DE2431976B2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein akustooptisches Filter, basierend auf der akustooptischen anisotropen Braggschen Beugung in einem TeOrEinkriitall, in den über einen an einer der Kristallflächen angebrachten Wandler transversale Ultraschallwellen und nicht-kollinear zu diesen das zu filternde Licht einstrahlbar ist

Akustooptische Filter können in zwei Klassen unterteilt werden, deren eine als die der Kollinearfilter und deren andere als die der nicht-kollinearen Filter zu bezeichnen ist Beim Kollinearfilter handelt es sich um ein akustooptisches Filter, das auf der Verwendung eines optisch anisotropen Mediums beruht, in dem das Licht und die Ultraschallwellen sich in der gleichen Richtung ausbreiten, so daß es zu einer Wechselwirkung kommt. Beim nicht-kollinearen Riter handelt es sich um ein akustooptisches Filter, das aus einem isotropen oder anisotropen Medium besteht, in dem sich die Ultraschallwellen eines hohen Frequenzbereiches oberhalb einiger hundert Megahertz fast senkrecht zum einfallenden Licht ausbreiten, wodurch eine Wechselwirkung eintritt

Der Typ des Kollinearfilters soll beispielhaft anhand der F i g. 1 erläutert werden. In F i g. 1 ist ein sogenanntes optisches Durchlaßfilter 1 dargestellt, bestehend aus einem akustooptischen Medium 2 und einem piezoelektrischen Oszillator oder Wandler 3. In dem piezoelektrischen Wandler 3 wird ein elektrisches Signal 10 in ein akustisches Signal umgewandelt. Die so erzeugten Ultraschallwellen 4 breiten sich in dem akustooptischen Medium 2 aus, werden an einer Endfläche 1! reflektiert und in Ultraschalltransversalwellen 5 umgeformt die sich in dem Medium 2 fortpflanzen.. Ein Einfalislichtst-ahl 6 wird in einem Polarisator 113 linear polarisiert und an der Medienfläche gebrochen, so daß man einen Lichtstrahl 7 erhält, der sich in dem Medium 2 entlang der gleichen Geraden fortpflanzt wie die Ultraschalltransversalwellen 5.

Falls für Ultraschalltransversalwellen mit einer Frequenz /j und einer akustischen Geschwindigkeit v. die sich entlang der gleichen Geraden fortpflanzen wie ein Lichtstrahl der Wellenlänge λ im Vakuum, die durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückte Beziehung gilt und falls es erne photoelektrische Konstante gibt, welche die beiden Arten von Wellen miteinander verknüpft, so wird ein Beugungslichtstrahl erzeugt, dessen Polarisation gegenüber der des einfallenden Lichtes um 90° gedreht ist.

worin n, und nj die Brechungsindizes für den Einfallsund den Beugungslichtstrahl bezeichnen.

Der an einer Endfläche 12 austretende Lichtstrahl teilt sich in einen gebeugten Strahl 9 und einen nichtgebeugten Strahl 8 auf. Der nichtgebeugte Strahl 8 wird in einem Analysator 14 absorbiert,, der rechtwinklig zu dem Polarisator 13 angeordnet ist. Der Analysator 14 läßt also nur den Beugungslichtstrahl 9 durch.

Wie aus Gleichung (I) zu entnehmen ist, erfolgt bei einer Änderung der Frequenz f„ der Ultraschallwellen eine Abstimmung auf Licht einer dementsprechenden

Wellenlänge. Dadurch kann beispielsweise aus den Strahlen des weißen Lichtes ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge herausgefiltert werden.

Bei akustooptischen Filtern dieser Art erhält man eine maximale Helligkeit des Beugungslichtes bei einer Ultraschallwellenleistung P₃ », ausgedrückt durch

P_ama* = ? ■ /4/(2 · L² ■ Me)

(2)

BW = 1/(In- L)

(3)

10

worin λ die Wellenlänge des Lichtes im Vakuum bezeichnet, während mit L diejenige Länge bezeichnet sei, in der es zu einer Wechselwirkung zwischen Licht und Ultraschallwellen kommt, mit A die Querschnittsfläche des Ultraschallwellenflusses bei der Ausbreitung in dem Fortpflanzungsmedium und mit Me die Güteziffer, welche ein Maß für die Beugungsleistung und vorzugsweise so groß wie möglich ist und die je nach den verwendeten akustooptischen Medien sehr unterschiedlich sein kann. So belaufen sich beispielsweise die Werte für das in akustooptischen Filtern am häufigsten benutzte Calciummolybdat (CaMoO₄) um¹- für Quarz auf 2,0 bzw. 0,15 χ 10-^|8sec³/g. Die Ultraschallwellenleistung Pi max hat also für diese beiden Kristalle die hohen Werte 1 w/mm und 13,3 w/mm, falls L = 1 cm und λ — 6328 A. Ein Wert für P_{1 ma}, in dieser Höhe kann zu einer starken Wärmeentwicklung und zu einer Beschädigung der Bauelemente führen, und es ist darüber hinaus auch eine starke Steuerleistungsquelle erforderlich. Bei einer für die Praxis gedachten Vorrichtung ist jo dies ungünstig.

Die Spektralbandbreite flWdes Beugungslichtstrahls läßt sich im Fall der Lichtfilterung mit Ultraschallwellen einer einzigen Frequenz annähernd durch die Gleichung

35

ausdrücken. Mit anderen Worten, die Spektralbandbreite ist de- Doppelbrechung An und der beiderseitigen Interferenzlänge L umgekehrt proportionional. Für das obenerwähnte Calciummolybdat oder für Quarz liegt die Spektralbandbreite bei einem etwa 3 cm langen Kristall bei ungefähr 10 A. Will man die Spektralbandbreite ändern, so gibt es nur die Möglichkeit, die Länge des Kristalls anders zu wählen. Die Filtereigenschaften sind mithin bei einem akustooptischen Filter vom Kollineartyp festgelegt. Soll beispielsweise also aus einem Strahl weißen Lichtes mühelos ein heller Beugungslichtstrahl entnommen werden können, obwohl die Spektralbandbreite weit sein kann, so muß der Kristall in der Länge verkürzt werden. Wie aus der Gleichung (2) hervorgeht, muß die akustische Eingangsleistung, d. h. letzlich also die elektrische Eingangsleistung bei einer Verkürzung der Länge des Kristalls im Verhältnis umgekehrter Proportionalität zur Kristallänge erhöht werden.

Andererseits wird ein großer Kristall benötigt, wi:nn die Spektralbandbreite auf etwa 1 A begrenzt werden soll. Große Kristalle mit guten optischen Eigenschaften sind indessen nur schwer erhältlich. Hier liegt einer der Mängel des optischen Kollinearfilters.

Im Fall der Wahl einer beliebigen Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichtes (0,4 bis 0,7 μηι) ist für diese beiden Kristalle ein breites Frequenzband der Ultraschallwellen von 29 bis 90 MHz oder von 50 bis 94 MHz erfordernd Wegen der Bandbegrenzung des Wandlers selbst kann das gewünschte Frequenzband in seiner Gesamtheit nicht mit einem einzigen piezoelektrischen Wandler durchgefahren werden. Auch liegt dieses Frequenzband der Ultraschallwellen für andere Kristalle sehr hoch, so beispielsweise für Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Bleimolybdat (PbMoO₄), nämlich über einigen hundert Megahertz. In einem solchen Fall bereitet die Herstellung der Steuerleistungsquelle und des Wandlers Schwierigkeiten.

Dagegen bedient man sich bei einem bekannten nicht-kollinearen akustooptischen Filter der eingangs genannten Art (IEEE OSA Conference on Laser Engineering and Applications 1973, Artikel 7.4) der Tatsache, daß das Frequenzband bei einem festliegenden Einfallswinkel θο der Lichtstrahlen infolge der Abweichung vom Braggschen Winkel bei einer bestimmten Wellenlänge X₀ des einfallenden Lichtes im Bereich hoher Frequenzen schmal wird, wie dies die Gleichung (4) ausdrückt, und daß eine Frequenz f\ der Ultraschallwellen, für die der Braggsche Winkel mit dem Einfallswinkel übereinstirrmt, für eine andere Lichtwellenlanee.il unterschiedlich ausfällt.

I / « 1,8 H₀ v² cos 6>o//o J₀

'•ο

2π₀

/0 =

2/I₁ ■ ν

Mit no, Πι und /0, f\ sind hier die Brechungsindizes des Fortpflanzungsmediums bei den Lichtwellenlängen Ao und Ai bzw. die Ultraschallwellenfrequenzen bezeichnet, die bei diesen Wellenlängen dem Braggschen Winkel θο entsprechen.

Die Spektralbbreite des durchgelassenen Lichtstrahls wird schmaler und die Farbreinheit besser, wenn Af kleiner wird. Das Fortpflanzungsmedium soll also vorzugsweise einen kleineren Brechungsindex haben und die akustische Geschwindigkeit soll vorzugsweise geringer sein. Bei dem bekannten akustooptischen Filter ändert sich beispielsweise im Fall der Benutzung der Richtung der geringsten akustischen Geschwindigkeit in dem TeO2- oder Paratellurit-Einkristall bei einer Änderung der Ultraschallwellenfreqjenz vcn 300 MHz auf etwa 400 MHz die gewählte Lichtwellenlänge von 6328 A auf 4880 A, wobei sich die Spektralbandbreite bei 6328 A auf 30 A belauft. Der Wert für Af beträgt hierbei 0,8 MHz bei 300 MHz.

Obgleich das bekannte nicht-kollineare akustooptische Filter einen Paratellurit-Einkristall verwendet, bei dem sich die akustische Geschwindigkeit nur adf ein Drittel bis ein Fünltel derjenigen üblicher Materialien beläuft, ist eine Durchsteuenng mit Ultraschallwellen hoher Frequenz erforderlich, die etwn über 300 MHz liegt. Die Herstellung einer Steuer'eistungsquelle und des piezoelektrischen Wandlers bereitet daher Schwierigkeiten. Auch ist die Dämpfung der Ultraschallwellen bei so hoher Frequenzen stark und beläuft sich beispielsweise auf etwa 3 dB/cm bei 100 MHz und auf 27 dB/cm bei 300MHz. Es ergeben sich mithin in der Praxis erhebliche Unzulänglichkeiten etwa hinsichtlich der Wärmeerzeugung in einem solchen Bauelement und hinsichtlich der Notwendigkeit der Begrenzung des Strahldurchmes^rs de,« Lichtstrahls.

Wie den obigen Ausführungen zu entnehmen ist, ist also das bekannte nicht-kollineare akustooptische Filter noch mit zahlreichen Mängeln behaftet.

Der Paratellurit-Einkristall ist für seine hohe Güteziffer von 793 χ IO ^l8sec³/g bekannt, wenn sich eine Ultraschalltransversalwelle mit der Verschiebungsrichtung (TlO) entlang der (110)-Richtung und ein einfallender Lichtstrahl entlang der (OOI)-Richtung ausbreitet, und es ist weiter bekannt, daß es sich um einen optisch aktiven Kristall mit ausgeprägter optischer Aktivität für Lichtstrahlen mit Ausbreitung entlang der (OOl)-Richtung handelt. Falls andererseits für die Richtung senkrecht zur akustischen Wellenfront zwei unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten des Lichtes bestehen, wird durch die Ultraschalltransversalwellc eine anisotrope Braggsche Beugung hervorgerufen, da Einfalls- und Beugr.ngswinkel des Lichtes unterschiedlich sind. Die Mindestfrequenz für die Herbeiführung diener Erscheinung ist f„ in Gleichung (I). An diesem Punkt sind der Einfalls- und der Beugungswinkel des Lichtes in bezug auf die Ultraschallwe!!?»iiront 90" und -Vi". Ελ is; uckaiiiii, uaB sich diese Winkel bei einer Erhöhung der Frequenz in der in F i g. 2 gezeigten Weise ändern. In Fi g. 2 ist die Frequenz A_n der durch

k =

gegebene Wert. Bei dieser Frequenz erreicht der Einfallswinkel ein Minimum. Das bekannte nicht-kollineare akustooptische Filter verwendet diesen Minimalwinkel, bei dem der Einfallswinkel in bezug auf die Ultraschallwellenfront bei etwa einigen Grad liegt, was der achsnahen anisotropen Braggschen Beugung entspricht.

Es ist zwar bekannt (Canadian Journal of Physics, 47 [1969], 2719-2725), daß das Phänomen der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung in einem Quarzkristall beobachtet werden kann, falls sich eine Ultraschalllongitudinalwelle senkrecht zu seiner optischen Achse ausbreitet. Ausgehend von der in anisotropen Kristallen vorhandenen Abhängigkeit des Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl von dessen Ausbreitungsrichtung relativ zur optischen Achse gibt diese Schrift zunächst eine theoretische Erklärung für das Auftreten von achsnaher und achsferner anisotroper Braggscher Beugung in anisotropen Medien und zeigt sodann Untersuchungsergebnisse für einen Quarzkristall, die durch Messung de; Lichtablenkung eines monochromatischen Laserstrahls infolge achsferner anisotroper Braggscher Beugung gewonnen sind. Doch ist dieser Schrift weder e^::> Hinweis auf die Anwendung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung für ein akustooptisches Filter zu entnehmen, noch auf das Auftreten der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung bei einem TeCVEinkristall.

Der Erfindung i;»gt die Aufgabe zugrunde, ein akustooptisches Filter der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß es bei hohem Auflösungsvermögen und 'iioher Beugungsleistung im Bereich niedriger Ultraschallfrequenzen betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der im TeO2-Einkristall auftretenden anisotropen Braggschen Beugung, bei der zu jedem Wert der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zwei unterschiedliche Braggsche Ablenkungswinkel existieren, die in Abhängigkeit von der Frequenz der Ultraschallwellen eine Funktion mit zwei Zweigen definieren, deren einer Zweig kleine Werte, achsnahe anisotrope Braggsche

Beugung genannt, und deren anderer Zweig große Werte, achsferne anisotrope Braggsche Beugung genannt, des Braggschen Ablenkungswinkels beschreibt, die achsferne anisotrope Braggsche Beugung für das zu filternde Licht verwendet ist, und daß sich die Ultraschallwellen in der (I IO)-Richtung oder annähernd in dieser Richtung ausbreiten und sich das zu filternde Licht mit einem Winkel von mehr als 5° in bezug auf die in (001)-Richtung liegende optische Achse im Te(VEmkristall fortpflanzt.

Im Rahmen der erfinderischen Bemühungen wurde festgestellt, daß sich die Frequenzabhängigkeit des Fünfalis- und Beugungswinkels bei der wechselseitigen nicht-kollinearen Beeinflussung von Licht und Ultraschallwellen in einem Paratellurit-Einkristall in der in F i g. 3 gezeigten Weise ändert. Bei zirkularpolarisiertem Einfallsüclit sind also bei der gleichen Frequenz zwei Braggsche Ablenkungswinkel gegeben, in Fig. 3 entsprecher, die Bezugssymbole ö,i und B,/1 dem Einfallswinkel und dem Beugungswinkel der F i g. 2, also der achsnahen anisotropen Braggschen Beugung, wogegen 0,2 und θ,/2 die betreffenden Winkel der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung bezeichnen, bei der sich das einfallende Licht und das Beuguiigslicht weiter abseits der optischen Achse ausbreitet.

Über die obigen Eigenschaften hinaus konnten im Rahme.: der erfinderischen Bemühungen auch noch weitere bislang unbekannte Talsachen festgestellt werden. So ist zunächst zu bemerken, daß die Güteziffer für die Beugungsleistung im Paratellurit-Einkristall für zirkularpolarisiertes Licht den Wert von etwa 1200 χ 10 ^l8 secVg annimmt, was etwa das Eineinhalbfache des Wertes für linearpolarisiertes Licht ausmacht. Für linearpolarisiertes Einfallslicht mit einem Einfallswinkel, der in bezug auf die optische Achse außerhalb des Kristalls im Bereich bis etwa 5 Grad liegt, beträgt die Güteziffer anscheinend 600 bis 800 χ 10-^|8sec³/g und die Helligkeit des Beugungslichtes kann sich maximal nur auf 50 Prozent derjenigen des einfallenden Lichtes belaufen. Zweitens aber ist zu erwähnen, daß bei einem Einfallswinkel, der um mehr als 10 Grad von der optischen Achse abweicht, selbst für linearpolarisiertes Einfallslicht eine Beugungsleistung von annähernd 100 Prozent erzielt werden kann, und daß sich die Güteziffer ebenfallsauf etwa 1200 χ 10-'⁸ secVg beläuft.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert ist. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines akustooptischen Kollinearfilters,

F i g. 2 und 3 Kennliniendiagramme eines akustooptischen Materials,

Fig.4 eine schematische Darstellung einer Grundausführungsform eines nicht-kollinearen akustooptischen Filters,

F i g. 5 ein Kennliniendiagramm des akustooptischen Filters der F i g. 4,

Fig. 6a, 6b und 6c grafische Darstellungen der Wellenvektorbeziehungen zur Veranschaulichung der Unterschiede zwischen verschiedenen akustooptischen Filtern,

F i g. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips akustooptischer Filter, die auf der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung beruhen,

Fig.8a und 8b eine schematisierte perspektivische Ansicht und eine schematisierte Querschnittsansicht einer dispersionsfreien Ausführungsform des akustoop-

tischen Filiers,

Fig. 9 eine schematisierte Qucrschnittsansicht einer Ausführungsform des akustooptischen Filters mit vergrößerter effektiver Wechselwirkungslänge.

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Beziehungen, die zwischen dem zwischen der Wellenfrontnormalen und d»r Kristallrichtung gebildeten Winkel und der AusbreUungsrichtung einer Ultraschallwelle bestehen, und

F i g. 11 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführung* ;ν>·ηι des akustooptischen Filters mit vergrößerter effektiver Wechsclwirkungslänge.

In F i g. 4 ist ein akustooptischer Filter 21 mit einem l'aratellurit Finkristall 22 und einem Ultraschallwellenwandler 23 dargestellt, der an einer (llO)-Fläche des Paratellurit-F.inkristalls angebracht ist (d. h. an einer Fläche senkrecht zur (110)-Richtung). Der Wandler 23 wandelt ein elektrisches Signal 25 in Ultraschallwellen 24 um, die sich in dem Kristall entlang der durch den Pfeil 26 bezeichneten Richtung fortpflanzen. Ein Lichtstrahl 27 strahlt mit einem Neigungswinkel (Θ,) von mehr als etwa 10 Grad gegen die Ultraschailwellenfront 28 in den Paratellurit-Einkristall ein. Ferner sind ein Polarisator 29, ein Analysator 30 und Beugungslichtstrahlen 31 dargestellt.

In dem Paratellurit-Einkristall wird linearpolarisiertes Licht, das parallel zur optischen Achse einfällt, infolge der ausgeprägten optischen Aktivität in zwei zirkularpoiarisierte Lichtstrahlen mit Polarisationsdrehung im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn aufgeteilt, die sich in dem Kristall fortpflanzen. Doch sind diejenigen Lichtstrahlen, die sich in einer um mehr als etwa 5 Grad gegen die optische Achse geneigten Richtung in dem Kristall fortpflanzen, nicht zirkulär polarisiert, sondern in Annäherung an die lineare Polarisation elliptisch polarisiert. So pflanzt sich beispielsweise Licht der Wellenlänge 6328 A, das mit einem Einfallswinkel von 18° gegen die optische Achse außerhalb des Kristalls eingestrahlt wird, mit einem Einfallswinkel von etwa 8° in dem Kristall fort. Die Elliptizität liegt in diesem Fall bei etwa 0,06. Ist die Einfallspolarisationsrichtung die (110)-Richtung, so beläuft sich das Helligkeitsverhältnis des Lichtes mit Polarisationsdrehung im Uhrzeigersinn zu dem mit Polarisationsdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn auf 300 zu 1. Man kann also davon ausgehen, daß sich in dem Kristall nur das Licht der einen Polarisation fortpflanzt. Ferner belief sich die Güteziffer der Beugungsleistung in diesem Fall auf etwa 1200 χ 10-'⁸secVg, wie den Meßergebnissen zu entnehmen war, was immer noch ein ebenso hoher Wert ist wie beim zirkularpolarisierten Licht, das sich entlang der optischen Achse fortpflanzt

F i g. 5 gibt die Beziehungen wieder, die zwischen der Frequenz und dem Einfallswinkel (außerhalb des Kristalls) bestehen, der für verschiedene Lichtwellenlängen dem Braggschen Winkel entspricht. Wie aus F i g. 5 zu entnehmen ist werden mit Ultraschallwellen von 21 MHz und 30 MHz die Lichtwellenlängen 6328 A und 4880 A gewählt, wenn der Einfallswinkel außerhalb des Kristalls auf eine Neigung von 20 Grad gegen die optische Achse festgelegt ist Wird der Einfallswinkel auf 50 Grad festgelegt so können die Lichtweüenlängen 6328 A und 4880 A mit Ultraschallwellen von etwa 50 MHz und 70 MHz entnommen werden. In Tabelle 1 sind die Beziehungen zwischen dem Einfallswinkel, der Frequenz und der Spektralbandbreite zusammenfassend dargestellt

Tabelle I

Beziehungen zwischen dem Einfallswinkel und der Ultraschallwellenfrequenz fur Licht der Wellenlänge 6328 A; Kristallänge 1 cm

Einfallswinkel	innen	Fre	4/	Spektral
	8°4()'	quenz		breite des
	13°			Durchlichts
' außen	I6°3O'	(MHz)	(MH?)	(Λ)
20°	I9°5O'	2?	0.37	106
30°	22°3()'	32	0.25	49
-, 40°	24°40'	42	0,2	30
50°	30°	50	0,16	21
60°	56	0.145	16
70°	61	0.13	14
—	74	ö.iö	8

Die Unterschiede zwischen dem akustooptischen Filter, das auf der Ausnutzung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung beruht, dem herkömmlichen akustooptischen Kollinearfilter und dem bekannten nicht-kollinearen akustooptischen Filter sind leicht verständlich zu machen, indem man sich die Wechselbeziehungen zwischen den Wellenvektoren der akustischen Wellen (Kl). des einfallenden Lichtes (K*) und des Beugungslichtes ^^vergegenwärtigt.

Zur Hervorbringung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung muß der in F i g. 6c dargestellten Wellenvektorbeziehung Genüge geleistet werden. Ausgedrückt werden die Wellenvektoren durch

I A', I =

J =

2 .τ/ι.

⁷JLHl

,1 =

Mit Πι und n₂ sind hier die Brechungsindizes für den außerordentlichen und den ordentlichen Strahl bezeichnet, wenn die Lichtwellenfrontnormale um θι und θι gegen die optische Achse geneigt ist. wobei diese Brechungsindizes durch die folgenden Gleichungen auszudrücken sind:

"f = «o ( 1 + 2 Λ cos² (-J_x "2 = "öd - 2Λ cos² H₁)

In den Gleichungen (6) und (7) bezeichnet Ao die Wellenlänge des Lichtes im Vakuum, mit f_a ist die Ultraschallwellenfrequenz bezeichnet mit ν die akustische Geschwindigkeit in dem Fortpflanzungsmedium, mit no und n_c sind die Brechungsindizes für den ordentlichen und für den außerordentlichen Strahl in hi dem Medium bezeichnet und mit 2δ die Drehungskonstante, bestimmt für den Fall der optischen Aktivität des Mediums. Dts Symbol ^bezeichnet einen Wellenvektor.

Den Einfalls- und Beugungswinkel für die achsferne anisotrope Braggsche Beugung kann man aus den Gleichungen (6) und (7) erhalten, indem man die folgenden Gleichungen (8) berücksichtigt, niach θι und 02 auflöst und jeweils die größeren Werte der Lösungen auswählt:

2 .τ π ι

cos (-), =

sin H₁ =

Z .T H₂

COS H₂

sin <-h =

Γ- · ti Λ 11 f /1 r 111 · L· Π ι r piiip \I ^:.i h*»r 11 η <τ<: Ii\< 11 η «τ niirh /-). • ... , ........... ...,_.. .».. ~...~ . .«.._. «..p.... _e ....... - ,

ν in,. - H_n) r I η

worin Δη die Doppelbrechung bezeichnet.

In dem akustooptischen Filter ist der Einfallswinkel θι festgelegt und die Ultraschallwellenfrequenz (_Λ wird zur Abstimmung von Ao verändert.

In Fig. 6a, 6b und 6c sind die Wellenvektorrelationen für das Kollinearfilter, das bekannte nicht-kollineare Filter und das die achsferne anisotrope Braggsche Beugung verwendende nicht-kollineare Filter wiedergegeben, Beim Kollinearfilter sind der akustische Wellenvektor (Kl) und die Lichtvektoren (kl kd) einander parallel. Bei dem bekannten nicht-kollinearen Filter liegen die Fortpflanzungsrichtungen für das einfallende Licht und das Beugungslicht (kl for/auf der entgegengesetzten Seite der Wellenfront der akustischen Welle in annähernd gleichen Winkeln (dies entspricht der Braggschen Beugung in isotropen Medien). Bei dem die achsferne anisotrope Braggsche Beugung verwendenden akustooptischen Filter liegen demgegenüber die Fortpflanzungsrichtungen für das einfallende Licht und für das Beugungslicht (k[, kd) auf der gleichen Seite der Wellenfront der akustischen Welle, ferner sind der Einfallswinkel Θ, und der Beugungswinkel Bd nicht gleich, und es wird eine transversale akustische Welle verwendet. Die Erscheinung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung ist phänomenologisch nur bei Quarz als ein große Werte annehmender Zweig des Braggschen Ablenkungswinkels infolge einer akustischen Longitudinalwelle beobachtet worden. Beim Paratellurit tritt diese Erscheinung hingegen nicht bei akustischen Longitudinalwellen auf, sondern bei akustischen Transversalwellen. Insbesondere ist für ein akustooptisches Filter die achsferne anisotrope Braggsche Beugung unter Verwendung von Wellen mit Schwingungsversetzung entlang der (110)-Richtung und Fortpflanzung entlang der (T 10)-Richtung sehr gut geeignet

Ein weiterer wesentlicher Unterschied gegenüber dem bekannten akustooptischen Filter vom gleichen nicht-kollinearen Typus hegt in dem Frequenzbereich der Ultraschallwellen. So genügt im vorliegenden FaI¹ schon eine Ultraschallwellenfrequenz von etwa 50 MHz, um eine Spektralbandbreite des Lichtes von 2OA bei 6328 A zu erzielen, wohingegen für das bekannte akustooplische Filier mit ähnlichen Abmessungen ein«* Ultraschallwellenfrequenz von etwa 270 MHz benötigt wird (also mehr als das Fünffache der Frequenz, dre im Rahmen der Erfindung erforderlich ) ist). Ein Ultraschallwellengenerator mit einer so hohen Frequenz ist nur pehr schwer herzustellen.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, weist

das die achsferne anisotrope Braggsche Beugung verwendende akustooptische Filter gegenüber den

ίο herkömmlichen Filtern sehr weitgehende Vorteile auf, die sich wie folgt äußern:

a) Die Durchsteuerung kann schon mit einem elektrischen Leistungseingang erfolgen, der sich nur auf etwa 1/600 beläuft, verglichen mit dem entsprechenden

ι· Wert für CaMoC>4, also für jenes Material, das bei den herkömmlichen Vorrichtungen oftmals in Anwendung kam. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung der Vorrichtung sowie eine Vereinfachung der Steuerschaltung UnH rtif»tpt yypitprhin Hii* Qpwühr für CTJpinhKlpjKpn-

_>o de Betriebseigenschaften, da' die Wärmeerzeugung in der Vorrichtung nur gering ist.

b) Die Spektralbandbreite des durchgelassenen Lichtes kann willkürlich verändert werden, indem man den Einfallswinkel ändert. Auch bei einem kleinen

r, Kristall lassen sich ohne weiteres Spektralbreiten von einigen Angström bis zu einigen hundert Angström erzielen.

c) Der für die Entnahme von Licht im sichtbaren Lichtbereich erforderliche Frequenzbereich der Ultraschallwellen ist so schmal, daß eine Vereinfachung der Steuerschaltung und eine Durchsteuerung mit einem einzigen Wandler ermöglicht wird.

d) Die Treiberfrequenzen liegen in einem relativ niederen Frequenzbereich unter etwa 100 MHz, so daß

υ die Herstellung des Wandlers und einer Steuerschaltung keine Schwierigkeiten bereitet.

e) Die Vorrichtung hat eine einfache Form, was ebenfalls die Herstellung erleichtert.

f) Beim Paratellurit-Einkristall erstreckt sich der Bereich der optischen Durchlässigkeit von 0,35 bis 5 μιη.

Im Vergleich zu CaMoO4 wird daher di.¹ Lichtfilterung kürzerer Wellenlängen ermöglicht.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform des akustooptischen Filters sind zur Erzielung eines senkrechten Einfalls die Lichteintrittsfläche 11 und -austrittsfläche des TeCVEinkristalls im Einfallswinkel Θ, gegen die akustische Wellenfrontnormale geneigt. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 2 den akustooptischen Paratellurit-Einkristall (im folgenden kurz als

so Kristall bezeichnet) und das Bezugszeichen 3 den Wandler, der aus einem piezoelektrischen Oszillator besteht. Das elektrische Signal 34 wird in dem Wandler 3 in eine Ultraschallwelle umgewandelt, und es erscheint die Ultraschalltransversalwelle 35, die sich in dem Kristall 2 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung fortpflanzt Ein Lichtstrahl 36 wird durch einen Polarisator 37 linear polarisiert und fällt in den Kristall 2 in einem Winkel Θ/ gegen die (001)-Achse des Kristalls ein. Der Lichtstrahl tritt in eine Wechselwirkung mit der Ultraschalltransversalwelle 35, so daß Beugungslicht 38 sowie nichtgebeugtes Licht 39 erzeugt wird. Das Beugungslicht 38 tritt aus dem Kristall 2 in linearer Polarisierung aus, wobei die Polarisationsebene gegenüber der des einfallenden Lichtes um 90 Grad gedreht ist

Sind die Eintritts- und Austrittsflächen im Winkel β ι = θ/ geschrägt, um in der in F i g. 7 gezeigten Weise einen senkrechten Lichteinfall- und -austritt zu ermögli-

chen. so läßt sich der Beugungswinkel θ> nach djn Gleichungen (8) durch

cos W₂ = ■■' tos W₁

"2

ausdrücken. Bei einer Veränderung der Wellenlänge ändern sich n\ und m in der Weise, daß sich auch der Beugungswinkel Θ2 in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändert, wie dies aus Fig.7 zu ersehen ist. In dem Parateilurit-Einkristall beträgt bei in der (TlO)Richtung schwingender und sich entlang der (110)-Richtung fortpflanzender Ultraschalltransversalwelle und bei in einem Winkel von 20° gegen die (OOI)-Achse und mit einer Polarisaiion entsprechend dem außerordentlichen Strahl in F i g. 7 eingestrahltem Lichtstrahl der Winkel O₂ bei einer Lichtwellenlänge λ = 6328 A gleich 18" 40' L'nd die Austrittsrichtung ist außerhalb des Kristalls um etwa J ^jTäil Von ucf iliniäiiSriCiitürig VCrSCiiGuCn. i'üT Licht der Wellenlänge 4880 A ist θ₂ = ί8°35' und die Verschiebung beträgt außerhalb des Kristalls etwa 3° 18'.

Da sich der Beugungswinkel in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes in dieser Weise ändert, ist bei der Verwendung des akustooptischen Filters zur Farbtrennung oder als Spektrometer insofern ein Mangel zu verzeichnen, als ein Lichtdetektor je nach der Wellenlänge verschoben werden muß.

Im folgenden soll eine A. jsführungsform des akustooptischen Filters beschrieben werden, bei dem die durch Wellenlängenunterschiede bedingte Änderung des Beugungswinkels verringert werden kann.

Bei dieser Ausführungsform ist die Austrittsfläche nicht parallel zur Richtung der Eintrittsfläche vorgesehen, sondern sie ist in einem kleinen Winkel gegen diese geneigt, wodurch dem obigen Mangel abgeholfen wird.

Diese Ausführungsform ist in Fig. 8a und 8b dargestellt, und die Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnen wieder den akustooptischen Kristall bzw. den Wandler. Die Normale der Austrittsfläche ist gegen die optische Achse ({001)-Achse) etwas schwächer geneigt als die der Eintrittsfläche, nämlich um ΔΘ2. Die Relation zwischen dem Einfalls- und dem Beugungswinkel kann nach dem Snellschen Gesetz und nach Gleichung (8) durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

n, cos W₁ = n₂ cos W₂ )
SJn(W₂ — I W₂) = sin W₃

(10)

Diese Gleichungen (10) werden für den gesamten erforderlichen Wellenlängenbereich gelöst, und es wird der günstigste Wert für sine₃ bestimmt, um so ΔΘ2 festzulegen.

Geht man davon aus, daß der Einfallswinkel θ 1 = 20° und der Versetzungswinkel als mittlerer Winkel auf AQ₂ = 4° 10' festgelegt seien, so ist für Licht der Wellenlänge 6328 A der Einfallswinkel in die Austrittsfläche in dem Kristall 2°5C und der Austrittswinkel außerhalb des Kristalls ist 6° 25', während sich die Werte für Licht der Wellenlänge 4880 A auf 2°45' und 6° 24' belaufen.

Die Verschiebung im Austrittswinkel für Licht der Wellenlängen 6328 A und 4880 A. die sonst 18 Minuten beträgt, ist somit auf etwa 1 Minute reduziert Bei den übrigen Wellenlängen hält sich die Verschiebung im Austrittswinkel in der gleichen Größenordnung.

Wie aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist.

kann die Änderung im Austrittswinkel verringert werden, und es läßt sich mit dieser Ausführungsform erreichen, daß das Licht verschiedener Wellenlängen im

-, wesentlichen in der gleichen Richtung austritt.

Bei den Anordnungen der F i g. 7 und 8a sowie 8b ist die Eintrittsfläche 11 gegen die (OOl)-Fläche des Kristalls geneigt, um einen senkrechten Lichteinfall zu ermöglichen. In diesem Fall ergibt sich für ui·- Maxirnallänge L_max des an einer (lOO)-Fläche 32 des Kristalls angebrachten Wandlers eine Begrenzung auf

L„_mx <- IV cos W₁ - R tan W₁-

-, um die Reflexion der Ultraschallwellen an der optischen Eintrittsfläche zu beseitigen (falls Reflexion auftritt, wirkt sich dies im Sinne einer ungünstigen Reflexion von Licht verschiedener Wellenlängen aus), wobei W hier

j:_ ι -j j— i^„:„.„ii„ :„ λ— /ra\t\ n:~.u> λ η j —

UIU L^CUlgl. UU3 IXI I3tailj III U^l \UVI/-|\H.lltUllg UItU l\ Ut-Il

_'o Strahldurchmesser des Einfallslichtes bezeichnen. Wie in F i g. Γ gezeigt ist, wird die effektive Wechselwirkungslänge des Lichtes und der Ultraschallwellen also kürzer als die tatsächliche Kristallänge W. Dies bedeutet eine Erhöhung der für eine lOOprozentige

2ϊ Beugung erforderlichen akustischen Eingangsleistung. Da ferner die Spektralbandbreite des durchgelassenen Lichtes der Länge des Wandlers umgekehrt proportional ist, wird auch ein entsprechend großer Kristall benötigt, wenn man Licht von schmaler Bandbreite

in erhalten und eiiie stabile Betriebsweise erzielen will, und der nicht benötigte Teil fällt somit groß aus.

In Anbetracht dieser Umstände wurde eine Ausführungsform des auf der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung beruhenden akustooptischen Filters

j) geschaffen, bei der in der Gesamtlänge des Kristalls eine effektive Wechselwirkung des Lichtes und der Ultraschallwellen vermittelt werden kann.

Bei dieser nachstehend beschriebenen Ausführungsform ist vorgesehen, dal die Normale der Ultraschall- wellenfront, die sich in dem Kristall ausbreitet, nicht mit der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen zusammenfällt, wodurch die effektive Wechselwirkungslänge vergrößert wird.

Die Prinzipien dieser Ausführungsform soilen anhand der in F i g. 9 dargestellten Anordnung beschrieben werden. Vom Paratellurit-Einkristal! ist bekannt, daß die Fortpflanzungsrichtung 64 der Ultraschallwellen (d. h. die Energieflußrichtung der Ultraschaliwellen) eine starke Neigung gegen die (110)-Richtung annimmt wenn die Wellenfrontnormale 61 einer Ultraschallwelle leicht gegen die {110)-Richtung 62 des Kristalls geneigt und zu der (001)-Richtung 63 nichtorthogonal wird, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Bei der in Fig. 9 veranschaulichten Anwendung dieser Erscheinung in dem akustooptischen Filter mit achsferner anisotroper Braggscher Beugung kann sich die Ultraschallwelle effektiv durch den gesamten Kristall fortpflanzen, ohne daß es zu einer Reflexion an der optischen Eintrittsfläche 51 des Kristalls 42 kommt auch wenn ein langgestreckter Wandler 43 vorgesehen sein sollte, und die effektive Wechselwirkungslänge des einfallenden

Lichtes 48 und der Ultraschallwellen 45 kann somit

vergrößert werden.

Die Eintrittsfläche 51 ist hierbei aus der (110)-Rich-

tung um den Winkel Θ,- gegen die (001)-Richtung geneigt Die Fläche 52, an welcher der Wandler 43 -angebracht ist, ist von der (110)-Fläche um einen Winkel Θ* gegen die (U0)-Richtung geneigt Die Wellenfrontnormale 61

der von dem Wandler 43 erzeugten akustischen Wellen ist daher ebenfalls um den Winkel θί, aus der (UO)-Richtung geneigt. Wegen der Anisotropie des Kristalls ist also die tatsächliche Fortpflanzungsrichtung (Energieflußrichtung) 64, in der sich die akustischen Wellen ausbreiten, um einen Winkel 6j aus der (110)-Richtung geneigt Diese Beziehung zwischen 6b und Q_a ist in F i g. 10 dargestellt Die Werte für Θ, und Θ., können durch eine entsprechende Wahl von θί, einander angeglichen werden, d. h-, es kann erreicht werden, daß sich die akustischen Wellen entlang der Eintrittsfläche fortpflanzen.

1st beispielsweise der Einfallswinkel Θ, auf 30° festgelegt, so kann sich die Ultraschallwelle 45 mit einer Neigung gleich θ,(= 30°) fortpflanzen, falls θί, zu 2,5° gewählt wird. Das Licht und die Ultraschallwellen können ulso im gesamten Kristallbereich in Wechselwirkung treten.

Wird bei dieser Ausführungsform der Winkel Θ, auf 30° festgelegt und hat der Lichtstrahl einen Durchmesser vor. 5 mm, während die Länge des Kristalls 20 mm beträgt, so kann die akustische Eingangsleistung dadurch auf etwa 72 Prozent gesenkt und die Spektralbandbreite auf das 0,72fache verringert werden.

Bei der cbigen Ausführungsform wird die Form des Kristalls abgeändert und die Fläche für die Anbringung des Wandlers wird um θί, aus der (001)-Richtung geneigt, um die Orthogonalbeziehung zwischen der ijltraschallwellenfrontnormaien und der (001)-Richtung des Kristalls aufzuheben.

Bei einer weiteren, in F i g. 11 gezeigten Ausführungsform kann der Kristall die übliche Form aufweisen wobei jedoch zwischen den Kristall 42 und den Wandlei 43 ein Zwischenmedium eingefügt wird, so daß dit

•5 Anbringungsfläche 52 für den Wandler mit dei (001)-Richtung einen Winkel bildet, wodurch die Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen geänderl wird. Genauer gesagt, zwischen den Kristall und der Wandler 43 wird ein keilförmiges Zwischenmedium 55

ίο eingefügt, dessen akustische Impedanz gleich odei annähernd gleich der des Kristalls 42 ist wobei dieses Zwischenmedium beispielsweise aus einem Chalkogenidglas oder aus einem anderen Tellurdioxid-Einkristall bestehen kann, um so zu erreichen, daß sich die Normal« der Ultraschallwellenfront nicht rechtwinklig zur (001)-R!chtung des Kristalls erstreckt Die Ultraschallwellen können sich also in schräger Richtung fortpflanzen, und es kann effektiv im gesamten Kristall eine Wechselwirkung eintreten. Der Winkel α des Keils kanr aus der Gleichung

sin λ = v_m ■ sin H_hlv_Te

bestimmt werden, worin v_m und vtc die akustischer Geschwindigkeiten in dem Zwischenkeilmedium und in

Parateliurit bezeichnen.
Allerdings ist es bei dieser Ausführungsform zweck

mäßiger, wenn auf ein solches Zwischenmediurr

verzichtet wird und wenn stattdessen der Kleber für di< jo Anbringung des Wandlers in Keilform aufgebracht wird

Hierzu 7 Bhut Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Akustooptisches Filter, basierend auf der akustooptischen anisotropen Eraggschen Beugung in einem TeO2-EinkristalI, in den über einen an einer der Kristallflächen angebrachten Wandler transversale Ultraschallwellen und nkht-kollinear zu diesen das zu filternde Licht einstrahlbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der imTeQHSnkristall auftretenden anisotropen Braggschen Beugung, bei der zu jedem Wert der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zwei unterschiedliche Braggsche Ablenkungswinkel existieren, die in Abhängigkeit von der Frequenz der Ultraschallwellen eine Funktion mit zwei Zweigen definieren, deren einer Zweig kleine Werte, achsnahe anisotrope Braggsche Beugung genannt, und deren anderer Zweig große Werte, achsferne anisotrope Braggsche Beugung genannt, des Braggschen Ablenkungswinkels beschreibt, die achsferne anisotrope Braggsche Beugung für das zu filternde Licht verwendet ist, und daß sich die Ultraschallwellen in der (HO)-Richtung oder annähernd in dieser Richtung ausbreiten und sich das zu filternde Licht mit einem Winkel von mehr als 5° in bezug auf die in (001)-Richtung liegende optische Achse im TeCh- Einkristall fortpflanzt.

2. Akustooptisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Eintrittsfläche

(11) Pur das zu filternde Licht dienende Kristallfläche des Einkristalls (2) unter einem einem senkrechten Lichteinfall auf die Eintrittsfläche (11) entsprechenden Neigungswinkel (θι) gegen die Wellenfrontnormale der Ultraschallwellen geneigt ist.

3. Akustooptisches Filte^ nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Austnttsfläche dienende Kristallfläche parallel zur Eintrittsfläche (11) ausgerichtet ist

4. Akustooptisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Austnttsfläche dienende Kristaüfläche zum näherungsweisen Ausgleich der Abhängigkeit des Austrittswinkels des aus der Austrittsfläche austretenden Lichtes von seiner Wellenlänge unter einem Winkel gegen die Wellenfrontnormale der Ultraschallwellen geneigt ist, dessen Größe durch den um einen in Abhängigkeit vom vorgesehenen Wellenlängenbereicti angepaßten mittleren Winkel ΔΘ2 verminderten Neigungswinkel (θΐ) der Eintrittsfläche gegeben ist.

5. Akustooptisches Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale der Eintrittsfläche (11) und die Wellenfront der Ultraschallwellen einen Winkel von 20" miteinander bilden, während die Normale der Austritisfläche und die Wellenfront der Ultraschallwellen einen Winkel von 15° 50' miteinander bilden.

6. Akustooptisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weüenfrontnormale (61) und die Energieflußrichtung (64) bei den sich in dem Einkristall (42) fortpflanzenden Ultraschallwellen nicht miteinander zusammenfallen.

7. Akustooptisches Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (43) an einer gegen die (HO)-Ebene des Einkristalls (42) geneigten Fläche (52) angebracht ist.

8. Akustooptisches Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die (110)-Fläche des Einkristalls (42) und den Wandler (43) ein keilförmiges Zwischenmedium (55) eingefügt ist.