterbrechen. Damit kommt am Detektor 24 abwechselnd der. Anteil von Strahl 6 und von Strahl 7 anj was eine Differenzmessung ermöglicht.An absorption or scatter measurement can be carried out in a known manner the beams 6 and 7 or 10 and 11 alternately - e.g. by interrupt a perforated disc. So that comes alternately at the detector 24. Share of ray 6 and ray 7 of what a differential measurement enables.
Fig. 3a und b zeigt eine Anordnung des Einflussabschnittes 8, bei welcher der geringe Abstand der Strahlen 6 und 7 besondere Vorteile bietet. Dabei zeigt Fig. 3b eine Ansicht in Richtung I der Fig. 3a.3a and b shows an arrangement of the influence section 8, in which the small distance between the beams 6 and 7 offers particular advantages. 3b shows a view in the direction I of the Fig. 3a.
Die beiden Strahlen 6 und 7 durchlaufen je einen elektrooptischen Modulator 18 bzw. 19. Als Modulatoren werden Stäbe aus elektrooptisch-aktivem Material verwendet. Die optischen Eigenschaften dieses Materials werden durch ein angelegtes transversales elektrisches Feld verändert, das durch die Kondensatorenplatten 20 und 21 bzw. 21 und 22 erzeugt werden kann. An diese Platten wird eine Modulationsspannung gelegt, derart, dass in den beiden Stäben entweder die jeweiligen Felder oder die optischen Achsen der beiden Stabmaterialien antiparallel zueinander stehen. Daraus resultiert eine Phasendifferenz der beiden Strahlen ara Ausgang des Modulators und damit eine Interferenz im Strahlenvereiniger 9 und beim Verandern der elektrischen Felder eine Lichtmodulation.The two beams 6 and 7 each pass through an electro-optical modulator 18 and 19, respectively. Rods are used as modulators electro-optically active material used. The optical properties of this material are applied by a transverse Electric field changed, which can be generated by the capacitor plates 20 and 21 or 21 and 22. At these plates is a modulation voltage is placed in such a way that in the two rods either the respective fields or the optical axes of the two Rod materials are antiparallel to each other. This results in a phase difference between the two beams ara output of the modulator and thus an interference in the beam combiner 9 and when changing light modulation of the electric fields.
Es ist von besonderem Vorteil bei der gezeichneten Anordnung, dass die beiden, Platten 18 und 19 aus optisch-aktivem Material sich unmittelbar nebeneinander und in gutem thermischen Kontakt miteinander befinden. Die Phasendrehung ist mimlich temperaturabhängig, was sich jedoch kompensiert, wenn beide Stäbe auf gleicher Temperatur gehalten werden. Dafür ist es vorteilhaft, wenn beide Stäbe sehr dünn sind und der Strahlabstand nur um ein wenig grosser als der Strahldurchmeseer ist.It is of particular advantage in the illustrated arrangement that the two plates 18 and 19 are made of optically active material right next to each other and in good thermal contact with each other are located. The phase shift is mostly temperature-dependent, but this is compensated if both bars are at the same temperature being held. For this it is advantageous if both rods are very thin and the beam spacing is only a little larger than is the diameter of the beam.
Für sehr hohe Modulationsfrequenzen, für die die Abmessungen nicht mehr klein gegen eine Wellenlänge der Modulationswelle sind, ist die in Fig. 4a und b skizzierte Anordnung vorteilhafter. DabeiFor very high modulation frequencies for which the dimensions are no longer small compared to a wavelength of the modulation wave, the arrangement sketched in FIGS. 4a and b is more advantageous. Included
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zeigt Fig. 4b eine Ansicht der Fig. 4a in Richtung II. Der elektrooptische Modulator im Einflussabschnitt 8 ist ähnlich demjenigen von Fig. 3, jedoch hat die Form der Elektroden eine besondere Gestaltung gefunden. 6, 7 sind die beiden übereinanderliegenden Lichtstrahlen, die zwei ebenfalls übereinanderliegende durchsichtige Stäbe 28 und 29 aus elektrooptisch-aktivem Material durchsetzen. 30, 31, 32 sind die drei übereinanderliegenden Elektroden, die den Elektroden 20f 21 und 22 der Fig. 3 entsprechen. Sie bilden ein "Triplate", d.h. eine symmetrische Hochfrequenzleitung mit ärei ebenen Leitern, der von der mit 35 bezeichneten Seite mit der Modulationsspannung gespeist wird und an dem in Richtung 36 liegenden Ende reflexionsfrei abgeschlossen ist. Wird der Winkel t zwischen der Richtung der den elektrooptisch-aktiven Körper durchlaufenden Modulationswelle innerhalb des Stabes, die wegen der unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften des Stabes und seiner Umgebung nicht mit der Richtung 35 - 36 übereinstimmen muss, und den Lichtstrahlen 6, 7 so gewählt, dass cos t =V\,/ Vr ist, worin Vw die Phasengeschwindigkeit der elektrischen und Vr die Gruppengeschwindigkeit der Lichtwelle ist, so wird die Modulationsverkleinerung und -verzerrung durch die verschiedenen Laufgeschwindigkeiten der elektrischen und der Lichtwelle in erster Näherung kompensiert, wodurch die Verzerrungen verkleinert und der Modulationsgrad der Lichtwelle verbessert wird.Fig. 4b shows a view of Fig. 4a in direction II. The electro-optical modulator in the influence section 8 is similar to that of Fig. 3, but the shape of the electrodes has found a special design. 6, 7 are the two light beams lying one above the other, which pass through two transparent rods 28 and 29, which are also lying one above the other, made of electro-optically active material. 30, 31, 32, the three superposed electrodes corresponding to the electrodes 20 f 21 and 22 of FIG. 3. They form a "triplate", ie a symmetrical high-frequency line with ärei flat conductors, which is fed with the modulation voltage from the side designated by 35 and is closed without reflection at the end in the direction 36. If the angle t between the direction of the modulation wave passing through the electro-optically active body inside the rod, which does not have to coincide with the direction 35-36 due to the different dielectric properties of the rod and its surroundings, and the light beams 6, 7 is chosen such that cos t = V \, / Vr, where Vw is the phase velocity of the electrical and Vr is the group velocity of the light wave, then the modulation reduction and distortion due to the different travel velocities of the electrical and light wave is compensated as a first approximation, whereby the distortion is reduced and the degree of modulation of the light wave is improved.
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