DE2429813A1 - Lichtmodulierende anordnung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

• Lichtmodulierende Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtmodulierende Anordnung, mit einem elektro-optischen Kristall mit einer im wesentlichen parallelen, lichtdurchlässigen Vorder- und Rückseite sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
• Eine derartige licntmodulierende-Anordnung kann in verschiedenen Systemen, wie Polarisations-Analysegeräten, Meßanordnungen zur Messung der Dicke und des Brechungsgrades von Filmen sovie elektrisch gesteuerten Lichtverschlüssen, benutzt werden.
• Wird ein elektrisches Feld veränderlicher Intensität an ein elel-tro-optisches Eristall, wie ein KDP-oder ADP-Kristall, hauptsächlich ein KH2PO3-Kristall oder ein NH4H2PO3-Kristall, angelegt, um damit den Brechungsgrad des Kristalls zu ändern, so wird das durch das Kristall hindurchgelangende Licht entsprechend der Intensität des elektrischen Feldes phasenmoduliert.
• Werden die Eigenschaften von elektro-optischen Kristallen naher betrachtet, so sind diese Kristalle gewöhnlich isotropisch, d.h., daß die Lichtgeschwiadigkeit und damit der Brechungsindex unabhängig von der Ausbreitungsrichtung des Lichtes in den Kristall ist. Wird das Kristall jedoch in einein elektrischen Feld angeordnet, so wird das Kristall anisotropisch, wodurch die LichtÕeschwindigkeit und damit der Brechungsindex sich mit der Ausbreitungsrichtung des Lichtes ändert. In einzelnen wird das Kristall biaxial, so daß die Werte des Brechungsindex, wenn dieser von einem einzigen Punkt in einer Ebene des Kristalls aus in unterschiedlichen Richtungen gemessen wird, eine Ellipse in dieser Ebene bildet, deren Hauptachse sich mit der Intensität und der Richtung des elektrischen Feldes ändert. Wird dagegen das elektrische Feld in Sbereinstimmung mit. der Richtung der Z-Achse des Kristalls angelegt, so liegt die Hauptachse der Ellipse unabhängig von der Polarität des elektrischen Feldes in einer festen Richtung. Die Phaseoes durch das Kristall hindurchgehenden Lichtes ändert sich nicht mit der Dicke des Kristalls sondern hängt lediglich von der angelegten Spannung ab.
• Lichtnodulierende Anordnungen nit Elektroden zum Anlegen des elektrischen Feldes an den elektro-optischen Kristall sind bekannt. Derartige Elektroden werden bisher durch Aufbringen, z.B. durch Aufdanpfen oder Aufstauben, eines Metalls hoher elektrischer Leitfähigkeit, gebildet, um ein Haschen- oder Gittermuster auf einem Schutzfilm herzustellen, der auf den lichtdurchlässigen Oberflächen des Kristalls vorgesehen ist.
• Das Metall wird jedoch mit einer Stärke aufgetragen, durch die das Gitter nicht undurcSlässig wird, so daß das auftreffende Licht nur durch die Öffnungen der Maschen oder des Gitters hindurchgelangen kann. Wird eine solche lichtmodulierende Anordnung mit derartigen Elektroden in einem optischen System benutzt, so entstehen durch Reflektion des Lichtes von der Oberfläche der Elektroden Geisterbilder. Außerdem erzeugen derartige Elektroden ein ungleichmäßiges elektrisches Feld in dem Kristall, wodurch der Brechungsindex in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes über das gesamte Kristall ungleichmäßig wird, wodurch die Genauigkeit der Modulation des Ttichtes begrenzt ist.
• Um diese Nachteile nu vermeiden, asurde vorgeschlagen, einen transparenten, leitenden Film aus Titanoxid oder Indiumoxid gleichmäßig auf den lichtdurchlässigen Oberflächen des Kristalls zu bilden. Um derartige Filme auf den Oberflächen durch Aufdampfen ozer Aufsprühen aufzubringen, muß jedoch das Kristall selbst auf eine Temperatur von etsa 150 C oder darüber erhitzt werden. Wird jedoch ein elettro-optisches Kristall, besonders ein KDP-Kristall, auf derartige Temperaturen erhitzt, so wird die Kristallstruktur in einem solchen Maße geändert, daß die elektro-optischen Eigenschaften zerstört werden. Es ist daher praktisch unmöglich, derartige Elektroden zu bilden.
• Es wurde auch bereits vorgeschlagen, ein elektro-optisches Kristall mit transparenten Elektroden zu schaffen, indem transparente, ebene Glieder mit transparenten, leitenden Filmen auf diesen aufgebracht werden und dann diese Glieder mit den lichtdurchlässigen Flächen des Kristalls mit Hilfe eines Klebstoffes, wie Balsåm, Epoxydharz od. dgl.,verbunden werden.
• Da es jedoch schwierig ist, die Oberflächen des Kristalls mit großer Genauigkeit zu polieren, bilden sich abstehende oder Hohlräume zwischen den rauhen Flächen des Kristalls und den ebenen Gliedern, wobei die Hohlräume in der Größenordnung von 1/100 am liegen. Ein Teil der zwischen den E]ektroden angelegten Spannung wird daher über diesen Hohlräumen abgebaut, wodurch sich ein verminderter Wirkungsgrad infolge der entstehenden Spannungsverminderung ergibt. Da außerdem die Phase des durch das Kristall modulierten Lichtes sich nicht linear mit der Elektrodenspannung in diesen Fall ändert, d.h. die Phasenänderungen sind nicht proportional den änderungen der Elektrodenspennung, kann das Licht bei niedrigen Elektrodenspannungen nicht genau genug phasenmoduliert werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue lichtmodulierende Anordnung der genannten Art zu schaffen, bei der keine Geisterbilder infolge der Reflektion von Licht durch die Elektrodenflächen, keine Ungleichmäßigkeit des BrechunOsindex des Kristalls und keine ungenügende Zufiü'qrung der Elektrodenspannung zu dem Kristall sowie keine Nichtlinearität bei der Phasenmodulation des Lichts auftreten.
• Bei einer lichtmodulierenden Anordnung der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im wesentlichen kontinuierliche, ebene Metallfolien hoher elektrischer Beitfähigkeit im wesentlichen die gesamte Vorder-und Rückseite überdecken, um die Elektroden der Anordnung zu bilden, wobei die Folien eine sie für das zu modulierende Licht halbdurchlässig machende Gesamtstärke haben.
• Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind also halbdurchlässige Folien als Elektroden vorgesehen, die im wesentlichen die gesamten lichtdurchlässigen Flächen des Kristalls überziehen.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können Schutzfilme zwischen die Kristallflächen und die kontinuierlichen Metall folien gelegt werden, sowie weitere Folien eines nichtreflektierenden Materials auf den Metallfolien aufgebracht werden, um die Reflektion zu vermindern.
• Ist das Kristall schmelz- bzw. verflüssigbar, d.h. hat das Kristall das Bestreben sich allmählich aufzulösen und durch Anziehen und Aufnahme von Luftfeuchtigkeit flüssig zu werden, so können die Schutzfilme ein das Kristall gegen die Umgebungsfeuchtigkeit schützendes Material enthalten. Die optische Dicke der Schutzfilme, wobei die optische Dicke gleich dem Brechungsindex deS den Film bildenden Piaterials multipliziert mit der mechanischen Dicke des Filmes ist, wird so klein gewählt, daß die nachteiligen Wirkungen, die durch Bohlräiiiiie zwischen den Kristall-Oberflächen und den Metall-Folien sich ergeben, vernachlässigbar gemacht werden. Im einzelnen liegt die optische Dicke der Filme vorzugsweise in dem Bereich zwischen der Hälfte bis zu einen mehrfachen der Wellenlänge des zu modulierenden Lichtes.
• Die Dicke der die Elektroden bildenden Metallfolien der Anordnung ist kleiner als die der Metallfolien, die die gitter-oder maschenartigen Elektroden der früheren Anordnungen bilden, so daß die SIétallfolien gegenüber.dem zu modulierenden Licht halbdurchlässig sind.
• Die Dicke der äußeren, nicht-reflektierenden Filme wird in Abhängigkeit der Art des die Filme bildenden Materials, der Dicke der Metallfolien und der Art des die Metallfolien bildenden Metalls gewählt. Die nicht-reflektierenden Filme können als eine Einzel- oder Mehrfachschicht ausgebildet werden.
• Alle Filme können durch herkömmliches Aufdampfen oder-Aufsprühen erzeugt werden, wobei die Temperatur des Kristalls auf einer Temperatur bleibt, die die elektro-optischen Eigenschaften des Kristalls nicht zerstört.
• Gemäß einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung der neuen Anordnung geschaffen, das sich dadurch auszeichnet, daß auf die im wesentlichen parallelen lichtdurchlässigen Vorder- und Rückseiten eines elektro-optischen Kristalls ein Metall hoher elektrischer Beitfähigkeit zur Bildung von im wesentlichen kontinuierlichen, ebenen Metallfolien mit einer solchen Gesamtstärke aufgebracht wird, daß diese für das zu modulierende Licht halbdurchlässig werden.
• Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In einzelnen zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch die neue lichtmodulierende Anordnung , und Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeiles auf die neue Anordnung.
• Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt~ist, hat ein dünnes, elektro-optisches Kristall, wie z.B. ein EDP- oder ein ADP-Kristall eine oktogonale Form, wie dieses in Fig. 2 gezeigt ist. Das Kristall hat polierte, parallele Vorder- und Rückseiten 1a und 1b, die lichtdurchlässig sind und rechtwinklig zur Z-Achse des Kristalls zum Schneiden der zu modulierenden Lichtstrahlen liegen. Filme oder Folien 2,2', 3,3w, 4,4', 5 und 5', die im einzelnen später beschrieben sind, sind nacheinander auf den Oberflächen in einen Hochvakuun durch herkömmliche Aufdampf- oder Auf spruhtechniken aufgebracht.
• Die Folien 2 und 2' sind.transparente Schutzfilme, die unmittelbar auf den Kristalloberflächen 1a und Ib aufgebracht sind.
• Ist das Kristall ein hochverflüssigbares Kristall, wie ein KDP-Kristall, so weisen diese Filme Materialien zum Isolieren der Kristallflächen gegenüber der Umgebungsfeuchtigkeit auf. So kann z.B. jeder Film eine Schicht aus Itagnesiumfluorid (EtS2) Aluminiumoxid (Al203) oder Siliciumoxid (SiO2) aufweisen, die mit einer Dicke aufgebracht sind, die eine optische Dicke zwischen einer halben und dem Mehrfachen einer halben Wellenlänge des zu modulierenden Lichtes beträgt.
• Die Filme 3 und 3' sind aus einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit gebildet und auf den Schutzfilmen 2 und 2 nahe ihren Umfangsrändern aufgebracht, um elektrische zweiter zu bilden. Diese Leiter können für ein oktogonales Kristall, wie dieses in Fig. 2 gezeigt ist, kreisförmig sein. Wie dieses später noch klar wird, befinden sich diese Zweiter in elektrischem Kontakt mit Metallfolien 4 und 4', die die Elektroden der Anordnung bilden, um Anschlußfahnen für Anschlußleitungen zu bilden. Die Zweiter können aus verschiedenen Metallen hoher elektrischer Beitfähigkeit gebildet werden, wie z.B. Gold, Silber, Kupfer, Aluminium od.dgl., die0 vorzugsweise mit einer Dicke in der Größenordnung von 300 A bis 1 yu aufgebracht werden. Die Filndicke ist jedoch nicht auf diesen Bereich beschränkt sondern kann jede gewünschte Dicke haben.
• Die Folien 4 und 4t weisen halbtransparente Metallfilme auf, die auf den Schutzfilmen 2 und 2' gebildet sind, um die Elektroden der Anordnung zu bilden. Die Elektroden werden durch Aufbringen von Metall hoher elektrischer Beitfähigkeit in Form einer kontinuierlichen Schicht auf den Schutzfilmen gebildet, un im wesentlichen die gesamte lichtdurchlästige Vorder- und Rückseite des Kristalls zu überdecken, wobei die Gesamtstärke der Elektroden derart ist, daß die Elektroden halbtransparent gegenüber dem zu modulierenden Licht sind. Die Umfangskanten der Elektroden überdecken teilweise ihre zugehörigen Leiter, um einen guten elektrischen Kontakt mit diesen zu bewirken. Das die Elektroden bildende Metall enthält Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Berillium, Titan, Rhodium, Indium oder z.B. Chrom.
• Die Filme 5 und 5' enthalten nicht-reflektierende Filme, die durch Aufbringen eines Materials niedriger Reflektion, wie Ceroxid (CeO2), Titanoxid (TiO2) oder Zirkonoxid (ZrO2) in einer oder mehreren Schichten auf den Metallfolien 4 und 4' jeweils gebildet werden, so daß der Reflektionsfaktor der Außenflächen der Filme 5 und 5' sehr niedrig ist. Darüberhinaus ist auch der Reflektionsfaktor der Zwischenflächen der Kristallflächen 1a und Ib und der Schutzfilme 2 und 2' jeweils niedrig, wodurch die neue lichtmodulierende Anordnung in optischen Systemen benutzt werden kann, ohne daß flackernde oder Geisterbilder entstehen. Die Dicke der nicht-reflektierenden Filne wird entsprechend der Art des benutzten Materials, der Dicke der Metallelektroden und der Art des für diese Elektroden benutzten Metalls gewählt.
• Da die Elektroden 4 und 4' kontinuierliche, ebene Folien aufweisen, ist das durch Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden erzeugte elektrische Feld über das gesamte Kristall gleichmäßig. Auf diese Weise ist auch der Brechungsindex in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes über das Kristall gleichmäßig, so daß Licht mit größerer Genauigkeit phasenmoduliert werden kann, wie dieses bei den bisherigen Anordnungen der Fall war.
• Da außerdem die Schutzfilme, die die Kristallflächen von den Metallelektroden trennen, dünn sind, d.h. in der Größenordnung einer halben Wellenlänge des zu mo-dulierenden Lichts liegen, ist der Anteil-der angelegten Elektrodenspannung, der von den Schutzfilmen abgebaut wird, vernachlässigbar klein. Auf diese Weise bewirkt eine lineare Änderung der angelegten Elektrodenspannung eine proportionale lineare anderung- des Brechungsindex des Kristalls, wodurch eine lineare Phasenmodulation des Lichts erreicht wird.
• Der hohe Wirkungsgrad der lichtmodulierenden Anordnung ermöglicht daher eine genaue Phasenmodulation des Lichtes, selbst bei sehr niedrigen Elektrodenpotentialen.
• Die neue Anordnung wird im folgenden anhand eines Beispiels einer lichtmodulierenden Anordnung näher erläutert, die einen Gesamtübertragungsfaktor von etwa 50% mit einer Wellenlänge von 5416 i hat Bei diesem Beispiel ist das elektro-optische Kristall ein KDP-Kristall. Alle Filme oder Folien werden durch herkömmliche Aufdampftechniken aufgebracht, die in einem Vakuum zwischen 1 x 10-5 und 5 x 10-5 Torr aufgebracht werden, wobei das Kristall auf einer Temperatur von 100 oC oder niedriger genal-ten wird, so daß seine elektro-optischen Eigenschaften nicht zerstört werden.
• Da EDP-Eristalle stark verflüssigbar sind, weisen die Schutzfilme 2 und 2' eine Schicht aus SIagnesiumfluorid (MgF2) zum Isolieren der lichtdurchlässigeh Kristallflächen 1a und Ib gegenüber der Umgebungsfeuchtigkeit auf, wobei jeder der Schutzfilme mit einer Dicke aufgebracht wird, die eine optische Dicke annähernd gleich der Hälfte der benutzten 5461 i-Wellenlänge des zu modulierenden Lichts ist und zB.
• etwa 2000 i beträgt.
• Die Filme 3 und 3', die die elektrischen Anschlüsse bilden, weisen vorzugsweise Aluminiumfolien auf, die bis zu einer Dicke zwischen 300 Å und einem aufgebracht sind, jedoch auch dicker sein können, wenn dieses erwünscht ist.
• Die Elektroden 4 und 4' weisen jeweils eine Schicht aus Gold mit einer Dicke zwischen 50 2 und 160 i auf und haben einen Widerstand zwischen 400 und 20 Ohm pro Quadrabeinheit.
• Ificht-reflektierende Filme 5 und 5' weisen Geriumoxid (CeO2) auf, das bis zu einer Dicke zwischen 1/16 und 3/16 der 5461 i-Wellenlänge des Lichts aufgebracht ist.
• Bei dieser Ausbildung ist der übertragungsfaktor der lichtmodulierenden Anordnung etwa 50% fur Licht mit einer Wellenlänge von 5461 i, was etwa dem gleichen tPoertragungsfaktor herkömmlicher lichtnodulierender Anordnungen entspricht, die naschen- oder gitterartige Elektrodenanordnungen haben.
• Darüberhinaus haben die äußeren, der Bu,t benachbarten Flächen eines nicht-reflekti er enden Pilms einen Reflektionsfaktor in der Größenordnung zwischen 0,5 und 1,5 und die Grenzflächen der Schutzfilme 2 und 2' mit den Vorder- und Rückseiten 1 a und 1b des Kristalls haben jeweils einen Reflektionsfaktor in Bereich zwischen 1 und 3% für eine Wellenlänge von 5461 9A . Diese Werte sind niedrig genug, um als Rauschen vernachlässigt werden zu können. Bei einer Benutzung einer in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildeten Anordnung werden daher kleine flackernden oder Geisterbilder erzeugt.
• Obwohl die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese besonderen Merkmale beschränkt und alle in der Beschreibung und den Ansprüchen angegebenen Merkmale können für sich allein und in beliebiger Konbination erfindungswesentlich sein.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Lichtmodulierende Anordnung mit einem elektro-optischen Kristall mit einer im wesentlichen parallelen, lichtdurchlässigen Vorder- und Rückseite, dadurch :g e k e n fl -z e i c h n e t , daß im wesentlichen kontinuierliche, ebene Metallfolien (4,4') hoher elektrischer Beitfähigkeit im wesentlichen die gesamte Vorder- und Rückseite (1a,1b) überdecken, um die Elektroden der Anordnungzu bilden, wobei die Folien eine sie u.das für das modulierende Licht halbdurchlässig machende Gesamtstärke haben.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Vorder- und Rückseite (1a,1b) des Kristalls (1) Schutzfilme (2,2') haben, wobei die kontinuierlichen Metallfolien (4,4') auf diesen Schutzfilmen gebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Kristall (1) verflüssigbar ist und daß die Schutzfilme (2,2') ein Material zum Isolieren der Oberflächen (1a,1b) des Kristalls gegenüber der Umgebungsfeuchtigkeit aufweisen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß außerdem Filme (5,5') eines Materials niedriger Reflektion vorgesehen sind, ie auf den kontinuierlichen Metallfolien (4,4') aufgebracht sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Metallabgriffe (3,3') in elektrischen Kontakt mit den Umfangskanten der Metall folien (4,4') gebildet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c-h n e t , daß jede Metallfolie (4,4') eine Goldschicht enthält

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kristall (1) ein KDP-Kristall ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer~lichtmodulierenden Anordnung, insbesondere einer nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf die im wesentlichen parallelen, lichtdurchlässigen Vorder- und Rückseiten eines elektro-optischen Kristalls ein Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit zur Bildung von in wesentlichen kontinuierlichen, ebenen Metallfolien mit einer solchen C-esaetsterke aufgebracht wird, daß diese für das zu modulierende Licht halbdurchlässig werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß Schutzfilme unmittelbar auf der Vorder- und Rückseite des Kristalls aufgebracht werden und daß die Metallfolien auf diesen Schutzfilmen aufgebracht werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß ein verflüssigbares Kristall benutzt wird und daß für die Schutzfilme ein Material wrwendet wird, mit dem die Oberflächen des Kristalls gegenüber der Umgebungsfeuchtigkeit isoliert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch g ek e n n z e i c h n e t , daß ein Ysterial niedriger Reflektion auf den Metallfolien zur Ausbildung nicht-refleltierender Filze auf diesen aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Metallabgriffe in elektrischen Kontakt mit den Umfangskanten der Metallfolien ausgebildet werden.

L e e r s e i t e