DE2329460A1

DE2329460A1 - Akustisch-optisches element

Info

Publication number: DE2329460A1
Application number: DE2329460A
Authority: DE
Inventors: Leonid Michajlowitsch Beljaew; Georgij Fedorow Dobroschanskij; Jurij Wladimirowit Pisarewskij; Geb Makarewitsch I Silwestrowa; Barta Tschestmir
Original assignee: INST KRISTALLOGRAFII AKADEMII
Current assignee: INST KRISTALLOGRAFII AKADEMII
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-06-08
Publication date: 1974-05-02
Also published as: DD106478A1; CS170007B1; FR2202306B1; GB1428442A; DE2329460B2; FR2202306A1; US3843234A

Description

Patentanwälte

DIpL-In g. R. B c G T Z
DIpJ-Inf. κ. U/r:p

n. a.: ^ , _{2 Pi}

n 22, Sf^dorfrtr. It 2329460

530-20.86HP- 8. 6. 1973

Institut Kristallografie Akademii Nauk SSSR

Moskau (UdSSR)

Akustisch-optisches Element

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Lichtstrahls und zur Verarbeitung von Information, genauer gesagt, ein akustisch-optisches Element, das hauptsächlich in Oeflektoren oder Ablenkeinrichtungen und Modulatoren von Licht, Verzögerungsleitungen und Korrelatoren verwendet wird.

Die bekannten akustisch-optischen Elemente stellen auf eine bestimmte Art und Weise herausgeschnittene Kristallblöcke dar, von denen zwei Kristallflächen für den Durchlaß der Lichtwelle poliert sind. Durch die anderen ein oder zwei Flächen des Elementes wird eine elastische

530-(P k9 732/2)-Hd-r (8)

409818/0733

Welle eingeführt, die für die Lichtwelle ein volumetrisches Phasenbeugungsgitter erzeugt. Bei Änderung der Frequenz der elastischen Welle ändert sich die Gitterkonetante, und die Änderung der Amplitude der elastischen Welle führt zu einer Änderung des Gitterkontrastes. Durch die Wechselwirkung mit dem Beugungsgitter, das durch die elastische Welle erzeugt ist, kann die Lichtwelle abgelenkt (gebeugt) und phasen-, frequenz- oder amplitudenmoduliert werden. Aus diesem Grunde werden die akustischoptischen Elemente in vielen verschiedenen Typen von Einrichtungen zur Ablenkung und Modulierung eines Lichtbündele sowie auch in Einrichtungen, in denen ein Lichtbündel zur Verarbeitung von Höchstfrequenz- oder Ultraschall-Signalen benutzt wird, verwendet.

Die Wirksamkeit des Betriebes eines akustisch-optischen Elementes ist von der Größe der optisch-akustischen Wechselwirkung sowie von dem Grad der Absorption der elastischen Welle durch den Kristall abhängig, aus welchem das Element ausgebildet ist.

Gegenwärtig verwendet man in den akustisch-optischen Einrichtungen mit sichtbarem Lichtwellenbereich als akustisch-optisches Element weitestgehend Lithiumniobat, Jodsäure und Paratellurit, Der Lithiumniobatkristall hat eine sehr gute Schalleitfähigkeit bis zu Frequenzen von einigen Gigahertz, jedoch einen geringen Koeffizienten der optisch-akustischen Wechselwirkung.

Der oC-Jodsäurekristall hat einen Koeffizienten der optisch-akustischen Wechselwirkung, der um das Zehnfache den entsprechenden Koeffizienten von Lithiumniobat über-

409818/0733

steigt; infolge der Absorption der elastischen Welle kann dieser Kristall nur bei Frequenzen betrieben werden, die unter dan Frequenzen liegen, bei denen das Lithiumniobat eingesetzt werden kann, und etwa 400 MHz betragen. Außerdem erfordert dieser Kristall die Durchführung von speziellen Maßnahmen zum Schutz seiner optischen Flächen, weil sie in Wasser löslich sind.

Der Paratelluritkristall hat einen Koeffizienten der optisch-akustischen Wechselwirkung, der um das 7fache den entsprechenden Koeffizienten des Lithiumniobatee für die elastische Longitudinalwelle und um das 132fache für die elastische Transversalwelle übersteigt. Infolge der Absorption der elastischen Welle kann dieser Kristall nur bei Frequenzen eingesetzt werden, die unter 200 MHz liegen. Das aus Paratellurit bestehende akustisch-optische Element, das eine wirksame optisch-akustische Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle und der langsamen elastischen Transversalwelle benutzt, verzerrt außerdem wesentlich den abgelenkten Lichtstrahl infolge einer starken elastischen Anisotropie.

Es ist auch ein akustisch-optisches Element bekannt, das in Form eines Kristallkörpers ausgebildet ist, der elastische Wellen und elektromagnetische Strahlung des sichtbaren und des infraroten Bereiches durchläßt und eine Beugung der Lichtwelle an der elastischen Welle gewährleistet (vgl. z. B. US-PS Nr. 3 617 931, Klasse 331/ 9^.5).

Das genannte akustisch-optische Element stellt einen Bleimolybdatkristall dar, der zur Zeit eine besonders breite Anwendung in den akustisch-optischen Einrichtungen

409818/0733

-U-

findet. Der genannte Kristall weist einen Koeffizienten der optisch-akustischen Wechselwirkung auf, der um das 5fache den entsprechenden Koeffizienten des Lithiumniobates Übersteigt. Die Absorption der elastischen Volle gestattet es, einen solchen Kristall in einem Frequenzbereich bis zu 500 MHz zu verwenden.

Den Hauptnachteil des akustisch-optischen Elementes aus Bleimolybdat besteht in ai:.er geringen Größe der optisch-akustischen Wechselwirkung, die die Verwendung von unwirtschaftlich großen Steuerkapazitäten erfordert. Außerdem weist das Bleimolybdat strukturelle Unzulänglichkeiten auf, weil es kompliziert ist, bei der Synthese des Einkristalls ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem Bleioxyd und dem Molybdänoxyd einzuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der genannten Nachteile eine Zusammensetzung des akustisch-optischen Elementes zu finden, die eine Erhöhung der optisch-akustischen Wechselwirkung gewährleistet und außerdem die Verarbeitung von Ultraschallsignalen größerer Dauer ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem akustisch-optischen Element in Form eines Kristallkörpers, der elastische Wellen und elektromagnetische Strahlung des sichtbaren und des infraroten Bereiches durchläßt und eine Beugung der Lichtwelle an der elastischen Welle gewährleistet, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kristallkörper durch Kristalle von einwertigen Quecksilberhalogeniden gebildet ist.

409818/0733

Das akustisch-optische Element kann zweckmäßigerweise eine Ausführungsform aufweisen, bei der die Kristalle von einwertigen Quecksilberhalogenide:* derart orientiert sind, daß sich die elastische Welle entlang der Richtung fiOOJ und/oder [O1O] und die Lichtwelle entlang der Richtung [OOiJ ausbreitet.

Nachstehend wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema einer Einrichtung zur Abtastung eines Lichtbündels, in der das erfindungsgemäße akustisch-optische Element verwendet wird;

Fig. 2 ein Prinzipschema einer Einrichtung zur Verdichtung eines Impulssignals, in der das erfindungsgemäße akustisch-optische Element verwendet wird; und

Fig. 3 eine Gesamtansicht einer Einrichtung zur Abtastung eines Lichtbündels in zwei Richtungen, in der das erfindungsgemäße akustisch-optische Element verwendet wird.

Das erfindungsgemäße akustisch-optische Element, das aus Kristallen von einwertigen Quecksilberhalogeniden ausgeführt ist, hat einen Wert der optisch-akustischen Wechselwirkung, der um das lOfache den entsprechenden Wert der bekannten Stoffe Bleimolybdat und Jodsäure und um das 8Ofache den entsprechenden Wert des Lithiumniobates übersteigt, sowie auch einen geringen Grad der Absorption von Schall mit Frequenzen bis zu 500 MHz.

409818/0733

Die Kristalle von einwertigen Queckailberhalogeniden sind Verbindungen vom Typ Hg₃F₂; Hg₂Cl₂; Hg₂Br₃; Hg₂Cl_xF₂^; Hg₂Cl_xBr₂^_x; Hg^J^; Hg^W^. Hg₂F J- mit O < χ < 2, die vorzugsweise in tetragonaler Syngonie kristallisieren.

Alle diese Verbindungen (mit Ausnahme von Hg₂F₂) sind in Wasser nicht löslich. Besonders ausführliche Angaben werden nachstehend Über Kalomelkristalle (Hg₂Cl₂) angeführt. Die übrigen Kristalle weisen sowohl hinsichtlich der kristallografischen Verwandtschaft wie auch hinsichtlich der gemessenen Parameter ähnliche Eigenschaften auf.

Die Kristalle von einwertigen Quecksilberhalogeniden sind in einem breiten Spektralbereich durchsichtig. (Für Kalomel beträgt z. B. das Gebiet der Lichtdurchlässigkeit 0,38 bis 3k /um, für Quecksilberbromid 0,^5 bis kO /um). Die Kristalle von einwertigen Quecksilberhalogeniden weisen eine hohe Doppelstrahlenbrechung auf (für Kaijmel z. B* betragen die Brechungszahlen: η = 1,9» und η » 2,6; für Quecksilberbromid η =2,1; η = 2,9),

O θ

Nachstehend wird der Begriff "Lichtbündel" verwendet; worunter die elektromagnetische Welle im Bereich des Gebietes der Lichtdurchlässigkeit des akustisch-optischen Elementes aus den genannten Quecksilberhalogeniden zu verstehen ist.

In dem erfindungsgemäßen akustisch-optischen Element aus einwertigen Quecksilberhalogeniden wird die Beugung des Lichtbündels an der elastischen Welle durch den fotoelastischen Effekt ausgenutzt.

409818/0733

Infolge der genannten Wechselwirkung wird ein Lichtbündel 1 (Fig. i)_t das ein akustisch-optisches Element 2 aus Kaionel (Hg-Cl₂) passiert hat, teilweise an einer elastischen Welle 3 abgelenkt, die im akustisch-optischen Clement durch einen Wandler k erzeugt wird. Als Wandler» der die elektrische Energie in die Energie der elastischen Welle umsetzt, verwendet man einen piezoelektrischen Wandler* Es ist jedoch die Verwendung von magnet oat r Ik ti ven und anderen Wandlern möglich.

Sine entscheidende Rolle spielt in der vorliegenden Vorrichtung, die auf der Grundlage des erfindungsgemäßen akustisch-optischen Elementes gebaut ist, wie auch in allen akustisch-optischen Einrichtungen ein abgelenktes Lichtbündel 5« Deshalb wird als einer der wichtigsten Parameter der akustisch-optischen Einrichtungen das Verhältnis zwischen der Intensität des abgelenkten Lichtbündels und der Intensität des einfallenden Lichtbündels angesehen, das von der Leistung der elastischen Welle (Steuerleistung) sowie von einem Koeffizienten M₂ der optischakustischen Wechselwirkung des Kristallmediums abhängig ist, das in dem akustisch-optischen Element verwendet wird.

Der Koeffizient M_ stellt folgenden Satz von Parametern des Kristalls dar:

^M2

lit: η * Brechungsindexj

P « Fotoelastizitätskonstante; V * Schallgeschwindigkeit im Kristall;

? » Kristalldichte.

409818/0733

Wesentlich ist nicht nur die Intensität des abgelenkten Lichtbündels, sondern auch die maximale Zahl der zulässigen Stellungen dieses Bündels. Unter Berücksichtigung dieses Umstandes wird die Wirksamkeit eines akustisch-optischen Elementes durch den Parameter M„:

7 2
η ⁰P

M„ =

3 " < . v²

bestimmt.

Die Werte n, P_f V sind von der Richtung und der Polarisation der elastischen Welle und des Lichtbündels und folglich von der Orientierung des akustisch-optischen Elementes abhängig.

Als ein besonders wirksamer kristallografischer Schnitt des akustisch-optischen Elementes wird ein solcher angesehen, bei dem sich die elastische Welle entlang der Richtung [100 J oder £oicf] und die Lichtwelle entlang der Richtung [.001.] ausbreitet. Wenn sich dabei entlang den genannten Richtungen die elastische Longitudinalwelle ausbreitet, übersteigt der Koeffizient M~ der optisch-akustischen Wechselwirkung im akustisch-optischen Element aus einwertigem Quecksilberchlorid um das 15fache den maximalen Wert dieses Koeffizienten in Bleimolybdat.

Nachstehend werden in einer Tabelle Werte der Koeffizienten M₂ und M~ für das akustisch-optische Element, das aus einwertigen Quecksilberhalogenide^ und zwar aus Kalomel besteht, sowie auch Koeffizienten der bekannten akustisch-optischen Elemente (die Koeffizienten aind in

409818/0733

relativen Einheiten im Vergleich zu Schmelzquarz für eine Wellenlänge des LichtbUndels von A= 0,6328 /um und für elastische Longitudinalwellen berechnet) angeführt.

Tabelle

Material	M₂	M₃	Bereich	der Lichtdurch-	- 2,8
		1	lässigkeit /um	- 1.5
Quarz	1	32	0,2	- 5.5
oC -HJO₃	55	21	0,35
PlMoO^	20		0,38	- 5.5
Bleimolybdat		76
Paratellurit	3^.5		*0,k*	- 3h
TeO₂		170
Hg₂Cl₂	360	0,38

Bei der Ausbreitung einer elastischen Transversalwelle in einem aus Kalomel bestehenden akustisch-optischen Element in der Richtung [010] unter Polarisation in der Richtung [lOO] bleibt die akustisch-optische Wirksamkeit ausreichend hoch (M₂ übersteigt um das 2fache den maximalen Wert von M₂ im Bleimolybdat). Besonders ist deren außerordentlich geringe Geschwindigkeit hervorzuheben. In Kalomel beträgt z« B, V r,_oo"] poml ⁼ 0,3^ · 10 cm/s. Dieser Wert liegt um eine Größenordnung unter der Geschwindigkeit der Ausbreitung der elaatisehen Welle in den meisten anderen Kristallen, ist um das Zweifache niedriger als in TeO₂, in dem die Geschwindigkeit der Ausbreitung 0,62 · 10-* cm/s beträgt, und gilt

409818/0733

2329A60

unter den bekannten Werten der Geschwindigkeit als einer der niedrigsten. In Quecksilberbromid ist diese Geschwindigkeit noch niedriger:

[100] foioj

= 0,26 · 10 cm/s.

Das Vorhandensein einer solchen niedrigen Geschwindigkeit der elastischen Welle gestattet es, akustischoptische Elemente aus einwertigen Quecksilberhalogeniden in passiven und fotoelastischen Verzögerungsleitungen sowie auch in Einrichtungen zur Verdichtung von Impulssignalen zu verwenden.

Eine derartige Einrichtung ist die in Fig. 2 wiedergegebene Macmahon-Einrichtung, die eine Lichtquelle (nicht gezeigt) enthält, die ein paralleles Lichtbtlndel 6 ausstrahlt, das durch eine Zylinderlinse 7 zerstreut wird. Die Einrichtung umfaßt auch ein akustisch-optisches Element 8 aus Kalomel, dessen Ein- und Austrittsflächen (in bezug auf das einfallende Lichtbündel 6 gesehen) poliert und derart geschnitten sind, daß sich die Lichtwelle entlang der Richtung foOiJ ausbreitete An einer der anderen Flächen des Elementes 8 ist ein piezoelektrischer Wandler 9 vorgesehen, mit dessen Hilfe in das Element 8 eine elastische Welle 10 (in Fig. 2 sind die Richtung der Ausbreitung und die Front der Welle wiedergegeben) eingestrahlt wird. Die Fläche, an der der Wandler 9 angebracht ist, ist derart geschnitten, daß sich die elastische Welle 10 entlang der Richtung [100] ausbreitet. Dabei kann der Wandler auch an einer anderen Fläche angeordnet werden, die derart geschnitten ist, daß sich die elastische Welle entlang der Richtung [ΟΙΟ] ausbreitet, ähnlich wie oben beschrieben ist.

409818/0733

Ein gebeugtes Lichtbündel 11 wird mittels eines Fotoempfängers 12 gesammelt.

Venn dem piezoelektrischen Wandler 9 ein elektrischer Impuls von einer Quelle (nicht gezeigt) mit einer linearen frequenzmodulierten Füllung zugeführt wird, wird das durch die Zylinderlinse 7 zu zerstreuende Lichtbündel 6 zu einem bestimmten Zeitpunkt (wenn der Impuls der elastischen Welle das ganze akustisch-optische Element in der Richtung der Ausbreitung dieser Welle ausgefüllt hat) an der elastischen Welle 10 gebeugt, und das Lichtbündel 11 wird durch den Fotoempfänger 12 gesammelt.

Auf diese Weise wird eine Verdichtung des Impulssignals verwirklicht, das in das Element 8 in Form der elastischen Welle 10 eingestrahlt ist. Der Koeffizient der Verdichtung ist in der vorliegenden Einrichtung gleich einem Produkt Af · T , mit Af = Arbeitsband der Frequenzen des akustisch-optischen Elementes, und Z= β Verzögerungszeit, die durch das akustisch-optische Element (l = Größe des Elementes in der Richtung der Ausbreitung der elastischen Welle) gewährleistet wird.

Die Verwendung des akustisch-optischen Elementes, das aus Kalomel hergestellt ist, gestattet es, Γ (bei der Verwendung der elastischen Transversalwelle) wesentlich zu vergrößern und die Intensität des gebeugten Lichtbündels (insbesondere bei der Verwendung der elastischen Longitudinalwelle) zu erhöhen. Einen ähnlichen Vorteil bringen akustisch-optische Elemente, die auf der Grundlage von einwertigen Quecksilberhalogeniden ausgeführt sind, bei deren Anwendung in Debeyl-Sirse-Mehrkanalmodulatoren zur Verarbeitung von Höchstfrequenz- oder akustischen Signalen von Phasengittern.

409818/0733

Bei der Änderung der Frequenz der elastischen Welle 3 (Fig. 1) ändert sich der Winkel zwischen dem einfallenden und dem abgelenkten Lichtbündel 1 bzw. 5 durch die Änderung der Konstanten des Phasenbeugungsgitters, das durch die elastische Welle 3 im akustisch-optischen Element 2 aus Kalomel hervorgerufen wird. Außerdem ändert sich auch die Frequenz des abgelenkten Lichtbündels 5· Wenn also dem piezoelektrischen Wandler k ein Signal mit einer sich periodisch oder diskret ändernden Frequenz zugeführt wird, findet eine Abtastung des Lichtbündele und dessen Frequenzmodulation statt. Mit anderen Worten, das aus Quecksilberhalogenide!! bestehende akustisch-optische Element kann in Deflektoren und Modulatoren von Licht, Korellatoren und Analysatoren des Spektrums dee zu untersuchenden Signals verwendet werden.

Wie oben dargelegt wurde, hat das akustisch-optische Element aus Quecksilberhalogenid zwei äquivalente Richtungen [10O^ und j 010J der Ausbreitung der elastischen Welle. Dieser Umstand kann zur Abtastung des Lichtbündels in zwei Richtungen mittels eines akustisch-optischen Elementes, beispielsweise in einem Zwei-Koordinaten-Deflektor, benutzt werden.

In einer solchen Einrichtung werden in ein akustischoptisches Element 13» das aus Kalomel besteht, zwei ela stische Wellen ~\k und 15 in zwei aufeinander senkrechten Richtungen [010J und [100] mittels piezoelektrischer Wand ler 16 und 17 eingestrahlt. Dabei fällt ein LichtbUndel 1 in der Richtung {[001] ein. Durch die Beugung entsteht ein abgelenktes Lichtbündel 18, dessen Lage sich in zwei Koordinanten durch eine Neuabstimmung der Frequenzen der elastischen Wellen Ik und 15 ändern kann.

409818/0733

Auf diese Veise haben die erfindungsgemäßen akustischoptischen Elemente eine hohe optisch-akustische Wirksamkeit (bei Kaiοmel M₂ = 36O, M = 17O im Vergleich zu M des Schmelzquarzes für λ= 0,6328 >um), ein breites Gebiet der Lichtdurchlässigkeit (bei Kalomel 0,37 bis 35 /um) sowie einen geringen Koeffizienten der Absorption der elastischen Wellen (bei Kalomel beträgt der Koeffizient

HR

der Absorption der elastischen Wellen λ <0,2 bei

/US

einer Frequenz von 200 MHz). '

Die erfindungsgemäßen akustisch-optischen Elemente besitzen eine sehr niedrige Geschwindigkeit der Ausbreitung der elastischen Welle (bei Kalomel beträgt sie 0,3^ * 10 cm/s), sie sind in Wasser nicht löslich (mit Ausnahme von Quecksilberfluorid) und haben gute Aussichten für ihre Anwendung in akustisch-optischen Einrichtungen zur Steuerung eine« optischen Strahls und zur Verarbeitung von Information.

409818/0733

Claims

Patentansprüche

Akustisch-optisches Element in Form eines Kristallkörpers, der elastische Wellen und elektromagnetische Strahlung des sichtbaren und des infraroten Bereiches durchläßt und eine Beugung der Lichtwelle an der elastischen Welle gewährleistet, dadurch gekennzeich net, daß der Kristallkörper durch Kristalle von einwertigen Quecksilberhalogeniden gebildet ist.
2. Akustisch-optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle von einwertigen Quecksilberhalogeniden derart orientiert sind, daß sich die elastische Welle entlang der Richtung [¹⁰⁰J und/oder [O1OJ und die Lichtwelle entlang der Richtung [°O1] ausbreitet.

409818/07 3 3