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Farbmodulator Die Erfindung betrifft Farbmodulatoren, insbesondere
solche Farbmodulatoren, welche von dem Faraday-Effekt eines transparenten Ferromagneten
Gebrach machen.
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Aus der US-PS 3 281 363 ist ein Ferrimagnet bekannt, dessen Faraday-Drehung
groß, dessen optische Absorption klein und dessen Wellenlängenabhängigkeit des Faraday-Effektes
auBerordentlich groß ist.
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Als Faraday-Effekt bezeichnet man die Erscheinung, daß die Polarisationsebene
von linear polarisiertem Licht beim Durchgang durch eine magnetische Substanz in
Richtung der Magnetisierung gedreht wird.
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Es ist bereits ein Farbmodulator bekannt, welcher von dem elektro-optischen
Effekt Gebrauch macht, der eintritt, wenn in einer Substanz, z.B. in einem Dielektrikum
oder einem flüssigen Kristall ein elektrisches Feld erzeugt wird. J?ür Substanzen,
welche den elektro-optischen Effekt zeigen, (im folgenden elektro-optische Substanzen
genannt), sind jedoch spezielle Elektroden erforderlich, da das elektrische Beld
in Durchgangsrichtung des Lichtes angelegt werden muß. Andererseits kann durch Erzeugung
eines magnetischen Feldes in einer transparenten, ferromagnetischen Substanz die
Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, welches sich in Richtung des
magnetischen Feldes ausbreitet, gedreht werden. Es ist auch bereits ein optischer
Schalter bekannt, welcher auf diesem Phänomen aufgebaut ist. Alle bisher bekannten
magneto-optischen Materialien, auch diejenigen mit einer großen spezifischen Drehung,
weisen jedochrur eine geringe Dispersion der spezifischen Drehung oder eine geringe
Faraday-Drehung auf. Deshalb gab es bisher noch keinen Farbmodulator, welcher die
Färbung des durchgehenden Lichtes moduliert.
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Der Drehwiiikel es der linearen Polarisationsebene, der -auf dem Faraday-Effekt
beruht und Faraday-Drehung genannt wird, kann durch die folgende Gleichung dargestellt
werden:
In dieser Gleichung bezeichnen M5 die Sättigungsmagnetisierung einer magnetischen
Substanz, M (H) die Magnetisierung der magnetischen Substanz bei dem äußeren magnetischen
Feld von der Stärke H, t eine optische Weglänge innerhalb der magnetischen Substanz
und F (X) die Faraday-Drehung, welche bei der Transmission durch eine Einheitslänge
(cm) der magnetischen Substanz eintritt, die spezifische Rotation genannt wird und
von der Wellenlänge des Lichtes abhängt.
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Die beigefügten Figuren zeigen: Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch
einen Farbmodulator, Fig. 2 ein Hennliniendiagramm, welches in Abhängigkeit der
spezifischen Drehung von der Wellenlänge für serschiedene Materialien, und damit
den Faraday-Effekt der verschiedenen Materialien zeigt, und Fig. 3 einen vertikalen
Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Farbmodulator.
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In Fig. 1 sind ein Polarisator 2 und ein Analysator 5 dargestellt,
deren Hauptebenen parallel zueinander angeordnet sind und deren Polarisationsebenen
einen Winkel 80 definieren. Auf den Polarisator trifft weißes Licht mit der Intensität
Ioe Die Intensität I Q) des Lichtes, welches nach dem Durchgang durch den Polarisator
2 und eine magnetische Substanz 3 aus-dem Analysator 5 austritt, wird durch die
folgende Gleichung beschrie--ben:
In dieser Gleichung bezeichnet0( den Absorptionskoeffizienten der magnetischen Substanz
3, welcher von der Wellenlänge des Lichtes abhängt.
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Wenn in dieser Vorrichtung der magnetischen Substanz 3 ein magnetisches
Feld in Richtung des Lichtdurchganges aufgeprägt wird, wird die Polarisationsebene
des durchgehenden, linear polarisierten Lichtes gedreht. Dabei hängt der Drehwinkel
von der Wellenlänge des Lichtes ab. Wie man aus der Gleichung (1) sieht, kann der
Drehwinkel O in Übereinstimmung mit der M-H-Hysteresis durch das äußere magnetische
Feld H zwischen
F CÄ) . t und -F (3) . t verändert werden. Es ist
deshalb möglich, daß die Intensität eines Teils des durchgehenden Lichtes mit einer
bestimmten Wellenlänge sehr stark eingestellt wird, während die Intensität des übrigen
durchgehenden Lichtes mit anderen Wellenlängen sehr schwach eingestellt wird.
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Die Färbung des durch den Apparat hindurchgetretenen Lichtes unterscheidet
sich von derjenigen des einfallenden Lichtes.
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Die bekannten magneto-optischen Materialien weisen jedoch durchweg
Nachteile auf. So weist MnBi den Nachteil auf, daß es die spezifische Drehung (Grad/cm)
im sichtbaren Wellenlängenbereich kaum ändert, wie man aus der Kurve 6 der Fig.
2 sieht. EuO (vgl. Kurve 7) zeigt zwar eine Wellenlängenabhängigkeit der spezifischen
Drehung, weist aber den Nachteil eines großen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren
Bereich auf, und außerdem gilt die gezeigte Kennlinie lediglich für niedrige Temperaturen
(10°K). YIG (3Fe5O12) zeigt eine spezifische Drehung mit starker Wellenlängenabhängigkeit
bei Raumtemperatur (3000K), wie man aus Fig. 8 sieht, diese Werte sind aber nicht
groß. Deshalb kann dieses Material, wenn es in der bekannten Vorrichtung verwendet
wird, keine befriedigende Farbmodulation erzeugen, und es ist schwierig, die Farbmodulation
in gewünschter Weise zu steuern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Farbmodulator zu schaffen, der
eine starke Modulation erzeugt, die einfach und beliebig gesteuert werden kann.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch einen Polarisator
und einen Analysator, deren Hauptebenen parallel zueinander angeordnet sind, durch
einen Bi-substituierten Seltene Erden-Eisen-Cfranat zwischen Polarisator und Analysator
mit der Formel R3-x Bix Fe5-y Ay O12
mit 0,2 < x # 2,0 und 0
# y<5,0 , wobei R wenigstens ein Element der aus Yttrium und Seltenen Erden bestehenden
Gruppe darstellt, während A wenigstens ein Element darstellt, das Eisen substituieren
kann, und durch eine dem Seltene Erden-Eisen-Granat zugeordnete Einrichtung zur
Erzeugung eines magnetischen Feldes variable Intensität in Richtung des durch den
Granat dringenden Lichtes.- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein doppeltbrechender
Kristall zwischen dem Bi-substituierten Seltene Erden-Eisen-Granat und dem Analysator
volgesehen.
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Nach der Erfindung kann z.B. Gd1,5 3i1,5 Be5 012 und Y2 3i1Fe5O12
verwendet werden, deren spezifische Drehung durch die Kurve 9 bzw. durch die Kurve
10 der Fig. 2 dargestellt ist. Diese Materialien weisen eine starke Abhängigkeit
des Faraday-Effektes von der Wellenlänge des Lichtes im sichtbaren Bereich auf,
und dieser Bi-substituierte Seltene Erden-Eisen-Granat weist insbesondere für Lichtwellenlängen
nahe bei 5600 i eine hohe Wertzahl auf. Die Erfindung schafft einen Farbmodulator
durch-Verwendung von Bi-substituierten Seltene.Erden-Eisen-Granaten anstelle des
Ferromagneten der bekannten Vorrichtung. Die genannte Wertzahl des Faraday-Effektes
bezeichnet die Faraday-Drehung welche durch die Dicke des ferromagnetischen Materials
hervorgerufen wird, wodurch die Intensität des einfallenden Lichtes aufgrund der
Absorption durch das ferromagnetische Material um 1 db verringert wird; diese Wertzahl
wird im allgemeinen durch GradjDezibel ausgedrückt.
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Es werden jetzt Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben: Ausfuhrunsbeispiel
I In der Vorrichtung der Fig. 1, bei welcher ein Polarisator 2 und ein Analysator
5 so ausgerichtet sind, daß ihre Polarisationsebenen um 150 gegeneinander geneigt
sind, ist eine
Platte aus Gd1,5 Bs1,'5 Fe5012, deren vordere und
hintere Haupt ebenen auf eine Dicke von ungefähr 7/um zwischen diesen Ebenen geschliffen
ist, in der Position angeordnet, die vorher von dem magnetischen Material 3 eingenommen
wurde. Die Hauptebenen sind somit parallel zu denjenigen des Polarisators und des
Analysators angeordnet. Durch Erregung eines Elektromagneten wird dann ein elektromagnetisches
Feld mit einer Stärke im Bereich zwischen 800 bis -800 Oersted und in einer Richtung
senkrecht zur unteren Oberfläche der Gd1,5 Bi1,5 Fe5012-Platte erzeugt. In Abhängigkeit
von der Stärke und Polarität dieses aufgeprägten magnetischen Feldes kann die Färbung
des einfallenden weißen Lichtes von grün nach rot, dann nach orange und schließlich
nach gelb, oder in umgekehrter Reihenfolge verändert werden. Die Neigung der Polarisationsebenen
des Polarisators 2 und des Analysators 5 ist nicht auf 15° beschränkt, sondern kann
vielmehr beliebig eingestellt werden, der Wechsel der Färbung war jedoch für das
beschriebeize Ausführungsbeispiel bei einer Neigung von 150 am stärksten.
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In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform-kann man dieselbe Veränderung
des hindurchtretenden Lichtes erzeugen, wenn man einen doppeltbrechenden Kristall
(eine Glimmerplatte) 11 zwischen dem Analysator-und dem Ferromagneten, welcher den
Faraday-Effekt zeigt, anordnet, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Während eine dünne
Platte, welche die primäre Interferenzfarbe zeigt, verwendet wurde, ergibt eine
dünne Platte, welche die gelbe Interferenzfarbe zeigt, bei weitem die augenfälligsten
Ergebnisse. Der Winkel zwischen der Polarisationsebene des Polarisators und derjenigen
des Analysators kann beliebig ausgewählt werden; falls ein rechter Winkel ausgewählt
wird und von der doppeltbrechenden Platte eine Phasendifferenz ß erzeugt wird, wird
rd die Intensität des Lichtes zu
Dabei ist Bder Winkel zwischen der Hauptachse des Polarisators
und derjenigen der doppeltbrechenden Platte. Die Färbung des durch den Apparat gedrungenen
Lichtes ändert sich unter dem Einfluß des äußeren magnetischen Feldes, wie bei dem
in Fig. 1 gezeigten System. Da der Faraday-Effekt proportional zu der Komponenten
der Magnetisierungskraft des ferromagnetischen Materials in Ausbreitungsrichtung
des durchtretenden Lichtes ist, kann man dieselbe Erscheinung beobachten, wenn die
Richtung von Ms relativ zu der Ausbreitungsrichtung des durchtretenden Lichtes geändert
wird.
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Ausführungsbeispiel II Eine Platte aus Gd'2,03i1,0Fe4,0Ga1,0012, deren
Vorder- und Rückflächen auf einen Abstand von ungefähr 10 /um voneinander geschliffen
sind, wird in der Position 3 der Vorrichtung der Fig. 1 angeordnet, wo vorher das
magnetische Material 3 angeordnet war. Die Vorder- und die Rückseite der Platte
sind dabei parallel zu den Haupt ebenen des Polarisators und des Analysators angeordnet,
welche so ausgerichtet sind, däß ihre Polarisationsebenen um ungefähr 100 gegeneinander
verdreht sind. Wenn die Intensität des aufgeprägten magnetischen Feldes in Richtung
senkrecht zu der Oberfläche der Platte zwischen 600 und -600 Oersted verändert wird,
ändert sich die Färbung des eintretenden weißen Lichtes beim Durchgang durch die
Platte von grün nach rot, dann nach orange und schließlich nach gelb hin.
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Die Neigung zwischen den Polarisationsebenen des Polarisators und
des Analysators ist nicht auf 150 beschränkt, sie kann vielmehr beliebig ausgewählt
werden; bei diesem Ausführungsbeispiel war jedoch die Lichtfärbung bei einer Neigung
der Polarisationsebenen von 100 gegeneinander am augenfälligsten.
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In den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Gd1,5Bi1,5Fe5012
bzw. Gd2,0Bi1 ,0Fe4,0Ga1 0012 als ferromagnetische Materialien verwendet; es können
jedoch beliebige andere Bi-substituierte Seltene Erden-Eisen-Granate verwendet werden,
und je höher der Grad der Bi-Substitution ist, desto auffälliger ist der Wechsel
der Färbung des durchtretenden Lichtes. Wenn R Gadolinium ist, ist die magnetische
Sättigung der Probe nidrig,und infolgedessen wird das Entmagnetisierungsfeld reduziert,
so daß der Modulatorbetrieb bei einer niedrigeren magnetischen Feldstärke möglich
ist, wenn jedoch R Yttrium oder Ytterbium ist, ist eine magnetische Feldstärke von
2000 bis 2500 Oersted notwendig. Die Intensität des magnetischen Feldes könnte jedoch,
ohne nachteilige Wirkung auf den Betrieb des Modulators, herabgesetzt werden, wenn
ein Teil des Eisens (Fe) durch ein nicht magnetisches Ion wie Gallium (Ga) oder
Indium (In) ersetzt würde.
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Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kann der erfindungsgemäBe
Farbmodulator unter dem Einfluß eines äußeren magnetischen Feldes arbeiten. Es wird
ein transparenter Ferromagnet verwendet, welcher gleichzeitig einen großen wert
und eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweist, nämlich ein Bi-substituierter
Seltene Erden-Eisen-Granat. Ein Bi-substituierter Seltene Erden-Eisen-Granat mit
einem höheren Grad an Bi-Substitutiqn kann offenbar als der oben genannte, transparente
Perromagnet unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes kleinerer Intensität betrieben
werden.