DE2445150B1 - Imaging system for integrated optics - with magnifying or reducing simply by changing cross-section of layer waveguide - Google Patents

Imaging system for integrated optics - with magnifying or reducing simply by changing cross-section of layer waveguide

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Abstract

The system has a flat, prism-shaped or pyramid-shaped waveguide with reflecting boundary surfaces. The length L along the waveguide axis between an object (A) and an image (A') and at least one value (Weg) representing a typical transverse dimension of the waveguide are linked by an equation wherein the product of the length L and the wavelength is equal to 4 hn1W(eg)2. Where n1 is the refractive index of the waveguide material, whilst h is an integer 1, 2, 3, etc. The waveguide is pref. in the form of a layer whose thickness is taken as the typical transverse dimension.

Description

Aus der Zeitschrift »Applied Optics«, 9 (1970), 753, ist ein Abbildungssystem bekannt, bei dem zur Abbildung dielektrische optische Wellenleiter verwendet werden, die ein parabolisches Brechzahlprofil in einer oder in beiden Richtungen quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes haben und als selbstfokussierende Lichtleiter bezeichnet werden. Eine erhebliche technische Schwierigkeit bei diesem Abbildungssystem ist jedoch die Herstellung der Schichten oder Fasern, z. B. durch Diffusion, mit dem erforderlichen parabolischen Brechzahlprofil. From the magazine "Applied Optics", 9 (1970), 753, there is an imaging system known, in which dielectric optical waveguides are used for imaging, which have a parabolic refractive index profile in one or both directions transverse to the Have the direction of propagation of the light and are referred to as self-focusing light guides will. There is a significant technical difficulty with this imaging system however, the manufacture of the layers or fibers, e.g. B. by Diffusion, with the required parabolic refractive index profile.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Abbildungssystem anzugeben, das für die Abbildung keine herkömmlichen Komponenten wie Linsen ober Spiegel, sondern nur einen Wellenleiter benötigt, der einfach und ohne die bei den bekannten selbstfokussierenden Lichtleitern auftretenden Schwierigkeiten herstellbar ist. The object of the invention is to provide an imaging system that is suitable for the image does not have conventional components such as lenses above mirrors, only a waveguide is needed that is simple and without the self-focusing Light guides occurring difficulties can be produced.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebene Abbildungssystem. The invention solves this problem by what is specified in claim 1 Imaging system.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Further developments of the invention are characterized in the subclaims.

Wellenleiter gemäß der Erfindung haben den Vorteil, daß sie räumlich konstante Brechzahlen und im wesentlichen ebene Wände bzw. Grenzflächen haben können, so daß sie technisch sehr einfach herstellbar sind, beispielsweise in Schicht- oder Streifenform durch Hochvakuum-Verdampfung, durch Kathoden-Zerstäubung oder durch andere an sich bekannte Verfahren. Ein optischer Schichtleiter, der das Licht nur in der zur Schicht senkrechten Dimension führt, vermittelt eine eindimensionale optische Abbildung seiner einen Stirnfläche auf die gegenüberliegende Stirnfläche, wenn seine Abmessungen richtig gewählt sind. Ein optischer Streifenleiter, der das Licht in den beiden zur Streifenachse senkrechten Dimensionen führt, vermittelt in diesen beiden Dimensionen eine optische Abbildung seiner Stirnflächen aufeinander, wenn er einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt mit der erforderlichen Breite bzw. Höhe hat. Es sind aber auch Wellenleiter mit anderen polygonalen, z. B. dreieckigen oder sechseckigen Querschnitten möglich. Waveguides according to the invention have the advantage that they are spatial can have constant refractive indices and essentially flat walls or interfaces, so that they are technically very easy to manufacture, for example in layered or Strip shape by high vacuum evaporation, by cathode sputtering or by other methods known per se. An optical shift leader that only directs light leads in the dimension perpendicular to the layer, conveys a one-dimensional one optical image of its one end face on the opposite end face, if its dimensions are chosen correctly. An optical stripline that does that Light leads in the two dimensions perpendicular to the strip axis in these two dimensions an optical image of its end faces on top of one another, if it has a rectangular or square cross-section with the required Width or height. But there are also waveguides with other polygonal, z. B. triangular or hexagonal cross-sections are possible.

Die Bilder können aufrecht oder umgekehrt sein, vergrößert oder verkleinert, reell oder virtuell, und sie haben eine gewisse Schärfentiefe. Die laterale Auflösung ist nur durch Feinheiten des Moden-Spektrums des Wellenleiters begrenzt. Durch Korrekturmaßnahmen und Apodisation läßt sich die Punktabbildungsfunktion noch verbessern. Ein Auflösungsvermögen von zwei bis drei Wellenlängen ist möglich. Das im allgemeinen relativ kleine Gesichtsfeld eines einzelnen Wellenleiters kann durch Stapelung und Bündelung von Einzelleitern größer gemacht werden.The images can be upright or inverted, enlarged or reduced, real or virtual, and they have a certain depth of field. The lateral resolution is only limited by the subtleties of the waveguide's mode spectrum. Through corrective actions and apodization, the point mapping function can be further improved. A resolving power from two to three wavelengths is possible. The generally relatively small field of view a single waveguide can be achieved by stacking and bundling individual conductors to be made bigger.

Anwendungsmöglichkeiten für solche Abbildungssysteme ergeben sich beispielsweise bei der Bildübertragung etwa in Systemen zur optischen Bildverarbeitung, als Laser-Resonator in verschiedenen Bauformen, oder auch als Filter. Von besonderem Vorteil ist die Eignung des in kleinsten Abmessungen realisierbaren Abbildungssystems für verschiedene Zwecke der integrierten Optik. Possible applications for such imaging systems arise for example in image transmission in systems for optical image processing, as a laser resonator in various designs, or as a filter. Of special The advantage is the suitability of the imaging system that can be implemented in the smallest of dimensions for various purposes of integrated optics.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, ein vergrößerndes bzw. verkleinerndes Abbildungssystem einfach durch kontinuierliche Erweiterung oder Verjüngung des Querschnitts des Wellenleiters zu schaffen. A major advantage of the invention is the possibility of a magnifying or downsizing imaging system simply through continuous expansion or To create tapering of the cross section of the waveguide.

Das Prinzip der Bildentstehung in den hier beschriebenen Abbildungssystemen unterscheidet sich wesentlich von demjenigen in gewöhnlichen optischen Abbildungssysternen: Während in herkömmlichen Abbildungssystemen die sogenannte optische Weglänge zwischen einem Bildpunkt Pl und dem zugehörigen Objektpunkt Pi, P2 Ende, Pl für alle möglichen Lichtwege s möglichst genau gleich sein soll, ist es für die hier beschriebenen Abbildungssysteme charakteristisch, daß die optischen Weglängen entlang der verschiedenen möglichen, diskreten Lichtwege sich um ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge A unterscheiden. In dieser Hinsicht gehören die hier beschriebenen Abbildungssysteme in eine Klasse mit den Fresnel-Linsen. Wegen des Bestehens der genannten Weglängenunterschiede eignen sie sich am besten für die Abbildungen mittels monochromatischen Lichtes. Mit zunehmender spektraler Breite des abbildenden Lichtes verschlechtert sich ihre Abbildungsqualität (chromatischer Fehler). Erfindungsgemäß erfolgt die Abbildung durch eine Zerlegung des vom Objekt ausgehenden Lichtes in die Wellenfunktionen (»Moden«) des Wellenleiters, durch unabhängige Ausbreitung dieser Wellen entlang des Leiters und durch ihre anschließende phasenrichtige Zusammensetzung zum Bild. The principle of image creation in the imaging systems described here differs significantly from that in ordinary optical imaging systems: While in conventional imaging systems the so-called optical path length between an image point Pl and the associated object point Pi, P2 end, Pl for all possible Light paths s as exactly the same as possible should be, it is for the imaging systems described here characteristic that the optical path lengths along the various possible, discrete light paths differ by integer multiples of the wavelength A. In this regard, the imaging systems described here belong in a class with the Fresnel lenses. Because of the existence of the mentioned path length differences they are best suited for images using monochromatic light. As the spectral width of the imaging light increases, it deteriorates Image quality (chromatic error). The mapping takes place according to the invention by breaking down the light emanating from the object into the wave functions ("Modes") of the waveguide, through independent propagation of these waves along of the conductor and their subsequent in-phase composition to the picture.

An bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch einen dielektrischen Schichtleiter, F i g. 2 eine Anordnung zum experimentellen Nachweis der Abbildung, F i g. 3 einen dielektrischen Streifenleiter, F i g. 4 einen phasenkorrigierten Wellenleiter, F i g. 5 aus einem Stapel bzw. Bündel von Einzelleitern gebildete Wellenleiter, F i g. 6 Wellenleiter mit modifizierten Endflächen, F i g. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der Entstehung eines virtuellen Bildes, F i g. 8 einen verkürzten abbildenden Wellenleiter, F i g. 9 eine Darstellung zur Ermittlung der maximal möglichen Verkürzung eines Wellenleiters, Fig.10 einen Wellenleiter mit zur Apodisation dienenden Metallschichten, Fig. 11 und 12 Wellenleiter mit örtlich veränderlichem Querschnitt, F i g. 13 eine integrierte optische Anordnung mit einem Wellenleiter, Fig. 14 einen abbildenden akustischen Wellenleiter, Fig. 15 eine Anordnung zur Übertragung einer Submillimeterwellenstrahlung mit einem abbildenden Wellenleiter, Fig.16 und 17 Anordnungen zur Kopplung eines Lasers mit optischen Schichtleitern, Fig.18 eine Anordnung zur Kopplung von zwei Schichtleitern, Fig. 19 bis 22 verschiedene, durch einen Wellenleiter realisierte Resonatoren, F i g. 23 einen Verstärker für Zwecke der integrierten Optik und F i g. 24 ein Filter zur Trennung von zwei verschiedenen Strahlungen. The invention is explained in more detail using preferred exemplary embodiments. The drawing shows F i g. 1 shows a cross section through a dielectric layer conductor, F i g. 2 an arrangement for the experimental verification of the figure, FIG. 3 one dielectric stripline, FIG. 4 a phase corrected waveguide, F. i g. 5 waveguides formed from a stack or bundle of individual conductors, F i g. 6 waveguides with modified end faces, FIG. 7 a representation for Explanation of the creation of a virtual image, FIG. 8 an abbreviated image Waveguide, FIG. 9 shows a representation for determining the maximum possible shortening of a waveguide, FIG. 10 a waveguide with metal layers serving for apodization, 11 and 12 waveguides with a locally variable cross section, FIG. 13 a integrated optical arrangement with a waveguide, FIG. 14 an imaging acoustic waveguide, Fig. 15 shows an arrangement for transmitting sub-millimeter wave radiation with an imaging waveguide, Fig. 16 and 17 arrangements for coupling a Laser with optical layer conductors, Fig. 18 an arrangement for coupling two Layer conductors, FIGS. 19 to 22 different, implemented by a waveguide Resonators, FIG. 23 an amplifier for integrated optics purposes; and F. i g. 24 a filter to separate two different radiations.

Zunächst sollen die einfachsten Abbildungssysteme beschrieben werden. F i g. 1 zeigt im Querschnitt einen dielektrischen optischen Schichtleiter, der eine eindimensionale optische Abbildung ermöglicht Der Wellenleiter besteht aus einem bei der benutzten Licht-Wellenlänge A durchsichtigen optischen Material 13 mit der Brechzahl m. Das rechtwinklige Koordinaten-System der F i g. 1 ist mit seiner x-Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes orientiert. Die dazu senkrechte Richtung innerhalb der Zeichenebene der Fig. 1 ist die z-Richtung, und die y-Richtung steht senkrecht zur Zeichenebene. Der Wellenleiter ist in der x-Richtung begrenzt durch die beiden Flächen x= 0 und x= L, und in der z-Richtung durch die beiden Flächen z = 0 und z= Wz. Die genannten Flächen sollen möglichst optisch eben sein, d. h., ihre Abweichungen von einer idealen Ebene sollen klein sein gegen die benutzte Wellenlänge A. In der y-Richtung ist die Abmessung des Schichtleiters sehr groß gegen die Wellenlänge, z. B. 1000 bis 10 000 # oder mehr. First, the simplest imaging systems will be described. F i g. Fig. 1 shows, in cross section, a dielectric optical layer guide, the a one-dimensional optical imaging enables the waveguide consists of an optical material 13 which is transparent at the light wavelength A used with the refractive index m. The right-angled coordinate system of FIG. 1 is with his x-direction oriented parallel to the direction of propagation of the light. The perpendicular to it The direction within the plane of the drawing in FIG. 1 is the z direction and the y direction stands perpendicular to the plane of the drawing. The waveguide is limited in the x-direction through the two surfaces x = 0 and x = L, and in the z-direction through the two Surfaces z = 0 and z = Wz. The surfaces mentioned should be as optically flat as possible, i.e. H., their deviations from an ideal plane should be small compared to the wavelength used A. In the y-direction the dimension of the layer conductor is very large compared to the wavelength, z. E.g. 1000 to 10,000 # or more.

Der Schichtleiter gemäß F i g. ist auf seiner Ober-und Unterseite von zwei anderen, bei der Wellenlänge A ebenfalls durchsichtigen optischen Materialien 10, 12 der Brechzahlen n0 bzw n2 umgeben. Unter den noptischen Materialiena, soll hierbei auch der freie Raum (Vakuum) mit eingeschlossen sein, der durch die Brechzahl n = 1 gekennzeichnet ist. Damit das Licht im Leiter durch Totalreflexionen geführt werden kann, müssen die Brechzahlen no und n2 beide kleiner sein als die Brechzahl des Leitermaterials, d.h. no < n1 und m < m. Wenn diese Bedingungen für Totalreflexion nicht erfüllt sind, ist der Schichtleiter »leck«, und die erzielbare Abbildungsqualität wird schlechter. Die Abbildungseigenschaft geht jedoch nicht völlig verloren. Das gleiche gilt auch für den Fall, daß die Materialien 10 und 12 Metalle sind. Die Abmessungen der Materialien 1Q und 12 in der z-Richtung müssen, wenn sie durchsichtig sind, etwa eine Wellenlänge oder mehr betragen. Im Falle metallischer Materialien 10 und 12 genügen geringere Schichtdicken, die aber mindestens so groß sein müssen, daß die Grenzflächen n1/n0 und m/m reflektierend sind. The shift supervisor according to FIG. is on its top and bottom of two other optical materials that are also transparent at wavelength A. 10, 12 of the refractive indices n0 and n2, respectively. Among the noptic materials, should this also includes the free space (vacuum) created by the refractive index n = 1 is marked. So that the light is guided through total reflections in the conductor the refractive indices no and n2 must both be smaller than the refractive index of the conductor material, i.e. no <n1 and m <m. If these conditions for total reflection are not fulfilled, the shift supervisor is »leaky« and the image quality that can be achieved gets worse. However, the imaging property is not completely lost. That the same also applies in the event that materials 10 and 12 are metals. the Dimensions of materials 1Q and 12 in the z direction must be if they are clear are about one wavelength or more. In the case of metallic materials 10 and 12, thinner layers are sufficient, but they must be at least as large as that the interfaces n1 / n0 and m / m are reflective.

Der in F i g. 1 dargestellte Schichtleiter bewirkt eine eindimensionale Abbildung des Bereiches 0 < z < Wz der Eingangsebene x = 0 auf den entsprechenden Bereich 0 < z < Wz der Ausgangsebene x = L. Diese streifenförmigen Bereiche 0 < z < Wz spielen also die Rolle von Eintritts- und Austrittspupille des Abbildungs-Systems. The in F i g. 1 shift leader shown causes a one-dimensional Mapping of the area 0 <z <Wz of the input level x = 0 on the corresponding Area 0 <z <Wz of the starting level x = L. This strip-shaped areas 0 <z <Wz thus play the role of the entrance and exit pupils of the Imaging system.

Wie noch begründet werden wird, ist die Abbildung nur dann scharf, wenn die Abmessungen des Schichtleiters der Beziehung genügen L . # = 4 h2n1Weq.z² (1) Hierin ist h7 = 1, 2, 3, 4,...eine ganze Zahl, die Größe Weq.z ist eine äquivalente Schichtdicke. Sie ist die Dicke eines optischen Schichtleiters mit ideal metallisch reflektierenden Wänden, dessen mögliche elektromagnetische Feldverteilungen (Moden) im Bereich 0 < z < Wz mit denen des gegebenen realen Schichtleiters übereinstimmen. Wegen des sogenannten »Goos-Hähnchen-Effektes« ist die äquivalente Schichtdicke im Falle des totalreflektierenden Schichtleiters (n0 < n1 und 112 < m) geringfügig größer als die geometrische Dicke W des Schichtleiters und hängt außerdem sehr geringfügig von der Polarisation des abbildenden Lichtes ab. Ist das Licht mit dem elektrischen Vektor senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 polarisiert (sogenannte TE-Polarisation), so gilt Weq,z = + (i/2 ) [(n1² - n0²)-½ + (n2i - n22)112] (2) Ist das Licht dagegen mit dem magnetischen Vektor senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 1 polarisiert (sogenannte TM-Polarisation), so gilt Weq.z = W + (#/2 # n1²)[n0²(n1² - n0²) ½ + n2²(n1² - n2²)-½]. (3) In solchen Fällen, in denen no oder m größer als m sind, kann man die äquivalente Schichtdicke immer noch aus den Gleichungen (2) und (3) berechnen, wenn die dann auftretenden imaginären Ausdrücke einfach gestrichen werden. As will be explained later, the image is only sharp if if the dimensions of the shift leader satisfy the relationship L. # = 4 h2n1Weq.z² (1) Here h7 = 1, 2, 3, 4, ... is an integer, the quantity Weq.z is an equivalent one Layer thickness. It is the thickness of an optical layer conductor with ideally metallic reflecting walls, their possible electromagnetic field distributions (modes) match those of the given real shift supervisor in the range 0 <z <Wz. Because of the so-called "goos chicken effect" is the equivalent layer thickness in the case of the totally reflective layer conductor (n0 <n1 and 112 <m) slightly greater than the geometric thickness W of the layer conductor and also hangs very slightly on the polarization of the imaging light. Is the light with the electric Vector polarized perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 (so-called TE polarization), then Weq, z = + (i / 2) [(n1² - n0²) -½ + (n2i - n22) 112] (2) If the light is against it with the magnetic vector perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 polarized (so-called TM polarization), then Weq.z = W + (# / 2 # n1²) [n0² (n1² - n0²) ½ + n2² (n1² - n2²) -½]. (3) In cases in which no or m are greater than m, one can still find the equivalent layer thickness from equations (2) and (3) calculate if the imaginary expressions that occur are simply deleted.

Zur Erläuterung der eindimensionalen Abbildung wird ebenfalls auf Fig. 1 verwiesen. Der Abbildungsmaßstab des dort gezeigten Schichtleiters ist 1:1. Das von der Eingangsebene x = 0 auf die Ausgangsebene x= W entworfene Bild ist aufrecht, wenn hz in Gleichung (1) eine gerade Zahl ist. Für ungerade hz ist das Bild dagegen umgekehrt. For an explanation of the one-dimensional mapping, see also Fig. 1 referenced. The image scale of the shift supervisor shown there is 1: 1. The image drawn from the input plane x = 0 to the output plane x = W is upright, when hz in equation (1) is an even number. The picture is on the other hand for odd Hz vice versa.

Die Abbildung ist eindimensional, denn der Schichtleiter führt das Licht nur in der z-Richtung durch Reflexionen an den Grenzflächen n/no und nl/n2. in der y-Richtung sind die Seitenwände des Schichtleiters so weit entfernt, daß das Licht sie praktisch nicht erreicht. The mapping is one-dimensional because the shift supervisor does it Light only in the z-direction through reflections at the interfaces n / no and nl / n2. in the y-direction the side walls of the layer conductor are so far away that the light practically does not reach them.

In dieser Richtung erfolgt damit keine Führung und auch keine Abbildung. Von einem Objekt, das sich in der Eingangsebene x = 0 befindet und das von links beleuchtet wird, wird daher nur die Struktur entlang der z-Richtung abgebildet. Strukturen des Objektes entlang der y-Richtung werden bei der eindimensionalen Abbildung nicht wiedergegeben.There is thus no guidance and no mapping in this direction. From an object that is in the input level x = 0 and that from the left is illuminated, therefore only the structure is imaged along the z-direction. Structures of the object along the y-direction become in the one-dimensional mapping not reproduced.

Zur Illustration der Gleichungen (1) bis (3) sei ein Schichtleiter betrachtet, der beispielsweise aus einer Flüssigkeit mit der Brechzahl n1 = 1,500 besteht, die eingeschlossen ist zwischen zwei gleichgroßen, polierten Platten aus geschmolzenem Quarz, no = n2 = 1,457. A shift supervisor is used to illustrate equations (1) to (3) considered, for example, from a liquid with the refractive index n1 = 1.500 which is enclosed between two polished plates of equal size fused quartz, no = n2 = 1.457.

Die Schichtdicke sei Wz = 50 um und die Wellenlänge des abbildenden Lichtes A = 633 nm. Mit den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich die äquivalente Schichtdicke dieses Systems zu Weq.z = 50,70 um bei TE-Polarisation und Wzq'z = 50,66 um bei TM-Polarisation. Die für eine Abbildung nach Gleichung (1) erforderliche Länge des Schichtleiters ist angenähert L = 24,4 mm bei TE-Polarisation und L = 24,3 mm bei TM-Polarisation. Diese Längen sind die kürzesten Leiterlängen, die noch eine Abbildung ermöglichen (hZ = 1). Für jedes ganzzahlige Vielfache dieser Längen erhält man aber ebenfalls scharfe Abbildungen.The layer thickness is Wz = 50 μm and the wavelength of the imaging Light A = 633 nm. Equations (2) and (3) give the equivalent Layer thickness of this system at Weq.z = 50.70 µm with TE polarization and Wzq'z = 50.66 around at TM polarization. The one required for a mapping according to equation (1) The length of the layer conductor is approximately L = 24.4 mm with TE polarization and L = 24.3 mm with TM polarization. These lengths are the shortest conductor lengths left enable a mapping (hZ = 1). For any integer multiple of these lengths but you also get sharp images.

Ein experimenteller Nachweis der Abbildung ist mit der in Fig.2 dargestellten Anordnung möglich. Bei einem Schichtleiter gemäß F i g. 1 wurde in der Eingangsebene x = 0 ein Spalt von z. B. 4 um Breite (in einer Chromschicht auf einem Glasträger) angebracht, dessen Kanten parallel zur y-Richtung lagen. Der Spalt wurde von links mit dem roten Licht eines HeNe-Lasers (Aw = 633 nm) beleuchtet. Die Ausgangsebene x = L = 24 mm wurde mit einem Mikroskop-Deckglas bedeckt, damit hier, am Ende der Flüssigkeitsschicht, eine Fläche von optischer Qualität vorhanden war. Die Ausgangsebene konnte durch ein Mikroskop beobachtet werden. Durch kleine Korrekturen der Schichtdicke W mittels einer Druckschraube konnte dann in der Ausgangsebene ein scharfes, umgekehrtes, reelles Bild des Spaltes in natürlicher Größe erhalten werden. Daß es sich hierbei um eine echte Abbildung handelte, zeigt sich unter anderem durch Verwendung mehrerer, verschieden weiter Spalte (3 bis 50 ,um) bei x = 0. In jedem Falle hatte das Bild dieselbe Größe wie das Original. Wurde der Spalt in der Eingangsebene in der z-Richtung auf und ab bewegt, so bewegte sich das Bild in der Ausgangsebene in der umgekehrten Richtung. An experimental proof of the figure is shown in Figure 2 Arrangement possible. In the case of a shift supervisor according to FIG. 1 was in the entrance level x = 0 a gap of e.g. B. 4 µm width (in a chrome layer on a glass substrate) attached, the edges of which were parallel to the y-direction. The gap was from the left illuminated with the red light of a HeNe laser (Aw = 633 nm). The starting level x = L = 24 mm was covered with a microscope cover slip, so here, at the end of the Liquid layer, an area of optical quality was present. The starting level could be observed through a microscope. By making small corrections to the layer thickness W by means of a pressure screw could then in the starting plane a sharp, inverted, real picture of the gap in natural size can be obtained. That it is here was a real image, is shown, among other things, by the use of several, gaps of different widths (3 to 50 μm) at x = 0. In each case the picture had same size as the original. The gap became in the entrance plane in the z-direction moved up and down, the image in the initial plane moved in the opposite direction Direction.

In einem weiteren Versuch wurde die Schichtdicke Wz der Flüssigkeitsschicht, die durch dünne Metallbleche zwischen den Quarzplatten definiert war, von W= 50 um auf W= 35,7 um herabgesetzt, bei unveränderter Länge L = 24 mm der Schicht. Für die neue Schichtdicke ist die Gleichung (1) mit hz = 2 erfüllt. Es ergab sich wieder ein scharfes Bild, das jetzt aber aufrecht war: Es bewegte sich in derselben Richtung auf und ab wie der Spalt selbst. Bei allen diesen Beobachtungen stand ein rotierender Diffusor in dem Laserstrahl zwischen Laser und Spalt, um die störende Fleckigkeit (»speckle«) der im Mikroskop beobachteten Bilder zu vermeiden. Ferner befand sich vor dem Spalte auch noch ein Polarisator, mit dem das Licht wahlweise TE- oder TM-polarisiert werden konnte. Es zeigt sich, daß die Einstellungen der Schichtdicke für optimale Schärfe des Spaltbildes bei den beiden Polarisationsrichtungen etwas verschieden waren, entsprechend dem Unterschied zwischen den Gleichungen (2) und (3). In a further experiment, the layer thickness Wz of the liquid layer, through thin metal sheets defined between the quartz plates was reduced from W = 50 µm to W = 35.7 µm, with the length L = 24 mm unchanged the shift. For the new layer thickness, equation (1) is fulfilled with hz = 2. The image was sharp again, but it was now upright: it was moving up and down in the same direction as the gap itself. In all these observations stood a rotating diffuser in the laser beam between the laser and the gap, around the to avoid disturbing speckles in the images observed under the microscope. There was also a polarizer in front of the column, with which the light was optionally available Could be TE or TM polarized. It turns out that the settings of the Layer thickness for optimal sharpness of the slit image in both directions of polarization were slightly different according to the difference between equations (2) and (3).

Die genaue Erfüllung der Gleichung (1) ist für eine scharfe Abbildung wesentlich. Aus diesem Grunde benötigt man praktisch irgendeine Möglichkeit, eine oder mehrere der in Gleichung (1) eingehenden Größen so zu verändern, daß die Gleichung (1) genau erfüllt ist. The exact fulfillment of equation (1) is for a sharp image essential. For this reason, practically some way of getting a or to change several of the quantities in equation (1) so that the equation (1) is exactly fulfilled.

In dem vorstehend beschriebenen Experiment mit der Flüssigkeitsschicht wurde die Schichtdicke W justiert, indem der Abstand der Quarzplatten mittels einer Druckschraube geringfügig verändert wurde. Andere Möglichkeiten zur Scharf-Einstellung der Abbildung bestehen darin, den Brechungsindex nl der Schicht zu verändern, z. B. durch Änderung der Temperatur oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Eine weitere Möglichkeit ist auch die Variation der Wellenlänge A.In the experiment described above with the liquid layer the layer thickness W was adjusted by adjusting the distance between the quartz plates by means of a Pressure screw has been changed slightly. Other options for setting the focus the figure consist in changing the refractive index nl of the layer, e.g. B. by changing the temperature or by applying an electric field. One Another possibility is to vary the wavelength A.

Das oben für den Schichtleiter beschriebene Prinzip der Wellenführung und Abbildung in der z-Richtung kann ohne weiteres auch auf die y-Richtung angewandt werden. Man erhält dann einen optischen Streifenleiter von im allgemeinen rechteckigem Querschnitt, der bei richtiger Wahl der Abmessungen eine 2-dimensionale Abbildung leistet. Ein solcher dielektrischer Streifenleiter ist in F i g. 3 dargestellt. Beim dicken, rechteckigen Streifenleiter erfolgt die Wellenführung in den y- und z-Richtungen nahezu unabhängig voneinander. Daher muß für eine scharfe Abbildung zusätzlich zur Gleichung (1) noch eine entsprechende Abbildungsbedingung für die y-Richtung erfüllt sein: L)=4hyfl1W2qy. (4) Die hierin auftretende äquivalente Streifenbreite Wzq,y berechnet sich analog zu Gleichung (2) und (3) aus der geometrischen Breite Wy des Streifens. An Stelle von no und m sind dabei aber die Brechzahlen n3 und n4 der Materialien zu beiden Seiten des Streifens (F i g. 3) zu verwenden. The wave guide principle described above for the shift supervisor and mapping in the z-direction can easily be applied to the y-direction as well will. An optical stripline of generally rectangular shape is then obtained Cross-section which, with the correct choice of dimensions, produces a 2-dimensional image perform. Such a dielectric stripline is shown in FIG. 3 shown. With the thick, rectangular stripline, the waveguide is in the y and z-directions almost independent of each other. Therefore must for a sharp image in addition to equation (1), a corresponding mapping condition for the y-direction must be fulfilled: L) = 4hyfl1W2qy. (4) The equivalent stripe width occurring herein Wzq, y is calculated analogously to equations (2) and (3) from the geometric width Wy of the strip. Instead of no and m, however, there are the refractive indices n3 and Use n4 of the materials on either side of the strip (Fig. 3).

Die Abbildung erzeugt wieder ein reelles Bild der Eingangsebene x = 0 in der Ausgangsebene x = L. Die Bildfeldgröße ist Wyx Wz. Die Abbildung erfolgt im Maßstab 1:1. Sie ist aufrecht, wenn hy und hZ beide gerade Zahlen sind. Andernfalls ist die Abbildung in einer oder beiden Koordinatenrichtungen seitenverkehrt. Die einfachste Form eines zweidimensional abbildenden Wellenleiters hat quadratischen Querschnitt, d. h. Wy = Wz. Dann gilt natürlich auch hy = hz und das Bild ist entweder aufrecht (bei geradem hy = hz) oder umgekehrt (bei ungeradem hy = hz). The image again generates a real image of the input plane x = 0 in the initial plane x = L. The image field size is Wyx Wz. The mapping takes place on a scale of 1: 1. It is erect when hy and hZ are both even numbers. Otherwise the image is reversed in one or both coordinate directions. the The simplest form of a two-dimensional imaging waveguide is square Cross section, d. H. Wy = Wz. Then of course hy = hz also applies and the image is either upright (with even hy = hz) or vice versa (with odd hy = hz).

Es sollen nun die Abbildungsbedingungen gemäß Gleichungen (1) bis (3) theoretisch hergeleitet werden sowie Angaben über das erzielbare Auflösungsvermögen und die zulässigen Toleranzen der Wellenleiter gemacht werden. Der Einfachheit halber wird hier nur der 1 -dimensional abbildende, symmetrische (no = n2) Schichtleiter ausführlicher betrachtet. The imaging conditions according to equations (1) to (3) can be derived theoretically as well as information about the achievable resolution and the permissible tolerances of the waveguides be made. For the sake of simplicity only the 1-dimensional imaging, symmetrical (no = n2) shift leader is used here considered in more detail.

Es ist bekannt, daß das elektromagnetische Feld in einem Schichtleiter dargestellt werden kann als Überlagerung einer Anzahl von Moden: V(x,z) = E a", F", (z) exp (itj,,,x). (5) Im Falle der TE-Polarisation bedeutet V die y-Komponente des elektrischen Feldes, bei TM-Polarisation ist Vdie y-Komponente des magnetischen Feldes. It is known that the electromagnetic field in a shift conductor can be represented as a superposition of a number of modes: V (x, z) = E a ", F ", (z) exp (itj ,,, x). (5) In the case of TE polarization, V means the y component of the electric field, with TM polarization V is the y component of the magnetic Field.

Die Größen am sind Amplitudenfaktoren, Fm (z) sind die normierten, reellen Feldverteilungen der Moden, und Bm sind ihre Ausbreitungskonstanten. Ein Zeitfaktor exp(- iwt) ist zu allen Feldgrößen hinzuzudenken.The quantities am are amplitude factors, Fm (z) are the normalized, real field distributions of the modes, and Bm are their propagation constants. A Time factor exp (- iwt) should be added to all field sizes.

Es sei eine gewissen Feldverteilung Vo (z) in der Eingangsebene x= 0 des Schichtleiters gegeben, die daher rührt, daß ein Objekt in diese Ebene gebracht und von links mit einer polarisierten monochromatischen Lichtquelle beleuchtet wird. Dies Feld Vo (z) regt die im Wellenleiter ausbreitungsfähigen Moden an. Ihre Amplituden sind a,,, =f VO(z) F",(z) dz, (6) und sie breiten sich, unabhängig voneinander, gemäß Gleichung (5) entlang des Wellenleiters aus. Für die Ebene x = L ergibt sich Hier ist also angenommen, daß alle Moden von m = 0 bis zu einer maximalen Moden-Nummer m = M angeregt und ausbreitungsfähig sind. Aus Gleichung (8) kann man erkennen, daß eine Abbildung der Ebene x= O in die Ebene x= L jedenfalls dann stattfindet, wenn für alle angeregten Moden gleichzeitig gilt exp [iL(ßin, - fl0)] = 1 . (8) Unter dieser Bedingung interferieren nämlich die Felder der Moden bei x= L in genau der gleichen Weise wie in der Objektebene x = 0. Der allen Moden gemeinsame Faktor exp(ißoL) in Gleichung (7) ist dabei bedeutungslos (er gibt die zeitliche Phasenlage des Bildes relativ zum Objekt an). Unter der Bedingung der Gleichung (8) ist die Abbildung aufrecht und hat natürliche Größe.Let there be a certain field distribution Vo (z) in the input plane x = 0 of the layer conductor, which is due to the fact that an object is brought into this plane and illuminated from the left with a polarized monochromatic light source. This field Vo (z) excites the modes capable of propagation in the waveguide. Their amplitudes are a ,,, = f VO (z) F ", (z) dz, (6) and they propagate independently of one another according to equation (5) along the waveguide. For the plane x = L results It is assumed here that all modes from m = 0 up to a maximum mode number m = M are excited and capable of propagation. From equation (8) one can see that a mapping of the plane x = O into the plane x = L always takes place when exp [iL (ßin, - fl0)] = 1 applies to all excited modes at the same time. (8) Under this condition the fields of the modes interfere at x = L in exactly the same way as in the object plane x = 0. The factor exp (ißoL) in equation (7), which is common to all modes, is meaningless (it gives the temporal phase position of the image relative to the object). Under the condition of equation (8), the figure is erect and natural in size.

Ehe bewiesen wird, daß die Gleichung (8) für einen Schichtleiter erfüllbar sind, soll noch gezeigt werden, daß auch die Erfüllung eines anderen Satzes von Bedingungen exp [iL(p1,1 - 1J0)] = (-1)"' (9) durch die angeregten Moden m = 0 ... M eine Abbildung ergibt, und zwar eine umgekehrte und in natürlicher Größe. Dies folgt aus dem Symmetriecharakter der Moden eines Schichtleiters. In den üblichen Darstellungen der TEm-und TMm-Moden eines symmetrischen Schichtleiters (no = n2) haben die Felder Fm(z) mit gerader Moden-Nummer m gerade Symmetrie bezüglich der Mittelebene der Schicht, und die Felder mit ungerader Moden-Nummer m haben ungerade Symmetrie: F",(z) = (-1)m Fm(W2 - z). (10) Durch Einsetzen dieser Beziehung in Gleichung (7) folgt dann, daß unter der Bedingung der Gleichung (9) V(L,z) = V(0, Wz - z) (11) gilt, d. h., daß eine umkehrende Abbildung vorliegt. Before proving that equation (8) applies to a shift supervisor can be fulfilled, we shall show that the fulfillment of another proposition of conditions exp [iL (p1,1-1J0)] = (-1) "'(9) by the excited modes m = 0 ... M results in an image, namely an inverted one and in natural size. This follows from the symmetry character of the modes of a shift supervisor. In the usual Representations of the TEm and TMm modes of a symmetrical shift leader (no = n2) the fields Fm (z) with an even mode number m have even symmetry with respect to the Median plane of the layer, and the fields with odd mode number m have odd symmetry: F ", (z) = (-1) m Fm (W2 - z). (10) By substituting this The relation in equation (7) then follows that under the condition of equation (9) V (L, z) = V (0, Wz - z) (11) holds, i.e. that is, there is an inverted mapping.

Die Erfüllbarkeit der Bedingungen in Gleichung (8) und (9) für einen Schichtleiter mit räumlich konstanter Brechzahl m wird aus seiner Dispersionsgleichung hergeleitet: xmWz = 2#m + m#. (12) Hierin ist m = 0, 1, 2,... die Moden Nummer, die identisch ist mit der Zahl paralleler Knotenebenen der Modenfunktion Fm(z), und xm = = (k2 2 ~ /,,2 1/2 (13) die transversale Komponente des Ausbreitungsvektors in einer Schichtleiter-Theorie mit zickzacklaufenden ebenen Wellen, und (-2#m) ist die Reflexionsphase dieser Wellen an der Grenzfläche ni/no. Ferner ist k = 2#/# die Ausbreitungskonstante des Lichtes im Vakuum. Mit Einführung eines Polarisationsindexes a (für TE-Polarisation: o = 0, für TM Polarisation ol = 1) läßt sich die Reflexionsphase zum ausdrücken als #m = arctan [(n1/n0)2#(ßm² - k²n0²)½/xm]. (14) In einem nicht zu dünnen Schichtleiter mit vielen Moden liegen die Phasen #m der meisten Moden nahe bei #m # #/2. Deshalb wird die rechte Seite von Gleichung (14) in eine Reihe entwickelt #m = #/2 - D10 x + höhere Glieder. (15) Für alle Moden mit nicht zu hoher Moden-Nummer gilt dabei (mit ßm = kn;) Dlo = k (n0/n1)2#(n1² - n20)112. (16) Nach Einsetzen von Gleichung (15) in die Dispersionsgleichung (12) erhält man bei Vernachlässigung der höheren Glieder von Gleichung (15) = (m + 1) #/II eq.z, (17) wobei hier die äquivalente Dicke eingeführt wurde als Weq.z = Wz + 2 D10. (18) Schließlich ergibt sich aus den Gleichungen (17) und (13) nach einigen Umformungen, wobei noch (ß0+ßm) # 2km gesetzt wird, die Phasenlage #m der m-ten Mode, bezogen auf die Grundmode (m = 0) zu #m = (#m - ß0)L = -#(m² + 2m)[L#/4 n1 Weq.z] (19) Aus dieser Beziehung folgt dann direkt die Gültigkeit der Bedingungen der Gleichungen (8) und (9) beim Schichtleiter, vorausgesetzt allerdings, daß die eckige Klammer in Gleichung (19) einer ganzen Zahl hz gleich ist. Die letztere Voraussetzung ist aber die schon in Gleichung (1) behauptete Abbildungsbedingung, die damit bewiesen ist. Die idealen Phasenlagen der Moden sind hiernach Tm = -(m² + 2m)h2#. (20) Um die Qualität der Abbildung mittels eines Schichtleiters zu beurteilen, wird ein unendlich dünnes Objekt bei z = zo in der Objektebene x = 0 angenommen, und die resultierende Lichtverteilung des Bildes bei x = L berechnet. Dazu wird Vo (z) = # (z-zo) gesetzt, wobei # die sogenannte Delta-Funktion bezeichnet. The feasibility of the conditions in equations (8) and (9) for a Layer leader with spatially constant refractive index m is derived from his dispersion equation derived: xmWz = 2 # m + m #. (12) Here m = 0, 1, 2, ... is the mode number, which is identical to the number of parallel nodal planes of the mode function Fm (z), and xm = = (k2 2 ~ / ,, 2 1/2 (13) the transverse component of the propagation vector in a shift leader theory with zigzag plane waves, and (-2 # m) is the reflection phase of these waves at the interface ni / no. Furthermore, k = 2 # / # the constant of propagation of light in a vacuum. With the introduction of a polarization index a (for TE polarization: o = 0, for TM polarization ol = 1) the reflection phase to be expressed as #m = arctan [(n1 / n0) 2 # (ßm² - k²n0²) ½ / xm]. (14) Not in one Phases #m of most modes are too thin layer conductors with many modes near #m # # / 2. Therefore, the right hand side of equation (14) becomes a series develops #m = # / 2 - D10 x + higher terms. (15) For all fashions with not too high The mode number applies (with ßm = kn;) Dlo = k (n0 / n1) 2 # (n1² - n20) 112. (16) After Substituting equation (15) into dispersion equation (12) is obtained if it is neglected of the higher terms of equation (15) = (m + 1) # / II eq.z, (17) where here the equivalent Thickness was introduced as Weq.z = Wz + 2 D10. (18) Finally, it follows from the equations (17) and (13) after some transformations, where still (ß0 + ßm) # 2km is set, the phase position #m of the m-th mode, based on the basic mode (m = 0) to #m = (#m - ß0) L = - # (m² + 2m) [L # / 4 n1 Weq.z] (19) It follows from this relation then directly the validity of the conditions of equations (8) and (9) for the shift supervisor, provided, however, that the square brackets in equation (19) are a whole Number hz is equal. The latter requirement, however, is already in equation (1) asserted imaging condition that is thus proven. The ideal phase positions the modes are Tm = - (m² + 2m) h2 #. (20) To improve the quality of the image by means of a shift supervisor becomes an infinitely thin object at z = zo assumed in the object plane x = 0, and the resulting light distribution of the image calculated at x = L. For this purpose Vo (z) = # (z-zo) is set, where # is the so-called Called delta function.

Nach Gleichung (6) werden die Amplituden am = Fm(zo), und es ergibt sich nach Gleichung (7) das Bild Hierbei ist Gültigkeit von Gleichung (8) angenommen worden, und der Phasenfaktor exp(ißoL) wurde ausgelassen. Zur Auswertung wurden die Modenfunktionen des Schichtleiters in einer Form benutzt, die den im vorigen Abschnitt gemachten Näherungen entspricht.According to equation (6), the amplitudes am = Fm (zo), and the image results from equation (7) Here, equation (8) has been assumed to be valid, and the phase factor exp (ißoL) has been omitted. For the evaluation, the mode functions of the shift supervisor were used in a form that corresponds to the approximations made in the previous section.

Zur Vereinfachung wird hier auch noch der Unterschied zwischen der geometrischen Dicke Wz und der äquivalenten Dicke Wzq'z vernachlässigt. (Der Index »z« oder »eq,z« bei W wird daher im folgenden häufig weggelassen.) Für Schichtleiter mit vielen Moden bleiben die erhaltenen Ergebnisse aber dennoch qualitativ richtig. Mit xm aus Gleichung (17) lauten die Modenfunktionen explizit F",(z) = 21/2 sin xmz. (22) und die Auswertung der Summe in Gleichung (21) liefert die Amplitudenverteilung sin [(2M + 1) #(z - z0)/2 W] 1 sin [(2M + 1) # (z + z0)/2 W] S (z, L) = ½ - ½ (23) sin [#(z - z0)/2 W] sin [# (z + z0)/2 W] Außer wenn z oder zo in unmittelbarer Nähe der Grenzflächen z = 0 und z = Wder Schicht liegen, kann man hier das 2. Glied auf der rechten Seite vernachlässigen. Das erste Glied zeigt dann, daß die Lichtverteilung im Bild nur vom Abstande (z- zo) von der Bildmitte 20 abhängt, nicht aber von der absoluten Position 20 des Bildes. Dies Verhalten wurde auch experimentell beobachtet. Die volle Halbwertsbreite r der Intensitäts- verteilung l V(z,L) 12 ist etwa r= WIM. (24) Diese Breite hat zugleich die Bedeutung eines räumlichen Auflösungsvermögens für den Schichtleiter als Abbildungssystem: Zwei Objektpunkte ergeben nur dann getrennt erkennbare Bilder, wenn ihr Abstand mindestens den Wert r hat. Die Aussage der Gleichung (24) ist daher auch, daß die Maximalzahl auflösbarer Punkte gleich der Zahl Mder zur Abbildung betragenen Moden des Wellenleiters ist.For the sake of simplicity, the difference between the geometric thickness Wz and the equivalent thickness Wzq'z are neglected. (The index "Z" or "eq, z" in W is therefore often left out in the following.) For shift supervisors with many modes, however, the results obtained remain qualitatively correct. With xm from equation (17) the mode functions are explicitly F ", (z) = 21/2 sin xmz. (22) and the evaluation of the sum in equation (21) yields the amplitude distribution sin [(2M + 1) # (z - z0) / 2 W] 1 sin [(2M + 1) # (z + z0) / 2 W] S (z, L) = ½ - ½ (23) sin [# (z - z0) / 2 W] sin [# (z + z0) / 2 W] Except when z or zo are in the immediate vicinity of the interfaces z = 0 and z = W of the layer, you can add the 2nd link here neglect the right side. The first link then shows that the light distribution in the image depends only on the distance (z- zo) from the image center 20, but not on the absolute position 20 of the image. This behavior has also been observed experimentally. The full half-width r of the intensity distribution l V (z, L) 12 is roughly r = WIM. (24) This width also has the meaning of a spatial resolution for the shift supervisor as an imaging system: Two object points only result separately recognizable images if their distance is at least r. The statement of the equation (24) is therefore also that the maximum number of solvable points is equal to the number of Mder zur Figure is the amount of modes of the waveguide.

Aus der Beziehung r = W/Mfolgt, daß die Auflösung um so besser wird, je mehr Moden Mkonstruktiv zu der Abbildung betragen. From the relation r = W / M it follows that the resolution is the better, the more modes M constructive to the mapping.

Diese Zahl M der beitragenden Moden ist durch verschiedene Faktoren begrenzt: a) Die Zahl M kann nicht höher sein als die Zahl Mo der überhaupt ausbreitungsfähigen Moden des Schichtleiters. Um Mo groß zu halten, dürfen die Brechzahl-Unterschiede (ni - no) und (nt - n2) nicht zu klein sein, und es soll W> A sein. b) Die Herleitung der Abbildungsbedingungen geschah unter mehreren Vernachlässigungen, z.B. This number M of contributing modes is due to various factors limited: a) The number M cannot be higher than the number Mo of those capable of spreading at all Modes of the shift supervisor. In order to keep Mo large, the refractive index differences are allowed (ni - no) and (nt - n2) should not be too small, and W> A should be. b) The derivation the imaging conditions happened under several neglects, e.g.

Weglassen der höheren Glieder in Gleichung (15). Omission of the higher terms in equation (15).

Die Auswirkung dieser Vernachlässigungen ist sehr gering bei den Moden mit niedriger Nummer (m < Mb), aber sie kann bei höheren m rasch zunehmen. Für die höchsten der nach (a) möglichen Moden weichen die tatsächlichen Phasenanlagen ç>m im allgemeinen sogar erheblich von dem in Gleichung (20) gegebenen Idealwert ab. Diese höchsten Moden tragen daher nicht zur Verbesserung der Bildqualität bei, sondern bewirken eine unerwünschte Verminderung der Helligkeitskontraste und können sogar falsche Strukturen im Bild erzeugen. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn M deutlich kleiner ist als Mo, beispielsweise M< Mo/2. Dies zeigt wieder den Vorteil einer hohen Gesamtzahl Mo möglicher Moden. Die notwendige Begrenzung von M kann praktisch dadurch erfolgen, daß die Apertur der Beleuchtungsoptik begrenzt wird. The impact of these neglects is very little on the Modes with low number (m <Mb), but it can increase rapidly at higher m. The actual phase systems give way for the highest of the modes possible according to (a) ç> m in general even differs considerably from the ideal value given in equation (20) away. These highest modes therefore do not contribute to the improvement of the image quality, but cause an undesirable reduction in brightness contrasts and can even create wrong structures in the picture. For this reason it is advantageous to if M is significantly smaller than Mo, for example M <Mo / 2. This shows again the advantage of a high total number Mo of possible modes. The necessary limitation of M can practically take place in that the aperture of the illumination optics is limited will.

Abgesehen davon, ist es jedoch auch möglich, den Einfluß der obenerwähnten Vernachlässigungen durch konstruktive Maßnahmen herabzumindern. Apart from this, however, it is also possible to exert the influence of the above To reduce neglect through constructive measures.

Diese Vernachlässigungen haben nämlich teilweise entgegengesetzte Einflüsse auf die Phasen 1pm. These neglects are partly opposite Influences on the phases 1pm.

Daher kann man im Prinzip durch Variation der Brechzahlen n0 und n2, der Dicke Wz und eventuell der Polarisation die Phasen #m für eine möglichst große Zahl von Moden nahezu gleich den Idealwerten Gleichung (20) machen. Bei dieser Optimierung muß natürlich die Dispersionsgleichung (12) für alle Moden exakt (numerisch) gelöst werden. Eine noch weitergehende Reduzierung der Phasenabweichungen und eine damit einhergehende Verbesserung der Bildqualität kann erzielt werden durch Anbringen einer oder mehrerer dünner, dielektrischer Zwischenschichten zwischen dem Material ni des Schichtleiters und den angrenzenden Medien der Brechzahlen n0 und n2. Therefore, in principle, by varying the refractive indices n0 and n2, the thickness Wz and possibly the polarization the phases #m for a possible make a large number of modes nearly equal to the ideal values of equation (20). At this Optimization must of course be the dispersion equation (12) for all modes exactly (numerically) be solved. An even further reduction in phase deviations and a associated improvement in image quality can be achieved by attachment one or more thin, dielectric interlayers between the material ni of the shift supervisor and the adjacent media with refractive indices n0 and n2.

In Fig. 4 ist ein Wellenleiter mit phasenkorrigierenden dünnen Schichten 41 aus dielektrischem Material dargestellt. c) Für ein gegebenen Abbildungssystem sind die Abweichungen der Phasen zum vom Idealwert am geringsten bei Benutzung der kleinstmöglichen Zahl hz, also für hz = 1 oder 2. In den Bildern höherer Ordnung (hz >= 3) sind die Phasenfehler der Moden entsprechend größer, und die Bildqualität ist schlechter. d) Nicht zuletzt ist die Anzahl M der zur Abbildung beitragenden Moden begrenzt durch die Toleranzen der in die Abbildungsgleichung (1) eingehenden Größen L, #1 W no, n1, n2. Diese Toleranzen bewirken, daß der dem hz entsprechende Ausdruck in Gleichung (19) praktisch nicht exakt ganzzahlig ist. Wenn die daraus resultierende Abweichung einer Phase #m den Wert #/2 erreicht, hört die betreffende Mode auf, noch konstruktiv zur Bildentstehung beizutragen. Alle höheren Moden tragen dann natürlich erst recht nichts mehr bei. In Fig. 4 is a waveguide with phase correcting thin layers 41 made of dielectric material. c) For a given imaging system the deviations of the phases from the ideal value are smallest when using the smallest possible number hz, i.e. for hz = 1 or 2. In the higher-order images (hz> = 3) the phase errors of the modes are correspondingly larger, and the image quality is correspondingly larger is worse. d) Last but not least, the number M is the contributing factor Modes limited by the tolerances in the mapping equation (1) Sizes L, # 1 W no, n1, n2. These tolerances have the effect that the corresponding to the hz expression in equation (19) is practically not exactly an integer. If the out of it resulting deviation of a phase #m reaches the value # / 2, the relevant hears Fashion to contribute constructively to the creation of the image. Wear all higher fashions then of course nothing more.

Hiernach ergibt sich für eine Abbildung, zu den M Moden noch beitragen sollen, daß die relativen Abweichungen #L/L, ##/#, 2#W/W von den der Gleichung (1) genügenden theoretischen Werten sämtlich klein sein müssen gegen 1/2 hz(M2 + 2A«). This results in a mapping to which M modes still contribute should that the relative deviations # L / L, ## / #, 2 # W / W from the equation (1) sufficient theoretical values must all be small against 1/2 hz (M2 + 2A «).

Die Brechzahl m geht auf zweifache Weise in die Abbildungsbedingung Gleichung (1) ein, nämlich einmal direkt, zum anderen indirekt über Wegen. Da die letztere Größe mit wachsendem n1 stetig abnimmt, gibt es für gegebene Materialien no und m stets eine ganz bestimmte Brechzahl ni, bei der die Abbildungsbedingung nach Gleichung (1) unempfindlich wird gegenüber kleinen Schwankungen von nl. Diese ausgezeichnete Brechzahl kann ermittelt werden aus der Bedingung #(n1Weq.z)/#n1 = 0. The refractive index m goes into the imaging condition in two ways Equation (1), namely on the one hand directly, on the other hand indirectly via paths. Since the the latter quantity, which decreases steadily with increasing n1, exists for given materials no and m always have a very specific refractive index ni, for which the imaging condition according to equation (1) is insensitive to small fluctuations of nl. These Excellent refractive index can be determined from the condition # (n1Weq.z) / # n1 = 0.

Wählt man nl = m, so wird eine einmal scharf eingestellte Abbildung auch bei kleinen Änderungen von m scharf bleiben. Auf Grund der beiden obenerwähnten gegenläufigen Einflüsse von nl auf Gleichung (1) ist es in entsprechender Weise sogar möglich, durch geeignete Wahl der Brechzahl m kleinere temperaturbedingte Änderungen von L, W und ni gegeneinander zu kompensieren. Die Bedingung für eine solche temperaturkompensierte Abbildung lautet ö(fl2We2qjL)(DT = 0. e) Schließlich ist noch zu bemerken, daß in asymmetrischen (120 ¢ m) Schichtleitern ein Abbildungsfehler dadurch entstehen kann, daß bei ihnen die Symmetrierelation Gleichung (10) nur angenähert gilt. Dieser Fehler tritt nur in asymmetrischen Leitungen und nur bei umkehrenden Abbildungen (ungerades hz) auf. Wie die anderen erwähnten Fehler nimmt er mit zunehmender Moden-Nummer M zu und kann die Abbildungsqualität begrenzen. In symmetrischen Leitern (no = n2) existiert dieser Fehler nicht. If one selects nl = m, an image is focused once stay sharp even with small changes in m. Because of the two above opposite influences of nl on equation (1) it is in a corresponding way even possible through a suitable choice of the refractive index m smaller temperature-related To compensate for changes in L, W and ni against each other. The condition for a such temperature-compensated mapping reads ö (fl2We2qjL) (DT = 0. e) Finally it should also be noted that there is an imaging error in asymmetrical (120 ¢ m) layer conductors can arise because the symmetry relation equation (10) is only approximate is applicable. This error only occurs in asymmetrical lines and only in reversing lines Figures (odd hz) on. Like the other errors mentioned, it decreases with increasing Mode number M and can limit the image quality. In symmetrical ladders (no = n2) this error does not exist.

Falls die Ummantelung des Schichtleiters nicht symmetrisch ist (no + m), tritt an Stelle von Gleichung (18) der Ausdruck Weq,z= W2 + Dto + D12, wobei D12 analog zu Gleichung (16) definiert ist. Für diesen Fall war die äquivalente Schichtdicke bereits ausführlich in den Gleichungen (2) und (3) angegeben worden. If the sheathing of the shift leader is not symmetrical (no + m), the expression Weq, z = W2 + Dto + D12, where D12 is defined analogously to equation (16). In this case it was the equivalent Layer thickness has already been given in detail in equations (2) and (3).

Das am Beispiel des dielektrischen Schichtleiters ausführlich beschriebene Prinzip der Abbildung läßt sich auch auf allgemeinere Typen von Wellenleitern anwenden. This is described in detail using the example of the dielectric layer conductor The mapping principle can also be applied to more general types of waveguides.

Zunächst ist es klar, daß das Material der Brechzahl m des dielektrischen Wellenleiters fest, flüssig oder gasförmig sein kann, falls es bei der verwendeten Wellenlänge hinreichend durchsichtig ist. Der Schichtleiter (ni) oder eines oder beide der Außenmaterialien (no, m) können auch vom freien Raum (Luft, Vakuum) gebildet werden. Auf jeden Fall müssen aber die Grenzflächen n1/n0 und n1/n2 bei nahezu streifendem Lichteinfall reflektierend sein. Je höher das Reflexionsvermögen ist, desto heller wird das entstehende Bild. First of all, it is clear that the material has the refractive index m of the dielectric Waveguide can be solid, liquid or gaseous if it is used at the Wavelength is sufficiently transparent. The shift supervisor (ni) or one or Both of the outer materials (no, m) can also be from free space (air, vacuum) educated will. In any case, however, the interfaces n1 / n0 and n1 / n2 must be in the case of an almost grazing Reflecting incident light. The higher the reflectivity, the brighter becomes the resulting image.

Das Reflexionsvermögen sollte auch bei etwas steilerem Lichteinfall noch hoch sein, damit die für die Auflösung wichtigen höheren Moden vom Wellenleiter ebenfalls gut übertragen werden.The reflectivity should also be with a slightly steeper incidence of light still be high, so that the higher modes of the waveguide which are important for the resolution can also be transmitted well.

Das höchste Reflexionsvermögen ergibt im allgemeinen die Totalreflexion. Sie existiert, falls die Brechzahien no und m der Außenmedien kleiner sind als die Brechzahl m des Innen-Mediums. Als besonderes Beispiel eines totalreflektierenden Wellenleiters sei hier ein Leiter für Röntgenstrahlen genannt, welcher im Innenraum leer (Vakuum, m = 1) und außen von irgendwelcher Materie umgeben ist. Deren Brechzahl (no bzw. n2) für Röntgenstrahlen ist bekanntlich etwas kleiner als ein, unabhängig von der chemischen Zusammensetzung. Die praktische Ausführung eines solchen Leiters für A = 0,15 nm könnte z. B. aus zwei mit Aluminium bedampften Glasplatten bestehen, die 2,5 cm lang sind und einen Spalt von 1 llm einschließen. The highest reflectivity generally gives total internal reflection. It exists if the refractive numbers no and m of the external media are smaller than that Refractive index m of the inner medium. As a special example of a totally reflective one Waveguide is a guide for X-rays called here, which is in the interior empty (vacuum, m = 1) and surrounded by some kind of matter on the outside. Their refractive index (no or n2) for X-rays is known to be somewhat smaller than a, independent on the chemical composition. The practical implementation of such a ladder for A = 0.15 nm, e.g. B. consist of two aluminum vapor-coated glass plates, which are 2.5 cm long and include a gap of 1 m.

In diesem Leiter ist m = 1 und no = n2 x 1,8 10-6, und es können sich darin Mo 53 Moden ausbreiten.In this ladder m = 1 and no = n2 x 1.8 10-6, and it can be in it Mo 53 modes spread out.

Im infraroten Spektralbereich und besonders im Bereich der Submillimeterwellen und Mikrowellen kann ein hohes Reflexionsvermögen der Wände auch durch Verwendung gutleitender Metalle für die Außenmaterialien erhalten werden. In the infrared spectral range and especially in the submillimeter wave range and microwaves can also create high reflectivity by using the walls highly conductive metals for the exterior materials can be obtained.

Bei sehr streifendem Einfall wird auch die sogenannte Fresnelsche Reflexion nahezu vollständig. Daher erhält man mit dem hier beschriebenen Wellenleiter auch dann noch eine Abbildung, wenn eines (oder beide) der Außenmedien eine höhere Brechzahl hat als das Innenmedium der Brechzahl nl. In diesem Falle nimmt jedoch das Reflexionsvermögen bei steilerem Einfall meist rasch ab. Bei der resultierenden Abbildung sind die Moden dann um so stärker »leck«, je höher ihre Moden-Nummer ist. Dieser Effekt kann die Zahl Mder beitragenden Moden und damit die Auflösung begrenzen. Dieser Fall n < no und m < n2 ist praktisch bedeutsam bei Wellenleiter-Lasern. If the incidence is very grazing, the so-called Fresnel's Almost complete reflection. Therefore, one gets with the waveguide described here a picture even if one (or both) of the external media has a higher one The inner medium has the refractive index nl. In this case, however, takes the reflectivity usually decreases rapidly with steeper incidence. In the resulting The modes are then all the more »leaky« the higher their mode number is. This effect can limit the number of contributing modes and hence the resolution. This case n <no and m <n2 is of practical importance in waveguide lasers.

Die wesentliche mathematische Voraussetzung für die Gültigkeit der Abbildungsbedingungen gemäß Gleichungen (8) und (9) ist, daß die Differenzen der Ausbreitungskonstanten, (ßm - ßo), im Verhältnis ganzer Zahlen zueinander stehen. Nach Gleichung (20) 5 entsprechen diese Differenzen beim Schichtleiter der Zahlenfolge (m2 + 2m). Die Möglichkeit mit einem Wellenleiter eine optische Abbildung vorzunehmen, ist somit durch das Spektrum ßm seiner Moden bestimmt: Jeder prismatische Wellenleiter mit beliebiger Querio schnittsform und beliebiger Verteilung der Brechzahl über den Querschnitt kann eine optische Abbildung vermitteln, wenn alle Abstände (Bm - ßo) in seinem Modenspektrum ganzzahlige Vielfache eines kleinsten Abstandes dß sind. Die Länge 2/Aß ist dann eine der 15 möglichen Abbildungslängen. Wenn die genannte Bedingung nicht ganz genau oder nicht für alle Moden erfüllt ist, wird eine Abbildung nur mit verminderter Qualität möglich sein. The essential mathematical requirement for the validity of the Imaging conditions according to equations (8) and (9) is that the differences in the Propagation constants, (ßm - ßo), are in the ratio of whole numbers to each other. According to equation (20) 5, these differences correspond to the sequence of numbers for the shift supervisor (m2 + 2m). The possibility of making an optical image with a waveguide, is thus determined by the spectrum ßm of its modes: Every prismatic waveguide with any cross-sectional shape and any distribution of the refractive index over the cross-section can provide an optical illustration if all distances (Bm - ßo) integer multiples of a smallest distance dß in its mode spectrum are. The length 2 / Aß is then one of the 15 possible mapping lengths. If the said The condition is not exactly exactly or not fulfilled for all modes, becomes an illustration only be possible with reduced quality.

Ein bezüglich der Wellenlänge dicker rechteckiger 20 Streifenleiter (Wz> ;t; wie Al wie er in F i g. 3 gezeigt ist, ist ein Wellenleiter, bei dem die obengenannte Bedingung für rationale Verhältnisse der Modenabstände erfüllbar ist. Er vermittelt dann eine zweidimensionale Abbildung. Im rechteckigen Wellenleiter hängen 25 die Moden von zwei Moden-Nummern, my und mz ab. A rectangular 20 strip conductor that is thicker in terms of wavelength (Wz>; t; as Al as shown in Fig. 3 is a waveguide in which the above condition can be met for rational relationships between the mode spacings is. It then conveys a two-dimensional image. In the rectangular waveguide the modes depend on two mode numbers, my and mz.

Die Feldverteilungen sind angenähert von der Form Fmx,m (y,z) = 2 sin (X,,,y Y) sin (x,,,; z) (25) 30 mit xmy = (my + 1) sT/Weq y (26) = (»1 + 1) :qWeq (27) 35 Diese Näherungen gelten für nicht zu große Moden-Nummern my und filz. Das Spektrum der Ausbreitungskonstanten ist 40 ßmy,3m = (k²n1²-xmy² Ebenfalls für kleine my und filz findet man hieraus die Phasenlagen der Moden als Die Bedingung für rationale Verhältnisse dieser Modenabstände ist erfüllt, wenn die Querdimensionen Weq,y und Wzq'z des Wellenleiters sich selbst wie die Quadratwurzeln aus kleinen ganzen Zahlen zueinander verhalten. Die einfachste Bauform ist danach der Wellenleiter mit quadratischem Querschnitt. Seine Abbildungseigenschaften waren schon oben diskutiert worden.The field distributions are approximated by the form Fmx, m (y, z) = 2 sin (X ,,, y Y) sin (x ,,,; z) (25) 30 with xmy = (my + 1) sT / Weq y (26) = (»1 + 1): qWeq (27) 35 These approximations apply to mode numbers my and felt which are not too large. The spectrum of the propagation constants is 40 ßmy, 3m = (k²n1²-xmy² Also for small my and felt you can find the phase positions of the modes as The condition for rational relationships between these mode spacings is fulfilled when the transverse dimensions Weq, y and Wzq'z of the waveguide are related to one another like the square roots of small integers. The simplest design is then the waveguide with a square cross-section. Its imaging properties have already been discussed above.

In Wellenleitern mit anderen als polygonalen Querschnittsformen stehen die Modenabstände, soweit bekannt, nicht in angenähert rationalen Verhältnissen zueinander, so daß also damit keine Abbildungen in dem hier betrachteten Sinne möglich sind. Die Abhängigkeit des Modenspektrums von der Querschnittsform des Leiters eröffnet jedoch die Möglichkeit, korrigierend auf das Modenspektrum eines rechteckigen oder quadratischen Wellenleiters einzuwirken, um damit seine Abbildungseigenschaften zu verbessern. Die Korrektur besteht beispielsweise in einer sehr geringfügigen Abwandlung des rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitts, so daß er leicht tonnenförmig oder kissenförmig verzerrt ist. Die daraus resultierenden Verschiebungen im Spektrum der ßmymz sind unterschiedlich groß für die Moden mit niedrigen und mit hohen Moden-Nummern. Dies unterschiedliche Verhalten kann dann dazu benutzt werden, unerwünscht große Abweichungen der Phasen m von ihren Idealwerten nach Gleichung (20) für möglichst viele Moden auf einen möglichst kleinen Restfehler herabzudrücken, so daß die Zahl Mder zur Abbildung konstruktiv beitragenden Moden vergrößert wird. Die genaue Form und das richtige Ausmaß der optimalen Querschnittsverzerrung hängen von den Werten der Brechzahlen ab und können im Einzelfall durch numerische Berechnung der Moden-Spektren bei systematisch verzerrter Querschnittsform bestimmt werden. Stand in waveguides with cross-sectional shapes other than polygonal the mode spacings, as far as known, not in approximately rational relationships to each other, so that no images in the sense considered here are possible are. The dependence of the mode spectrum on the cross-sectional shape of the conductor opens up however, the possibility of correcting the mode spectrum of a rectangular or square waveguide to affect its imaging properties to improve. The correction is, for example, a very minor one Modification of the rectangular or square Cross-section so that it is slightly barrel-shaped or is distorted in the shape of a pillow. The resulting shifts in the spectrum the ßmymz are of different sizes for the modes with low and high mode numbers. This different behavior can then be used to create undesirably large ones Deviations of the phases m from their ideal values according to equation (20) for as possible many modes to reduce the residual error as small as possible, so that the number The modes that contribute constructively to the illustration are enlarged. The exact shape and the correct amount of optimal cross-sectional distortion depend on the values the refractive indices and can in individual cases by numerical calculation of the mode spectra can be determined in the case of a systematically distorted cross-sectional shape.

Eine andere Möglichkeit zur Korrektur der Phasen Ym ist das schon bei dem in F i g. 4 dargestellten Schichtleiter erwähnte Aufbringen dünner dielektrischer Schichten auf die Wandung des eigentlichen Wellenleiter-Mediums der Brechzahl m. Diese Möglichkeit besteht auch bei Leitern mit rechteckigem oder anderem Querschnitt. Another possibility for correcting the phases Ym is that in the case of the one shown in FIG. 4 shown layer conductor mentioned application of thin dielectric Layers on the wall of the actual Waveguide medium the refractive index M. This possibility also exists for conductors with rectangular or different cross-section.

Für manche Anwendungen sind Abbildungssysteme erforderlich, die bei gegebener Auflösung r ein Gesichtsfeld haben, das größer ist als die Größe W= M/r, die sich mit einem einzelnen Schichtleiter oder einem rechteckigen Wellenleiter praktisch erzielen läßt. In diesen Fällen können Wellenleiter gestapelt oder gebündelt werden, um ein größeres Gesichtfeld zu erhalten. Ein solcher Stapel von Schichtleitern 51 ist in F i g. 5(a) in perspektivischer Sicht und in F i g. 5(b) im Querschnitt dargestellt. Gleich starke Leiter-Schichten der Brechzahl m sind durch dünne Zwischenschichten 52 eines Materials niedrigerer Brechzahl no getrennt. For some applications, imaging systems are required that are compatible with given resolution r have a field of view that is larger than the size W = M / r, dealing with a single layer conductor or a rectangular waveguide can be achieved practically. In these cases, waveguides can be stacked or bundled to get a larger field of view. Such a stack of shift leaders 51 is shown in FIG. 5 (a) in a perspective view and in FIG. 5 (b) in cross section shown. Equally strong conductor layers with the refractive index m are created by thin intermediate layers 52 of a material with a lower refractive index no separated.

Die Zwischenschichten müssen eine solche Dicke haben, daß benachbarte Leiter-Schichten voneinander »optisch isoliert« sind. Bei genügend hoher Brechzahldifferenz, z. B. (m - )2o) lIlI> 0,1, genügt eine Dicke der Zwischenschichten von etwa einer Wellenlänge. Wenn die Dicke Wz der Wellenleiterschichten und ihre Länge L gemäß Gleichung (1) bemessen sind, bildet jede Schicht ihre Stirnflächen aufeinander ab. Damit sich die streifenförmigen Bilder der einzelnen Schichten in der Ausgangsebene des Stapels kontinuierlich zu einem Gesamtbild zusammensetzen, müssen alle Einzelschichten für Betrieb mit geraden hz bemessen sein. Mit einem einfachen Stapel nach F i g. 5(a) ist daher eine eindimensionale, aufrechte Abbildung eines großen Gesichtsfeldes möglich. Seine Größe ist gleich der Höhe des Stapels und kann damit im Prinzip beliebig groß gemacht werden. The intermediate layers must have such a thickness that adjacent Conductor layers are "optically isolated" from one another. If the difference in the refractive index is sufficiently high, z. B. (m -) 2o) III> 0.1, a thickness of the intermediate layers of about one is sufficient Wavelength. If the thickness Wz of the waveguide layers and their length L according to Equation (1) are dimensioned, each layer maps its end faces on one another. So that the stripe-shaped images of the individual layers in the initial plane of the stack continuously to form an overall picture, all individual layers have to be be dimensioned for operation with even Hz. With a simple stack according to FIG. 5 (a) is therefore a one-dimensional, upright image of a large field of view possible. Its size is equal to the height of the stack and can therefore in principle be arbitrary to be made big.

Eine besondere Ausführung eines einzelnen Schichtleiters oder eines Stapels ist gegeben, wenn seine Breite B (s. Fig. 5a) gleich der Länge L (oder einem Vielfachen) gemacht wird. Ein so bemessener Leiter oder Stapel hat die bemerkenswerte Eigenschaft, daß er seine vier senkrecht zur Schichtebene stehenden Seitenflächen auf die jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen abbildet. A special version of a single shift supervisor or one Stack is given when its width B (see Fig. 5a) is equal to the length L (or a Multiples) is made. A ladder or stack of this size has the remarkable Property that it has its four side surfaces perpendicular to the plane of the layer maps onto the opposite side surfaces.

F i g. 5(c) zeigt die Bündelung quadratischer Streifenleiter 53. Damit kann eine zweidimensionale Abbildung mit großem Gesichtsfeld erreicht werden. Die einzelnen Streifenleiter 53 müssen wieder gemäß Gleichung (1) und (4) mit geraden Zahlen hy und bemessen sein, und für ihre optische »Isolation« gilt das für die gestapelten Schichtleiter 51 Erwähnte. Das optische Verhalten eines solchen Bündels ist vergleichbar mit dem einer sogenannten Faseroptik-Platte. Im Vergleich zu letzterer ist jedoch mit einem Bündel der hier beschriebenen Art nach F i g. 5(c) eine höhere räumliche Auflösung r möglich, und zwar bei wesentlich kleinerer Anzahl von Einzelfasern und gleichzeitig erhöhter Packungsdichte. F i g. 5 (c) shows the bundling of square strip conductors 53. A two-dimensional image with a large field of view can thus be achieved. The individual strip conductors 53 must again be straight in accordance with equations (1) and (4) Numbers hy and be measured, and for their optical "isolation" this applies to them stacked shift supervisor 51 mentioned. The optical behavior of such a bundle is comparable to that of a so-called fiber optic plate. Compared to the latter is, however, with a bundle of the type described here according to FIG. 5 (c) a higher one spatial resolution r possible, with a significantly smaller number of individual fibers and at the same time increased packing density.

Bei der Faseroptik-Platte ist die Auflösung nämlich durch den Faserdurchmesser auf etwa 6,um begrenzt, während mit einem Streifenleiter eine Auflösung r z 1 llm oder besser erreichbar ist. Im vorliegenden Fall besteht allerdings die Notwendigkeit geringer Toleranzen der Einzelleiter und monochromatischer Beleuchtung.In the case of the fiber optic plate, the resolution is determined by the fiber diameter limited to about 6 .mu.m, while with a stripline a resolution r z 1 .mu.m or better attainable. In the present case, however, there is a need low tolerances of the individual conductors and monochromatic lighting.

Die hier bisher benutzte Terminologie »eindimensionale« bzw. »zweidimensionale« Abbildung beim Schicht- bzw. Streifenleiter bezieht sich auf die Abbildung der Wellenleiter-Endflächen aufeinander, und sie entspricht der Tatsache, daß die Wände des Wellenleiters die freie Lichtausbreitung in einer bzw. in zwei Dimensionen einschränken. Nun bildet ein Wellenleiter aber nicht nur das eine Ebenen-Paar x = 0 und x = L aufeinander ab, sondern alle Paare von Ebenen, deren Abstand L der Gleichung (1) genügt, wie z. B. die Paare AA'> BBt CC'usw. in Fig. 6(a). Das heißt aber, daß das Volumen des Wellenleiters abgebildet wird. In diesem Sinne ermöglicht daher ein Wellenleiter auch eine Abbildung in der 3. Dimension (x-Richtung). The terminology "one-dimensional" or "two-dimensional" used here so far The illustration of the layer or strip conductor refers to the illustration of the waveguide end faces on each other, and it corresponds to the fact that the walls of the waveguide are the Restrict the free propagation of light in one or in two dimensions. Well educates a waveguide but not just the one pair of planes x = 0 and x = L on top of each other but all pairs of planes whose distance L satisfies equation (1), such as z. B. the pairs AA '> BBt CC' etc. in Fig. 6 (a). But that means that the volume of the waveguide is mapped. In this sense, therefore, a waveguide enables also a mapping in the 3rd dimension (x-direction).

Die vorstehende Überlegung zeigt, daß die bisher betrachtete Abbildung der Endflächen aufeinander auch dann noch bestehenbleibt, wenn diese Flächen nicht senkrecht zur Richtung des Leiters stehen, sondern jeweils gleiche Winkel lx + 90C mit dem Leiter einschließen. Entsprechende Wellenleiter werden an Hand von Fig. 6 erläutert. Aus der Darstellung in F i g. 6(a) folgt, daß im Falle einer umkehrenden Abbildung (ungerade Zahl hz) die Endflächen gegeneinander geneigt sein müssen wie in F i g. 6(b), während bei einer aufrechten Abbildung die Endflächen parallel sein müssen wie in Fig. 6(c). Die Größe des Winkels o; ist beliebig. Dieser Winkel sollte aber nicht zu klein sein, da sonst die Zahl der zur Abbildung beitragenden Moden eingeschränkt ist. Wenn in einem Schichtleiter die M-te Mode noch zur Abbildung beitragen soll, so muß os größer sein als der Winkel Dazu zwischen der x-Richtung und der Richtung der beiden ebenen Wellen, aus denen man sich die Mode zusammengesetzt denken kann: aM = arcsin (zM/knl) ~ (M + 1) 42 q Weq . (29) Auf Grund der in F i g. 6(a) gezeigten Abbildung der 3. Dimension ist auch eine noch weitergehende Modifizierung der Wellenleiter-Endflächen ohne Verlust der Abbildungseigenschaften möglich. Die Endflächen können eine ganz beliebige, regelmäßig oder unregelmäßig gekrümmte Gestalt haben, wie z. B. in F i g.6(d) dargestellt ist. Wenn nur die Gestalten von Eintritts-und Austrittsfläche gleich (bzw. bei ungerader Zahl hz umgekehrt gleich) sind und der Wellenleiter die oben vorgeschriebenen Abmessungen hat, so wird die Eintrittsfläche auf die Austrittsfläche abgebildet, und umgekehrt. Diese Möglichkeiten, geneigte oder gekrümmte Endflächen aufeinander abzubilden, bestehen natürlich beim rechteckigen bzw. prismenförmigen Streifenleiter in entsprechender Weise wie beim Schichtleiter. The above consideration shows that the figure considered so far the end faces on top of each other still exist even if these faces are not perpendicular to the direction of the conductor, but the same angle lx + 90C include with the conductor. Corresponding waveguides are shown on the basis of Fig. 6 explained. From the illustration in FIG. 6 (a) it follows that in the case of a reversing Figure (odd number hz) the end faces must be inclined towards each other like in Fig. 6 (b), while in an upright image, the end faces are parallel must be as in Fig. 6 (c). The size of the angle o; is arbitrary. This angle should but not be too small, otherwise the number of modes contributing to the mapping is restricted. If in a shift supervisor the M-th mode is still for illustration should contribute, then os must be greater than the angle between the x-direction and the direction of the two plane waves that make up fashion can think: aM = arcsin (zM / knl) ~ (M + 1) 42 q Weq. (29) Due to the in F i G. Figure 6 (a) of the 3rd dimension is also an even more extensive modification of the waveguide end faces possible without loss of the imaging properties. the End surfaces can have any shape, regularly or irregularly curved have such. B. is shown in Fig.6 (d). If only the shapes of entry and The exit area is the same (or, in the case of an odd number hz, the other way around) and the If the waveguide has the dimensions prescribed above, it becomes the entrance surface mapped onto the exit surface, and vice versa. These ways, inclined or to map curved end faces on top of one another, of course, exist with rectangular ones or prism-shaped strip conductors in the same way as with the layer conductor.

Unter Bezugnahme auf F i g. 7 soll nun gezeigt werden, daß eine Abbildung in der 3. Dimension nicht nur zwischen zwei Volumenelementen besteht, die beide innerhalb des Wellenleiters liegen wie in F i g. 6(a), sondern auch noch, wenn sich eines oder beide Volumenelemente ganz außerhalb des Wellenleiters befinden. In Fig. 7 steht ein beleuchtetes oder selbstleuchtendes Objekt A im Abstand d vor der Eintrittsfläche x = 0 des Wellenleiters 73, der zwischen einer polarisierten monochromatischen Lichtquelle 71 und dem Objektiv eines zur Beobachtung dienenden Mikroskopes 72 angeordnet ist. Das vom Objekt A ausgehende Licht erzeugt in der Eintrittsfläche x= 0 eine gewisse, komplexe Amplituden-Verteilung, die vom Wellenleiter richtiger Dimensionierung auf die Austrittsfläche x = L abgebildet wird. Das aus dieser Fläche x = L austretende Licht besitzt somit die gleiche räumliche Verteilung wie das Licht, das von der Ebene x = 0 nach rechts laufen würde, wenn sich dort nicht der Wellenleiter befände. Das Licht im Raume x> L scheint daher von einem Objekt auszugehen, das sich am Orte x= L - d befindet, nämlich von dem virtuellen Bild A'des Objektes A. Aus der vorstehenden Ableitung ist auch ersichtlich, daß die Bereiche 0 < z < Wz der Ein- und Austrittsflächen die Ein- und Austrittspupillen des abbildenden Systems sind. Ferner ist ersichtlich, daß die hier für einen Schichtleiter angestellten Überlegungen in analoger Weise für den rechteckigen bzw. prismenförmigen Streifenleiter gelten und daß auch die Gestalten der Leiter-Endflächen keine Rolle spielen, sofern die symmetrisch bzw. antisymmetrisch im Sinne der F i g. 6 sind. Schließlich ist zu erwähnen, daß die in Fig.7 gezeigte Abbildung umkehrbar ist. Projiziert man in die Eintrittsfläche des Wellenleiters ein Bild an die Stelle x = + d, so wird es nach x= L + d abgebildet und kann dort auf einem Schirm aufgefangen werden. Referring to FIG. 7 should now be shown that a figure in the 3rd dimension there is not only between two volume elements, both of them lie within the waveguide as in FIG. 6 (a) but also still when one or both volume elements are located entirely outside the waveguide. In Fig. 7 there is an illuminated or self-luminous object A at a distance d in front of the entry surface x = 0 of waveguide 73 between a polarized monochromatic light source 71 and the objective of a microscope 72 serving for observation is arranged. The light emanating from object A creates a certain, complex amplitude distribution based on the correct dimensioning of the waveguide the exit area x = L is mapped. The one emerging from this area x = L Light thus has the same spatial distribution as the light emitted by the Plane x = 0 would run to the right if the waveguide were not there. The light in the space x> L therefore seems to emanate from an object that is on Places x = L - d, namely from the virtual image A 'of the object A. From the the above derivation can also be seen that the areas 0 <z <Wz of the entrance and exit surfaces are the entrance and exit pupils of the imaging system. It can also be seen that this is for a shift leader made considerations in an analogous manner for the rectangular or prism-shaped Strip conductors apply and that the shape of the conductor end faces does not matter either play, provided that the symmetrical or antisymmetrical in the sense of F i g. 6 are. Finally, it should be mentioned that the mapping shown in Figure 7 is reversible. If you project an image into the entry surface of the waveguide at the point x = + d, it is mapped to x = L + d and can be captured there on a screen will.

Ein abbildender Schicht- oder Streifenleiter, bei dem Objekt A und reelles Bild A'sich beide außerhalb des Wellenleiters befinden, ist in Fig.8 im Querschnitt gezeigt. Zur einfacheren Erklärung ist hier angenommen, daß die optischen Medien vor und hinter dem Wellenleiter 83, d. h. in den Räumen x < 0 und x > Lv, dieselbe Brechzahl nl haben wie der Wellenleiter. Das Objekt A sei klein (Höhe H « Wz) und befinde sich in der Nähe der Mittelebene des Wellenleiters bei x = - d in geringem Abstand vor dem Anfang des Wellenleiters. An imaging layer or strip conductor, with the object A and Real image A's both outside of the waveguide is shown in Fig. 8 Cross section shown. For the sake of simplicity, it is assumed here that the optical Media upstream and downstream of waveguide 83, d. H. in the spaces x <0 and x> Lv, have the same refractive index nl as the waveguide. Let the object A be small (height H «Wz) and is located near the center plane of the waveguide at x = - d at a short distance from the beginning of the waveguide.

Es wird nun zunächst einmal angenommen, daß die Länge des Wellenleiters gleich einem Wert L ist, der Gleichung (1) genügt (in Fig. 8 gestrichelt eingezeichnet). Dann erzeugt der Wellenleiter ein Bild A' des Objektes an der Stelle x = L - d Wenn M die Moden-Nummer der höchsten im Wellenleiter angeregten Mode bezeichnet, so wird das Bild A' nur von solchen Lichtstrahlen entworfen, die unter Winkeln von höchstens OtM gegen die x-Achse verlaufen, mit lxM gemäß Gleichung (29). Aus diesem Grund bleiben die in F i g. 8 doppelt schraffiert eingezeichneten Bereiche dunkel. Somit kann es keinen Einfluß auf die Qualität des Bildes A'haben, wenn man im angegebenen Bereich Lv... L die reflektierenden Wände des Wellenleiters wegläßt, d. h. den Wellenleiter auf die Länge Lv gekürzt.It is now assumed first of all that the length of the waveguide is equal to a value L that satisfies equation (1) (shown in dashed lines in FIG. 8). Then the waveguide creates an image A 'of the object at the point x = L - d If M denotes the mode number of the highest excited mode in the waveguide, then the image A 'is designed only from those rays of light which are at angles of at most OtM run against the x-axis, with lxM according to equation (29). For this reason remain in FIG. 8 areas marked with double hatching are dark. Consequently it can't affect the quality of the picture A 'if one in the specified Region Lv ... L omits the reflective walls of the waveguide, d. H. the waveguide shortened to length Lv.

Damit kommt das Bild A' außerhalb des durch die Länge Lv seiner Wände definierten Wellenleiters zu liegen: Aus dem vorher virtuellen Bild ist ein reelles geworden.Thus the image A 'comes outside of the length Lv of its walls defined waveguide: The previously virtual image is a real one become.

Bei der Abbildung mittels eines so verkürzten Wellenleiters bedeutet die Länge L, die in die Grundgleichung Gleichung (1) eingeht, nicht mehr die Länge des Wellenleiters, sondern vielmehr die Entfernung des Bildes vom Objekt. Ähnlich wie bei einem 1:1 abbiidenden, konventionellen optischen System ist diese Entfernung L unabhängig vom Abstand ddes Objektes. In the illustration by means of a waveguide shortened in this way means the length L, which goes into the basic equation equation (1), no longer the length of the waveguide, but rather the distance of the image from the object. Similar This distance is like a 1: 1 imaging, conventional optical system L independent of the distance d of the object.

Die mögliche Verkürzung (d + d,) des Wellenleiters ist natürlich begrenzt. Mit zunehmender Verkürzung nimmt die Qualität des Bildes A' ab, denn die obige strahlenoptische Argumentation ist nur in der Nähe des Bildes A' statthaft. Die maximal mögliche Verkürzung ist durch die Dicke Wzdes Leiters und durch den Winkel xM bestimmt, und sie hängt auch noch von der Größe des abzubildenden Objektes ab. Dies ist in F i g. 9 veranschaulicht. Entsprechend den Überlegungen in Zusammenhang mit Fig.8 kann eine Abbildung nur dann scharf sein, wenn der Bildpunkt A' in dem in Fig.9 doppelt schraffierten Winkelbereich am Ende des Wellenleiters 93 liegt. Da die Abbildung umkehrbar sein muß, muß zugleich gefordert werden, daß auch der Objektpunkt A in dem markierten Winkelbereich am Anfang des Wellenleiters liegt. Aus Fig.9 folgt: Je stärker der Wellenleiter verkürzt ist, desto enger rücken die Punkte Pl und Pl zusammen, an denen das Bildfeld die Größe 0 hat, und desto kleiner wird das scharf abbildbare Gesichtsfeld. Die nach F i g. 9 maximal mögliche Verkürzung beträgt an jedem Ende dmaz = dniz # W2/2 (AM ~ n1Wz²(M + 1) i. = L/4 hz(M + 1) Im Beispiel des oben betrachteten Schichtleiters (m = 1,5; W= 50 Fm; # = 632 nm; L # 24 mm, M = 20) liefert Gleichung (30) den Wert dazu d'maz 0,3 mm. Von den Maximal-Verkürzungen nach Gleichung (30) ist praktisch nur ein Teil ausnutzbar, denn einmal schrumpft ja für d . dmax oder d' . dZmax die Bildfeldgröße auf Null, und zum anderen treten bereits bei Annäherung von Objekt- oder Bildpunkt an die Grenzen der in Fig.9 markierten Bereiche stärkere Bildfehler auf. Dies folgt aus einer genaueren Betrachtung der Lichtverteilung an der Grenze der Fig.8 gekennzeichneten Dunkelräume.The possible shortening (d + d,) of the waveguide is of course limited. As the shortening increases, the quality of the image A 'decreases because the above ray-optical one Argumentation is only admissible in the vicinity of picture A '. The maximum possible The shortening is determined by the thickness Wzof the conductor and the angle xM, and it also depends on the size of the object to be imaged. This is in F i G. 9 illustrates. According to the considerations in connection with FIG an image will only be sharp if the image point A 'is doubled in the one shown in FIG hatched angular range at the end of the waveguide 93 lies. As the figure must be reversible, it must at the same time be required that the object point A in the marked angular range at the beginning of the waveguide. From Fig. 9 it follows: The more the waveguide is shortened, the closer the points Pl and Pl move at which the image field has the size 0, and the smaller it becomes in focus mappable field of view. According to FIG. 9 maximum possible shortening amounts to each end dmaz = dniz # W2 / 2 (AM ~ n1Wz² (M + 1) i. = L / 4 hz (M + 1) in the example of the layer conductor considered above (m = 1.5; W = 50 Fm; # = 632 nm; L # 24 mm, M = 20) equation (30) provides the value for this d'maz 0.3 mm. Of the maximum reductions According to equation (30), only part of it can be used in practice, because it shrinks once yes for d. dmax or d '. dZmax the image field size to zero, and to the other step already when the object or image point approaches the limits of those marked in FIG Areas with stronger image defects. This follows from a closer examination of the Light distribution at the border of the dark rooms marked in FIG.

Die in F i g. 9 dargestellte Blende 91 wird weiter unten erläutert werden.The in F i g. Diaphragm 91 shown in FIG. 9 will be explained further below will.

Oben wurde vorausgesetzt, daß die Räume x < 0 und x> Lv der Fig.8 von einem Medium derselben Brechzahl n, erfüllt sind wie der Wellenleiter. Diese Voraussetzung kann fallengelassen werden. Wenn die Endflächen gerade abgeschnitten sind wie in F i g. 1 und wenn der Objektraum x < 0 mit einem Medium der Brechzahl nG erfüllt ist und der Bildraum x > Lv mit einem Medium der Brechzahl na, so bewirkt die Brechung des Lichtes an den Endflächen eine Verschiebung von Objekt- und Bildpunkten in der x-Richtung. Die dann in die Abbildungsgleichung Gleichung (1) eingehende Größe ist L = L, + (nGd + nBd')/n1 (31) Bei der Ableitung dieser Beziehung wurde angenom- men, daß alle abbildenden Lichtstrahlen unter kleinen Winkeln (<MM) zur x-Achse verlaufen. Above it was assumed that the spaces x <0 and x> Lv der 8 are fulfilled by a medium of the same refractive index n as the waveguide. This requirement can be dropped. When the end faces just cut off are as in Fig. 1 and if the object space x <0 with a medium of the refractive index nG is fulfilled and the image space x> Lv with a medium of the refractive index na, see above the refraction of light at the end faces causes a shift of the object and pixels in the x-direction. Which then into the mapping equation equation (1) incoming quantity is L = L, + (nGd + nBd ') / n1 (31) when deriving this Relationship was accepted men that all imaging light rays at small angles (<MM) to the x-axis.

Die Möglichkeit der Abbildung mit einem verkürzten Schichtleiter wurde an dem schon oben erwähnten, flüssigkeitsgefüllten Schichtleiter (Fig.2) experimentell beobachtet: Dazu wurde die Dicke Wz der Leiterschicht durch Verminderung des Justierdruckes P geringfügig vergrößert. Entsprechend Gleichung (1) wurde damit die Abbildungslänge L größer als die Länge Lv der Quarzplatten, und das Bild des Spaltes sollte außerhalb der Platten bei x> Lv entstehen. The possibility of mapping with a shortened shift supervisor was experimentally carried out on the above-mentioned, liquid-filled layer conductor (Fig. 2) Observed: For this purpose, the thickness Wz of the conductor layer was determined by reducing the adjustment pressure P slightly enlarged. According to equation (1), this became the image length L is greater than the length Lv of the quartz plates, and the image of the gap should be outside of the plates arise at x> Lv.

Tatsächlich mußte man das Beobachtungs-Mikroskop vom Wellenleiter etwas entfernen, um das Spaltbild wieder scharf zu sehen. Umgekehrt wanderte bei Verkleinerung des Plattenabstandes, also der Dicke Wz, das Spaltbild in den Bereich x < L, wie ebenfalls durch Nachjustieren des Mikroskops festgestellt werden konnte.In fact, the observation microscope had to be removed from the waveguide remove something to see the slit image in focus again. Conversely, immigrated to Reduction of the plate spacing, i.e. the thickness Wz, the gap pattern in the area x <L, as could also be determined by readjusting the microscope.

Bei einem abbildenden Wellenleiter der hier beschriebenen Art kann es zweckmäßig sein, für eine Apodisation zu sorgen. In Gleichung (23) war die Amplitudenverteilung S(z,zo) ausgedrückt, die in dem Bilde herrscht, das ein Wellenleiter von einem ideal punktförmigen (bzw. linienförmigen) Objekt entwirft. In the case of an imaging waveguide of the type described here, it may be useful to provide apodization. In equation (23) was the amplitude distribution S (z, zo) expressed, which prevails in the image that a waveguide of an ideal designs point-shaped (or line-shaped) object.

Die zugehörige Intensitätsverteilung besitzt neben dem zentralen Maximum eine Reihe relativ starker Nebenmaxima. Sie stammen daher, daß S(z,zo) die Fourier-Transformierte der Lichtverteilung in dem Modenspektrum ist und daß diese Verteilung abrupt bei der Moden-Nummer M abgeschnitten wurde. Falls aber solche höheren Moden doch nennenswert angeregt sein sollten, die die Abbildungsbedingungen Gleichungen (8) bzw. (9) nicht erfüllen, so können in der Punktabbildungsfunktion S(z,zo) noch zahlreiche weitere Maxima und Feinstrukturen auftreten, die im »Bilde« eines Punktes höchst unerwünscht sind. Diese Störungen und die erwähnten Nebenmaxima können abgeschwächt oder beseitigt werden, wenn es gelingt, die hohen Moden m > Man der Bildentstehung weniger oder gar nicht teilhaben zu lassen. Für diese sogenannte Apodisation bestehen bei der Abbildung mit einem Wellenleiter (Schicht- oder Streifenleiter) vor allem zwei Möglichkeiten: Entweder wird die Ausbreitung der höheren Moden auf dem Wellenleiter gedämpft, so daß diese stark geschwächt am Ort des Bildes ankommen, oder es erfolgt eine räumliche Filterung des Bildes.The associated intensity distribution has the central maximum a series of relatively strong secondary maxima. They come from the fact that S (z, zo) is the Fourier transform is the light distribution in the mode spectrum and that this distribution is abrupt at the mode number M has been cut off. But if so such higher Modes should nevertheless be stimulated appreciably, which equations the imaging conditions (8) or (9) do not meet, then in the point mapping function S (z, zo) numerous other maxima and fine structures occur in the "image" of a point are highly undesirable. These disturbances and the mentioned secondary maxima can be attenuated or be eliminated if the high fashions m> Man of image creation succeed to be less involved or not at all. For this so-called apodization exist especially when imaging with a waveguide (layer or strip conductor) two possibilities: either the propagation of the higher modes on the waveguide attenuated, so that they arrive at the location of the image in a severely weakened manner, or it takes place a spatial filtering of the image.

In einem dicken Wellenleiter mit verlustfreiem Kern-Material (m) kann eine Dämpfung der Modenausbreitung durch Absorption des geführten Lichtes in den umgebenden Materialien erreicht werden oder durch Brechung des Lichtes in diese Materialien (no > m;n2 > fix). Für beide Dämpfungsmechanismen steigt die Absorptionskonstante proportional zu (m + 1)2 mit der Modennummer m an. Beide Mechanismen eignen sich daher gut zur Apodisation. Praktisch kommt es nur darauf an, die Stärke der Verluste so einzustellen, daß sie erst von der gewünschten Modennummer Mab wirksam werden. Mist dabei z. B. die höchste Mode, bis zu der die Abbildungsbedingungen Gleichungen (8) bzw. (9) gültig sind. Bezeichnet KM die effektive Absorptionskonstante dieser Mode des Wellenleiters, so erfordert die Apodisation kLKM = 1. In a thick waveguide with lossless core material (m) an attenuation of the mode propagation by absorption of the guided light in the surrounding materials or by refraction of light into them Materials (no> m; n2> fix). The absorption constant increases for both damping mechanisms proportional to (m + 1) 2 with the mode number m. Both mechanisms are suitable therefore good for apodization. In practical terms, it just depends on the strength of the losses set so that they only take effect from the desired mode number Mab. Crap z. B. the highest mode up to which the imaging conditions equations (8) and (9) are valid. KM denotes the effective absorption constant of this Mode of the waveguide, the apodization requires kLKM = 1.

Beruht die Dämpfung nur auf Absorption in dem Substratmaterial (no), so findet man die hierfür notwendige Absorptionskonstante zo (Imaginärteil von no) dieses Materials bei TE-Polarisation als x0 ~ (n2,n0)3/2 (M + 1)-2 WZ/2 h, n, i. (32) Im Beispiel der F i g. 2 ergibt diese Formel zo = 2,7 . 10-3, was einer Absorption des massiven Materials (no) von 240 dB/mm entspricht. Das Substrat-Material muß also ein praktisch undurchsichtiges schwarzes Glas sein.If the attenuation is based only on absorption in the substrate material (no), so one finds the necessary absorption constant zo (imaginary part of no) of this material with TE polarization as x0 ~ (n2, n0) 3/2 (M + 1) -2 WZ / 2 h, n, i. (32) In the example of FIG. 2 gives this formula zo = 2.7. 10-3 what an absorption of the solid material (no) of 240 dB / mm. The substrate material must so be a practically opaque black glass.

Eine ganz ähnliche Wirkung läßt sich aber auch erzielen, wenn man gemäß Fig. 10 sehr dünne Metallschichten 101 an den Grenzflächen ni/no und nl/n2 vorsieht. Diese Schichten können z. B. aus Aluminium, Gold, Nickel, oder Chrom bestehen, ihre Dicke muß bei 10 bis 100 nm liegen. Die Metallschichten lassen sich auch kombinieren mit dielektrischen Schichten, die eventuell zur Korrektur des Modenspektrums an diesen Grenzflächen aufgebracht sind. A very similar effect can also be achieved if one according to FIG. 10, very thin metal layers 101 at the interfaces ni / no and nl / n2 provides. These layers can e.g. B. made of aluminum, gold, nickel, or chromium, their thickness must be 10 to 100 nm. The metal layers can also be combined with dielectric layers, which may be used to correct the mode spectrum these interfaces are applied.

Metallschichten sind auch als reflexionserhöhende Schichten brauchbar, und zwar in sogenannten Leck-Wellenleitern, die durch no > m oder m > m gekennzeichnet sind. Ohne besondere, reflexionserhöhende Maßnahmen ist in diesen Leck-Wellenleitern nämlich die Dämpfung so hoch, daß eine unerwünscht starke Apodisation besteht, die eine verminderte Auflösung r zur Folge hat. Durch eine teilreflektierende, in begrenztem Maße absorbierende Metallschicht (101) passender Dicke (10 bis 100 nm) wird die Leck-Dämpfung vermindert, und die Apodisation kann auf das gewünschte Maß eingestellt werden.Metal layers can also be used as reflection-increasing layers, namely in so-called leak waveguides, which are characterized by no> m or m> m are. There is no special, reflection-increasing measures in these leakage waveguides namely the attenuation so high that there is an undesirably strong apodization, the results in a reduced resolution r. By a partially reflective, in limited Dimensions of absorbing metal layer (101) of suitable thickness (10 to 100 nm) is the Leak attenuation is reduced and the apodization can be adjusted to the desired level will.

Die störenden Moden m > Munterscheiden sich von den niedrigeren Moden dadurch, daß sie Strahlrichtungen mit größeren Winkeln, olm > olM, besitzen. Daher kann das Licht dieser höheren Moden durch eine einfache Blende 91 in größerem Abstand hinter dem Bild ausgefiltert werden, wie in F i g. 9 angedeutet ist. The disturbing modes m> M differ from the lower ones Modes in that they have beam directions with larger angles, olm> olM. Therefore can the light of these higher modes through a simple diaphragm 91 in larger Distance behind the image can be filtered out, as shown in FIG. 9 is indicated.

Die Größe der Blende 91 muß so bemessen sein, daß sie den Winkelbereich 2lxM passieren läßt. Noch vorteilhafter als die abrupt abschneidende Blende ist eine Maske, deren Transparenz von der Mitte zu den Rändern hin kontinuierlich abnimmt gemäß einer gewünschten Apodisationsfunktion. Beobachtet man das vom Wellenleiter erzeugte Bild dann durch die Blende bzw.The size of the aperture 91 must be dimensioned so that it covers the angular range 2lxM can pass. Even more advantageous than the abruptly cutting aperture a mask whose transparency decreases continuously from the center to the edges according to a desired apodization function. If you watch it from the waveguide generated image then through the aperture resp.

Maske hindurch, so bleiben die erwähnten störenden Nebenmaxima unsichtbar, weil die ihnen entsprechenden hohen Raumfrequenzen fehlen.Mask, the mentioned disturbing secondary maxima remain invisible, because the corresponding high spatial frequencies are missing.

Ein Wellenleiter 113, dessen Querschnitt sich in Ausbreitungsrichtung allmählich erweitert ( F i g.11) oder verjüngt, kann eine vergrößernde bzw. verkleinernde Abbildung vermitteln. Das lineare Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsverhältnis ist dabei gleich dem Verhältnis der äquivalenten Leiterdicken am Ende und Anfang des Leiters. Die Möglichkeit einer solchen maßstabsändernden Abbildung beruht auf dem aus der Mikrowellen-Technik her bekannten Prinzip, daß in einem Wellenleiter mit in x-Richtung veränderlichen Querschnitt eine einmal angeregte Mode sich allen Querschnittsänderungen anpaßt, vorausgesetzt, diese Änderungen erfolgen sehr langsam, d. h. über Distanzen von sehr vielen Wellenlängen. Werden daher am Anfang des Wellenleiters gemäß F i g. 11 die Moden mit gewissen Amplituden am angeregt, so besteht am Ende des Wellenleiters immer noch dieselbe Verteilung der Amplituden am, aber die Moden-Funktionen Fm(z) haben sich geändert. Nach Gleichungen (22) und (17) entspricht ihre Änderung beim Schichtleiter einer Maßstabtransformation im Verhältnis der äquivalenten Schichtdicken am Anfang und am Ende des Leiters. Ein vergrößertes (bzw. verkleinertes) Bild entsteht in der Austrittsfläche aber nur dann, wenn sich dort wieder alle Moden gleichphasig zusammensetzen. Die Bedingungen gemäß Gleichungen (8) und (9r lauten wieder exp(S2m) = 1 bzw. exp(Apm) = (- 1)m, wobei die relativen Phasenlagen lym durch gegeben sind. Mit der Annahme, daß sich in jeder Mode aus Licht adiabatisch an die lokale Querschnittsform anpaßt und mit der dem lokalen Querschnitt entsprechenden Ausbreitungskonstante fim(x) läuft, können die Phasenlagen zum berechnet werden. In der gleichen Näherung wie'bei Gleichung (19) findet man am = - (m2 + 2 m) n [L/4 q Weq, z] (34) mit einer gemittelten äquivalenten Schichtdicke Durch Vergleich von Gleichung (34) mit Gleichung (19) erkennt man, daß alle Ergebnisse, die für den Schichtleiter mit gleichförmiger Dicke erhalten wurden, auch für den Schichtleiter mit örtlich langsam veränderlichem Querschnitt gültig bleiben, wenn man die äquivalente Dicke Weqz durch die nach Gleichung (35) gemittelte Dicke ersetzt. Insbesondere bleiben die fundamentale Abbildungsgleichung Gleichung (1) sowie die Überlegungen über umkehrende und aufrechte Abbildungen gültig, und es bestehen auch alle genannten Möglichkeiten der eindimensionalen und zweidimensionalen Abbildung mit Schichtleiter bzw.A waveguide 113, the cross section of which gradually widens (FIG. 11) or tapers in the direction of propagation, can convey an enlarged or reduced image. The linear enlargement or reduction ratio is equal to the ratio of the equivalent conductor thicknesses at the end and the beginning of the conductor. The possibility of such a scale-changing mapping is based on the principle known from microwave technology that in a waveguide with a cross-section that can be changed in the x-direction, a mode that has been excited adapts to all cross-sectional changes, provided that these changes take place very slowly, ie over distances of very many wavelengths. Therefore, at the beginning of the waveguide according to FIG. If the modes are excited with certain amplitudes am, there is still the same distribution of amplitudes am at the end of the waveguide, but the mode functions Fm (z) have changed. According to equations (22) and (17), their change in the layer conductor corresponds to a scale transformation in the ratio of the equivalent layer thicknesses at the beginning and the end of the conductor. However, an enlarged (or reduced) image only arises in the exit surface when all modes are put together again in phase. The conditions according to equations (8) and (9r are again exp (S2m) = 1 and exp (Apm) = (- 1) m, with the relative phase positions lym through given are. With the assumption that in every mode of light adiabatically adapts to the local cross-sectional shape and runs with the propagation constant fim (x) corresponding to the local cross-section, the phase positions for can be calculated. In the same approximation as in equation (19) one finds am = - (m2 + 2 m) n [L / 4 q Weq, z] (34) with an averaged equivalent layer thickness By comparing equation (34) with equation (19) it can be seen that all the results obtained for the layer conductor with uniform thickness also remain valid for the layer conductor with locally slowly changing cross-section, if the equivalent thickness Weqz is divided by the Equation (35) replaced mean thickness. In particular, the fundamental mapping equation equation (1) as well as the considerations about inverted and upright mapping remain valid, and there are also all mentioned possibilities of one-dimensional and two-dimensional mapping with shift supervisor or

Streifenleiter weiter. Die Zahl M der konstruktiv zur Bildentstehung beitragenden Moden ist allerdings durch den engsten Querschnitt bestimmt. Sie ist damit im hier betrachteten Leiter kleiner als in einem gleichförmigen Leiter gleicher mittlerer Dicke WeqSz. Diese Tatsache ist von Bedeutung für die praktisch erzielbaren Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsverhältnisse, denn der engste Querschnitt muß stets eine nicht zu kleine Anzahl MP 1 von Moden erlauben, damit überhaupt eine sinnvolle Abbildung zustande kommen kann.Stripline further. The number M of the constructive to the creation of the picture contributing modes is, however, determined by the narrowest cross-section. she is thus smaller in the conductor considered here than in a uniform conductor of the same type medium thickness WeqSz. This fact is of importance for the practically achievable Enlargement or reduction ratios, because the narrowest cross-section must always allow a not too small number MP 1 of modes, thus one at all meaningful mapping can come about.

Eine andere Konsequenz der Gleichung (35) ist, daß geringfügige örtliche Unterschiede der Dicke, z. B. als Folge von Unebenheiten der Grenzflächen flilfil, nicht zu einem Verlust der Abbildungseigenschaften führen, solange nur die mittlere Dicke Weq,z die Gleichung (1) erfüllt. Die weiter oben berechnete Toleranz A wi W bezieht sich also nur auf die mittlere Schichtdicke, nicht aber auf lokale Abweichungen, die größer sein können. Another consequence of equation (35) is that slight local Differences in thickness, e.g. B. as a result of unevenness of the interfaces flilfil, does not lead to a loss of the imaging properties as long as only the middle one Thick Weq, z satisfies equation (1). The tolerance A wi calculated above W therefore only refers to the mean layer thickness, but not to local deviations, which can be bigger.

Der in F i g. 12 dargestellte keilförmige Schichtleiter 123 ist die einfachste Form eines Wellenleiters mit örtlich veränderlichem Querschnitt, da er ebene Wände bzw. Grenzflächen 124, 125 besitzt. Für diesen Leiter ergibt Gleichung (35), daß die mittlere Dicke Weq,z gleich dem geometrischen Mittel aus den äquivalenten Schichtdicken am Anfang und am Ende des Leiters ist = = [We,.2 (0) s We! Z (L)1'. (36) Als Beispiel sei wiederum ein Schichtleiter ähnlich dem in F i g. 2 gezeigten betrachtet. Wenn seine Schichtdicke sich keilförmig von 25 µm auf 100 ltm aufweitet, beträgt die gemittelte äquivalente Schichtdikke wieder Wzq'z 5t: 50 llm. Man erhält dann bei einer Leiterlänge von L = 24 um und rotem He-Ne-Laserlicht ein umgekehrtes Bild, das im Verhältnis der Leiter-Endflächen, also 25 :100, vergrößert ist. Am dünnen Ende können etwa Mo = 25 Moden existieren. The in F i g. 12 is the wedge-shaped layer conductor 123 shown simplest form of a waveguide with a locally variable cross-section, since it has flat walls or interfaces 124, 125. For this conductor results in equation (35) that the mean thickness Weq, z is equal to the geometric mean of the equivalent Layer thicknesses at the beginning and at the end of the conductor is = = [We, .2 (0) s We! Z (L) 1 '. (36) As an example, let us again consider a shift supervisor similar to the one in FIG. 2 shown considered. When its layer thickness widens in a wedge shape from 25 µm to 100 ltm, the averaged equivalent layer thickness is again Wzq'z 5t: 50 μm. You get then with a conductor length of L = 24 .mu.m and red He-Ne laser light a reversed one Image that is enlarged in relation to the conductor end faces, i.e. 25: 100. At the at the thin end there can be about Mo = 25 modes.

Wenn davon M = 15 konstruktiv zur Bildentstehung beitragen, beträgt das räumliche Auflösungsvermögen am dünnen Ende r = WIM x 1,7 um und am dicken Ende r Y 7 um.If M = 15 of these contribute constructively to the creation of the image, is the spatial resolution at the thin end r = WIM x 1.7 µm and at the thick end r Y 7 um.

Die Möglichkeit, mit einem von ebenen Flächen begrenzten Wellenleiter eine vergrößernde Abbildung zu erhalten, ist von besonderem Interesse für das Problem der Abbildung mittels Röntgenstrahlen. Ferner ist die Möglichkeit wichtig, daß man bei einem Schichtleiter nach Fig. 12 mit flüssigem oder gasförmigen Leitermaterial mit der Brechzahl m auf einfachste Weise das Vergrößerungsverhältnis ändern kann. Dazu ist es nur notwendig, eine der Grenzflächen 123, 124 des Leiters relativ zur anderen zu bewegen, und zwar so, daß sich die Schichtdicken an den Endflächen in der gewünschten Weise ändern, wobei aber die geometrisch gemittelte Schichtdicke erhalten bleiben muß. The possibility of using a waveguide limited by flat surfaces Obtaining an enlarged image is of particular interest to the problem the imaging by means of X-rays. Also important is the possibility that one in the case of a layer conductor according to FIG. 12 with liquid or gaseous conductor material with the refractive index m can change the magnification ratio in the simplest way. For this it is only necessary to move one of the interfaces 123, 124 of the conductor relative to the to move others, in such a way that the layer thicknesses at the end faces in change the desired way, but with the geometrically averaged layer thickness must be preserved.

Bei der oben erläuterten Wirkungsweise wurde davon ausgegangen, daß das Medium mit der Brechzahl nl als lichtleitender Film auf ein Substrat mit der Brechzahl no aufgebracht ist (F i g. 1). Die Ausdehnung des Schichtleiters in y-Richtung wurde als sehr groß gegen die Wellenlänge angenommen. In the mode of operation explained above, it was assumed that the medium with the refractive index nl as a light-guiding film on a substrate with the Refractive index no is applied (Fig. 1). The expansion of the shift leader in the y-direction was assumed to be very large versus wavelength.

F i g. 13 zeigt perspektivisch eine davon abweichende Möglichkeit, das Prinzip der Abbildung eines Objektes A als Bild A' mittels eines von einer Lichtquelle 131 gespeisten Wellenleiters 133 in der integrierten Optik anzuwenden. Das Substrat 132 hat die Brechzahl ns. Der dargestellte Wellenleiter der Brechzahl m > ns hat in y-Richtung nur eine Dicke Wz von der Größenordnung einer Lichtwellenlänge, so daß in der y-Richtung nur einige wenige Moden existenzfähig sind. Hier wird zur Vereinfachung angenommen, daß es nur eine einzige Mode ist. Bei richtiger Wahl seiner Abmessungen (L, Wz) liefert der Wellenleiter 133 eine eindimensionale Abbildung seiner einen Stirnfläche bei x= 0 auf die gegenüberliegende Stirnfläche bei x= L. Es gilt wiederum die Abbildungsgleichung Gleichung (1). An Stelle der Brechzahl m ist hier jedoch der sogenannte »effektive Index« No der benutzten Schichtleiter-Mode einzusetzen. Die effektive Dicke Wzq'z in z-Richtung ist wegen des Goos-Hähnchen-Effektes wiederum sehr geringfügig größer als die geometrische Breite Wz des Wellenleiters. Sie kann aber für den Wellenleiter der F i g. 13 nicht nach Gleichungen (2) und (3) berechnet werden, sondern muß z. B. empirisch bestimmt werden. F i g. 13 shows in perspective a different possibility, the principle of imaging an object A as an image A 'by means of a light source 131 fed waveguide 133 to use in integrated optics. The substrate 132 has the refractive index ns. Of the The waveguide shown has a refractive index m> ns in the y-direction only a thickness Wz of the order of magnitude of a light wavelength, see above that only a few modes are viable in the y-direction. Here is the For the sake of simplicity, assume that it is only a single fashion. With the right choice of his Dimensions (L, Wz), the waveguide 133 provides a one-dimensional image its one end face at x = 0 on the opposite end face at x = L. The mapping equation equation (1) applies again. Instead of the refractive index Here, however, m is the so-called "effective index" No of the shift supervisor mode used to use. The effective thickness Wzq'z in the z-direction is because of the goos chicken effect again very slightly larger than the geometric width Wz of the waveguide. But it can be used for the waveguide of FIG. 13 not according to equations (2) and (3) must be calculated, but must e.g. B. be determined empirically.

Für die Dimension Wz besteht keine besondere Einschränkung.There is no particular restriction for dimension Wz.

Die praktische Ausführung eines derartigen abbildenden Wellenleiters der integrierten Optik könnte aus einem Quarz-Substrat der Brechzahl ns = 1,458 bestehen, auf das durch Kathodenzerstäubung ein Film aus (BaO + SiO2) mit der Brechzahl = 1,60 aufgebracht wird. Bei einer Schichtdicke Wz = 0,5 um beträgt der effektive Index der TEo-Mode für He-Ne Laserlicht etwa No - 1,55. Dieser Wellenleiter ergibt eine Abbildung mit hz = 1, wenn seine Abmessungen beispielsweise etwa L = 4 mm und Wz = 20 um betragen. In der z-Richtung dieses Leiters sind etwa Mo = 17 Moden existenzfähig. Wenn davon m = 10 zur Abbildung konstruktiv beitragen, erhält man in z-Richtung der Fig.13 eine räumliche Auflösung von etwa r = 2 um. The practical implementation of such an imaging waveguide the integrated optics could consist of a quartz substrate with a refractive index ns = 1.458 consist, on which a film of (BaO + SiO2) with the refractive index by cathode sputtering = 1.60 is applied. With a layer thickness Wz = 0.5 µm, the effective Index of TEo mode for He-Ne laser light about No - 1.55. This waveguide yields a mapping with hz = 1 if its dimensions, for example, approximately L = 4 mm and Wz = 20 µm. In the z-direction of this conductor, about Mo = 17 modes are able to exist. If m = 10 of these contribute constructively to the mapping, one obtains in the z-direction 13 shows a spatial resolution of approximately r = 2 μm.

Es ist offensichtlich, daß mit Wellenleitern nach F i g. 13 bei entsprechender Modifizierung der Abmessungen auch vergrößernde und verkleinernde Abbildungen möglich sind. Ferner kann man, dem obenerwähnten Stapel entsprechend eine Anordnung zahlreicher gleicher Leiterbahnen in der z-Richtung nebeneinander auf demselben Substrat vorsehen, um ein größeres abgebildetes Gesichtsfeld zu erhalten. It is evident that with waveguides according to FIG. 13 with appropriate Modification of the dimensions, also enlarging and reducing images possible are. Further, according to the above-mentioned stack, there can be an arrangement more numerous provide the same conductor tracks next to one another in the z-direction on the same substrate, to get a larger imaged field of view.

Es ist bekannt, daß die meisten der geometrisch-optischen Gesetze, welche die Ausbreitung, Reflexion, Brechung und Beugung von Licht beschreiben, bei entsprechender Formulierung auch für Schallwellen gelten. An die Stelle von Lichtfrequenz, Lichtwellenlänge, und Lichtgeschwindigkeit treten die Begriffe Schallfrequenz, Schallwellenlänge Aw, und Schallgeschwindigkeit v, und statt der optischen Brechzahl kann beim Schall der Kehrwert 1/vder Schallgeschwindigkeit v benutzt werden. Auch die Zerlegung eines Wellenfeldes in eine Summe orthogonaler Moden ist bei Schall ebenso möglich wie bei Licht. Aus diesen Gründen existiert das durch Gleichung (1) beschriebene Gesetz für eine Abbildung mittels eines Wellenleiters auch für Schallwellen in festen, flüssigen und gasförmigen Medien. It is known that most of the geometrical-optical laws, which describe the propagation, reflection, refraction and diffraction of light corresponding formulation also apply to sound waves. Instead of light frequency, The terms sound frequency and sound wavelength occur in light wavelength and speed of light Aw, and the speed of sound v, and instead of the optical refractive index, in the case of sound the reciprocal value 1 / v of the speed of sound v can be used. Also dismantling one Wave field in a sum of orthogonal modes is just as possible with sound as with light. For these reasons, the law described by equation (1) exists for imaging by means of a waveguide also for sound waves in solid, liquid and gaseous media.

Ein abbildender Wellenleiter 143 für Schallwellen besteht gemäß Fig. 14 aus einer Schicht oder aus einem rechteckigen Prisma eines Materials, das akustisch durchlässig ist, d.h. den Schall wenig absorbiert. Für Schallwellen kommen auch Metalle als Leitermaterial in Frage. Ein Wellenleiter, der auf Totalreflexion basiert, ist außen mit anderen akustischen Materialien umgeben, die höhere Schallgeschwindigkeiten (w und V2) besitzen als das Leitermaterial(vl). Statt dessen genügt es auch, wenn sich die akustischen Impedanzen von Leitermaterial und Umgebung stark unterscheiden, z. B. ein fester Leiter in gasförmige Umgebung. In Fig. 14 ist ein abbildender akustischer Schichtleiter im Querschnitt dargestellt, der einen Schallgeber A als Objekt als »Schall-Bild« A' abbildet, das von einem Verbraucher oder Nachweisgerät 144 genutzt wird. Wenn V(x,z) die lokale Schallamplitude (d. h. die maximale Teilchen-Auslenkung) bezeichnet wird, dann läßt sich beim Licht ein allgemeines Schallfeld entsprechend den Schallamplituden V(x,z) im Wellenleiter nach Gleichung (5) als eine Überlagerung einer Anzahl gleichzeitig angeregter Moden des Wellenleiters darstellen. Die Modenfunktion für Kompressionswellen und für die beiden möglichen Polarisationen von Scherwellen unterscheiden sich geringfügig voneinander und von den Modenfunktionen des Lichtes. Die Unterschiede liegen hauptsächlich in den verschiedenen Eindringtiefen D des Schalles in die akustisch dünneren Materialien, worin sich ja auch TE-und TM-polarisiertes Licht unterscheiden. Bei genügender Dicke Wz der Schicht (Wz> A) gilt für die niedrigsten Moden aber in jedem Falle D g < Wz, und die Moden des Wellenleiters und die Abbildungsbedingungen werden durch die Gleichungen (12l (13), (15l (17) bis (20) und durch Gleichung (1) beschrieben. Aus Analogiegründen folgt dann für den Schall-Wellenleiter auch die Gültigkeit aller oben gemachten Überlegungen über Auflösungsvermögen, Phasenkorrekturen, Toleranzen, zweidimensionale Abbildung, Wellenleiter-Stapel und -Bündel, Modifizierung oder Endflächen, Abbildung mit verkürzten Wellenleitern, Apodisation und vergrößernde und verkleinernde Abbildung. Ferner ist ein der Fig. 13 entsprechendes Abbildungssystem mit akustischen Oberflächenwellen möglich. An imaging waveguide 143 for sound waves is made according to FIG. 14 from a layer or from a rectangular prism of a material that is acoustically is permeable, i.e. hardly absorbs sound. For sound waves also come Metals as conductor material in question. A waveguide based on total internal reflection, is surrounded on the outside with other acoustic materials that allow higher speeds of sound (w and V2) have as the conductor material (vl). Instead, it is enough if the acoustic impedances of the conductor material and the environment differ greatly, z. B. a solid conductor in a gaseous environment. In Fig. 14 is an imaging acoustic Shift supervisor shown in cross section, who uses a sounder A as an object "Sound image" A 'depicts that used by a consumer or detection device 144 will. If V (x, z) is the local sound amplitude (i.e. the maximum particle displacement) is referred to, then a general sound field can be correspondingly used in the case of light the sound amplitudes V (x, z) in the waveguide according to equation (5) as a superposition represent a number of simultaneously excited modes of the waveguide. The mode function for compression waves and for the two possible polarizations of shear waves differ slightly from each other and from the mode functions of light. The differences lie mainly in the different penetration depths D des Sound into the acoustically thinner materials, which are also TE and TM polarized Distinguish light. With sufficient thickness Wz of the layer (Wz> A) applies to the the lowest modes, however, in each case D g <Wz, and the modes of the waveguide and the imaging conditions are given by equations (12l (13), (15l (17)) through (20) and described by equation (1). For reasons of analogy it then follows for the sound waveguide also the validity of all the considerations made above Resolving power, phase corrections, tolerances, two-dimensional imaging, waveguide stacks and bundles, modification or end faces, imaging with shortened waveguides, Apodization and zooming in and out. Furthermore, one of the Fig. 13 corresponding imaging system with surface acoustic waves is possible.

Als einfachstes Beispiel sei ein zweidimensional abbildender akustischer Streifenleiter erwähnt. Er ist freitragend und besteht aus geschmolzenem Quarz. Sein Querschnitt ist quadratisch 2 x 2 mm, seine Länge beträgt L = 200 mm. Dieser Leiter erzeugt eine umkehrende Abbildung (hy = hz = 1) seiner Stirnflächen aufeinander für eine Schallwellenlänge von etwa A = 80 um, was bei Benutzung von Kompressionswellen einer Schallfrequenz von etwa 75 MHz entspricht: Bei 10 konstruktiv zur Abbildung beitragenden Moden ist ein räumliches Auflösungsvermögen von r = 0,2 mm zu erwarten. The simplest example is a two-dimensional imaging acoustic Stripline mentioned. It is cantilevered and made of fused quartz. Its cross-section is square 2 x 2 mm, its length is L = 200 mm. This Ladder creates an inverted mapping (hy = hz = 1) of its end faces onto one another for a sound wavelength of about A = 80 µm, which is when using compression waves corresponds to a sound frequency of about 75 MHz: At 10 constructive for illustration A spatial resolution of r = 0.2 mm is to be expected for the contributing modes.

Nachfolgend werden einige weitere Anordnungen für besonders zweckmäßige Anwendungsbeispiele eines Wellenleiters gemäß der Erfindung beschrieben. Below are some more arrangements for particularly expedient Application examples of a waveguide according to the invention described.

Die einfache Übertragung eines optischen Bildes von einer Stirnfläche eines abbildenden Wellenleiters auf die gegenüberliegende Stirnfläche wurde bereits erläutert. The simple transfer of an optical image from a face an imaging waveguide on the opposite end face has already been explained.

Wenn es sich um ein gewöhnliches, zweidimensionales Bild handelt, ist ein rechteckiger oder quadratischer Leiterquerschnitt zweckmäßig. Die Abbildung kann aufrecht oder umkehrend gewählt werden, vergrößernd oder verkleinernd. Für ein großes Gesichtsfeld kann ein Leiterbündel verwendet werden. Da monochromatisches Licht erforderlich ist, ist diese Art der Abbildung vor allem für Systeme zur optischen Bildauswertung und -Verarbeitung von Interesse. Die Übertragung kann z. B. aus dem Inneren eines Vakuumgefäßes nach außen oder umgekehrt erfolgen, etwa bei einer Bildaufnahme-Röhre, oder aus Räumen hohen Druckes, hoher Temperatur oder hoher Radioaktivität oder in solche Räume hinein.If it is an ordinary, two-dimensional image, a rectangular or square conductor cross-section is appropriate. The illustration can be chosen upright or inverted, enlarging or reducing. For a bundle of conductors can be used for a large field of view. As monochromatic Light is required, this type of imaging is especially important for optical systems Image evaluation and processing of interest. The transmission can e.g. B. from the Inside a vacuum vessel to the outside or vice versa, for example in the case of an image recording tube, or from rooms of high pressure, high temperature or high radioactivity or in such spaces into it.

Beim Aufbau von Systemen, die mit monochromatischer Strahlung etwa im Wellenlängenbereich A = 50 CLm ... 5 mm arbeiten, besteht gelegentlich das Problem, solche Strahlung im Labor über Entfernungen von einigen Metern zu übertragen, ohne dabei die Modenreinheit des Strahles (z. B. TEMoo) wesentlich zu verschlechtern. Optische Ubertragungssysteme mit Linsen sind hierfür wegen des Fehlens guter, absorptionsarmer Materialien wenig geeignet Eine Übertragung in einem metallischen Hohlrohrwellenleiter, der nur eine einzige Mode führt, bewirkt erhebliche Absorptionsverluste. In einem stark überdimensionierten Hohlleiter sind die Verluste niedrig, aber es ist schwierig, in einem solchen Multimode-Hohlleiter eine einzige Mode gezielt und sauber anzuregen. Auch hier kann mit Vorteil ein abbildender Wellenleiter eingesetzt werden. Wenn die zu übertragende Strahlung einen genügend kleinen Querschnitt hat, kann sie durch das Auskoppelloch 152 (Fig. 15) eines Submillimeter-Lasers 151 direkt in das eine Ende eines nach Gleichung (1) abbildenden Wellenleiters (153) eingestrahlt werden, ohne daß auf die Multimode-Eigenschaften dieses Wellenleiters Rücksicht zu nehmen ist. Am anderen Ende entsteht dann ein »Bild« des Einganges, so daß der am Ausgang einem Verbraucher 154 zugeleitete Strahl dieselbe räumliche Struktur hat wie der Eingangsstrahl. When building systems that use monochromatic radiation, for example in the wavelength range A = 50 CLm ... 5 mm, there is occasionally the problem to transmit such radiation in the laboratory over distances of a few meters without thereby significantly worsening the mode purity of the beam (e.g. TEMoo). Optical transmission systems with lenses are for this purpose due to the lack of good, low-absorption systems Materials not very suitable A transmission in a metallic hollow tubular waveguide, which only has a single mode causes considerable absorption losses. In one heavily oversized waveguides, the losses are low, but it is difficult to to excite a single mode in a targeted and clean manner in such a multimode waveguide. An imaging waveguide can also be used here with advantage. if the radiation to be transmitted has a sufficiently small cross-section, it can pass through the coupling-out hole 152 (FIG. 15) of a sub-millimeter laser 151 directly into the one The end of a waveguide (153) mapping according to equation (1) is irradiated, without taking into account the multimode properties of this waveguide is. At the other end there is a "picture" of the entrance, so that the one at the exit A beam fed to a consumer 154 has the same spatial structure as the Input beam.

Als Beispiel sei die Übertragung der Strahlung eines HCN-Lasers der Wellenlänge A = 0,337 mm genannt. An example is the transmission of the radiation from an HCN laser Shaft length A = 0.337 mm.

Die Strahlung werde z. B. durch ein Loch von 4 mm Durchmesser aus einem der Resonatorspiegel des Lasers 151 ausgekoppelt. Diese Strahlung soll durch einen abbildenden Wellenleiter über eine Entfernung von z. B. L = 4,75 m übertragen werden. Das kann, wie in Fig. 15 im Querschnitt schematisch dargestellt, mittels eines quadratischen metallischen Hohlrohres geschehen. Wenn das eine Ende des Rohres direkt vor das Auskoppelloch 152 des Lasers gestellt wird, dann tritt aus dem anderen Ende des Hohlrohres ein Strahl des gleichen Durchmessers (4mm) aus, wie ihn der Laserstrahl direkt hinter dem Auskoppelloch hatte, vorausgesetzt, daß das Hohlrohr die Abbildungsbedingungen der Gleichungen (1) und (4) erfüllt. Im vorliegenden Falle bedeutet das z. B. ein Hohlrohr mit einem quadratischem Innenquerschnitt von Wy = Wz = 20mm. Die Abbildung ist umkehrend (hy=hz= 1).The radiation will z. B. through a hole 4 mm in diameter coupled out to one of the resonator mirrors of the laser 151. This radiation is supposed to go through an imaging waveguide over a distance of e.g. B. L = 4.75 m transferred will. This can, as shown schematically in cross section in FIG. 15, by means of of a square metallic hollow tube happen. If that one end of the pipe is placed directly in front of the decoupling hole 152 of the laser, then emerges from the other At the end of the hollow tube, a beam of the same diameter (4mm) as the one Laser beam directly behind the decoupling hole, provided that the hollow tube satisfies the mapping conditions of equations (1) and (4). In the present case does that mean z. B. a hollow tube with a square inner cross-section of Wy = Wz = 20mm. The figure is reversed (hy = hz = 1).

Das eben beschriebene Prinzip der Übertragung und Abbildung kann man in der integrierten Optik benutzen, um die Strahlung eines GaAs-Injektionslasers oder -Verstärkers 161 in eine gegebene lichtleitende Schicht 162 einzukoppeln (Fig. 16). Ein Problem bei dieser Einkopplung ist, daß die durch die aktive Zone oder Schicht 164 bestimmte aktive Zone des Lasers nicht ohne weiteres in eine Ebene mit der lichtleitenden Schicht 162 gebracht werden kann. Wenn der Laser auf das Substrat 165 aufgesetzt wird, bleibt vielmehr eine Höhendifferenz von z.B. H = 10 um, die durch die Deck- und Kontakt-Schichten des Lasers bedingt ist. The principle of transmission and mapping just described can one use in the integrated optics to the radiation of a GaAs injection laser or amplifier 161 to be coupled into a given light-conducting layer 162 (Fig. 16). A problem with this coupling is that the active zone or Layer 164 determined the active zone of the laser not easily in a plane with the light-guiding layer 162 can be brought. When the laser hits the substrate 165 is put on, instead there remains a height difference of e.g. H = 10 µm, which is caused by the cover and contact layers of the laser.

Wie in Fig.16 gezeigt, kann diese Höhendifferenz durch eine umkehrende Abbildung mit einem Schichtleiter 163 überwunden werden. Die Austrittsfläche 168 des Lasers wird als Objekt durch diesen Schichtleiter 163 der Dicke Wz in das Ende 169 der Schicht 162 abgebildet, deren Dicke WF Z. B. 1 um beträgt. Um die Herstellung einer scharf abgeschnittenen Endfläche der leitenden Schicht 162 zu vermeiden, bringt man auf dieser eine Deckschicht 166 niedriger Brechzahl nn mit scharfer Kante an, die das Leiterende der Schicht 162 definiert. Zugleich wird die Brechzahl m des Materials des Schichtleiters 163 gleich der Brechzahl nF der Schicht 162 gewählt, so daß optisch der Schichtleiter 1163 auf der mit L bezeichneten Länge zum Teil durch die Schicht 162, also von beiden Schichten gemeinsam gebildet wird. As shown in Fig. 16, this height difference can be converted by a reversing Figure to be overcome with a shift leader 163. The exit surface 168 of the laser is as an object through this layer conductor 163 of the thickness Wz in the end 169 of the layer 162, the thickness WF of which is, for example, 1 µm. About the manufacture avoiding a sharply cut end face of the conductive layer 162 brings about a cover layer 166 of low refractive index nn with a sharp edge is applied to this, which defines the conductor end of layer 162. At the same time, the refractive index m des The material of the layer conductor 163 is equal to the refractive index nF of the layer 162 is selected so that the layer conductor 1163 optically extends over the length indicated by L. is partly formed by the layer 162, that is to say by both layers together.

Für eine hochauflösende Abbildung ist es vorteilhaft, den Schichtleiter 163 symmetrisch zu machen, d. h. für seine Deckplatte 167 ein Material mit gleicher Brechzahl m = no wie das Substrat 165 zu wählen. Die Dicke Wz und Länge L des Schichtleiters 163 müssen nach Gleichung (1) mit ungeradem hz bemessen werden. For a high-resolution image it is advantageous to use the shift supervisor 163 to make symmetrical, d. H. for its cover plate 167 a material with the same Refractive index m = no like the substrate 165 to be selected. The thickness Wz and length L of the shift leader 163 must be measured with an odd hz according to equation (1).

Damit das Bild der Lichtaustrittsfläche genau in der Höhe der Schicht 162 entworfen wird, muß Wz = WF + H gewählt werden. Wenn beispielsweise WF= I um und H= 10,um sind, so muß für AS = 8900 A, m = 1,51 und hZ = 1 eine Abbildungslänge von L = 0,82mm verwendet werden. Zur genauen Einstellung der Abbildung kann es vorteilhaft sein, den Schichtleiter 163 aus einem geeigneten flüssigen oder plastischen Material herzustellen. Die Abbildung kann dann durch Auf- und Abbewegung und Kippung der Deckplatte 167Optimal eingestellt werden. Anschließend wird die Deckplatte 167 in ihrer Lage fixiert, z. B. durch Polymerisation des Materials des Schichtleiters (1).So that the image of the light exit surface is exactly at the level of the layer 162 is designed, Wz = WF + H must be chosen. For example, if WF = I um and H = 10 µm, then for AS = 8900 A, m = 1.51 and hZ = 1 an image length must be of L = 0.82mm can be used. It can be advantageous for the exact setting of the figure be the layer conductor 163 made of a suitable liquid or plastic material to manufacture. The figure can then be moved up and down and by tilting the Cover plate 167 can be optimally adjusted. Then the cover plate 167 is in fixed in their position, e.g. B. by polymerizing the material of the layer conductor (1).

Eine andere Lösung dieses Kopplungsproblems ist möglich, wenn die Höhe H der aktiven Laserzone über der Grundfläche so groß ist, daß sich unpraktisch große Abbildungslängen L nach Gleichung (1) ergeben würden. In diesem Falle ist es möglich, den GaAs-Laser 171 seitlich neben dem Substrat 175 anzuordnen, wie in F i g. 17 im Querschnitt gezeigt ist. In dieser Anordnung müssen die Höhendifferenz Ht und die Schichtdicke Wz justiert werden, bis eine optimale Abbildung erreicht ist. Another solution to this coupling problem is possible if the Height H of the active laser zone above the base is so great that it is impractical would result in large imaging lengths L according to equation (1). In this case it is it is possible to arrange the GaAs laser 171 laterally next to the substrate 175, as in FIG F i g. 17 is shown in cross section. In this arrangement there must be the difference in height Ht and the layer thickness Wz can be adjusted until an optimal image is achieved is.

Es ist dabei von Vorteil, daß die Kante K2 des Substrates 175 nicht perfekt ausgebildet zu sein braucht, denn sie befindet sich ja an einer Stelle der Dunkelheit. Die Kante Kl der Deckplatte 177 sollte dagegen möglichst perfekt und geradlinig sein, denn sie befindet sich nahezu im Lichtstrahl des Lasers. Wenn die Kante Ki rauh ist, wird ein Teil des Laserlichtes gestreut. Die lichtleitende Schicht 172 und die Deckschicht 176 entsprechen derjenigen nach Fig. 16.It is advantageous that the edge K2 of the substrate 175 is not needs to be perfectly trained, because it is located at a point of Darkness. The edge Kl of the cover plate 177, on the other hand, should be as perfect as possible and be straight, because it is almost in the light beam of the laser. If the Edge Ki is rough, part of the laser light is scattered. The light-guiding layer 172 and the cover layer 176 correspond to those according to FIG. 16.

Die in Fig. 16 und 17 dargestellte Anordnung kann in etwas abgewandelter Form benutzt werden, um zwei Schichtleiter der integrierten Optik so miteinander zu koppeln, daß das in dem einen Leiter ankommende Licht in den zweiten übertragen wird. Eine bekannte Möglichkeit der Kopplung ist die Verwendung eines dünnen Hilfs-Schichtleiters, der auf die zu verbindenden Leiterenden aufgebracht wird. Hierbei müssen sich die drei beteiligten Leiter zu ihren Enden hin allmählich verjüngen. Eine bessere Lösung des Kopplungsproblems für monochromatisches Licht bietet die Verwendung eines abbildenden Schichtleiters 183 gemäß F i g. 18, zur Verbindung zweier Leiter auf demselben Substrat oder auf getrennten Substraten. Der dargestellte einfachste Fall ist die Verbindung zweier gleicher Leiter 182, 182' (WF = Wfl) auf demselben oder auf zwei gleichen Substraten 185, 185'. Für den abbildenden Schichtleiter 183 wird dann ein Material gleicher Brechzahl gewählt, m = nF = nF', so daß die Enden der Leiter 182 und 182' wieder durch die scharfen Kanten der Deckschichten 186 und 186' definiert werden. Der Abstand L der Deckschichten und die Schichtdicke Wz des abbildenden Schichtleiters 183 werden gemäß Gleichung (1) für eine Abbildung der benutzten Wellenlänge mit hz = 2 bemessen. Die Abbildung ist also aufrecht. In der Mitte zwischen den Endflächen E, E'der Leiter entsteht ein umgekehrtes Zwischenbild der Leiterenden. Da dieses Bild auf der Seite der Deckplatte 187 liegt, ist es auf der gegenüberliegenden Seite der Schicht des Schichtleiters 183 (Brechzahl nl) dunkel. Es spielt daher keine Rolle, ob sich dort ein gemeinsames durchgehendes Substrat befindet, oder ob dort die Stoßstelle der Kanten K, K' zweier getrennter Substrate liegt. Es stören auch kleine Unregelmäßigkeiten dieser Kanten die Abbildung nicht, vorausgesetzt, daß ihre Ausdehnung in x-Richtung den in Gleichung (30) definierten Wert dmax nicht wesentlich übersteigt. The arrangement shown in FIGS. 16 and 17 can be modified somewhat Form used to make two layer leaders of the integrated optics so with each other to couple so that the incoming light in one conductor is transmitted into the second will. A well-known possibility of coupling is the use of a thin auxiliary layer conductor, which is applied to the conductor ends to be connected. The three participating conductors gradually taper towards their ends. A better solution the coupling problem for monochromatic light offers the use of an imaging Shift supervisor 183 according to FIG. 18, for connecting two conductors on the same substrate or on separate substrates. The simplest case shown is the connection two identical conductors 182, 182 '(WF = Wfl) on the same or on two of the same Substrates 185, 185 '. A material is then used for the imaging layer conductor 183 the same refractive index selected, m = nF = nF ', so that the ends of the conductors 182 and 182' again be defined by the sharp edges of cover layers 186 and 186 '. The distance L between the cover layers and the layer thickness Wz of the imaging layer conductor 183 are according to equation (1) for an image of the wavelength used with hz = 2 dimensioned. So the figure is upright. In the middle between the end faces E, The conductor creates an inverted intermediate image of the conductor ends. Since this Image is on the side of the cover plate 187, it is on the opposite side the layer of the layer conductor 183 (refractive index nl) dark. So it doesn't It matters whether there is a common continuous substrate there or whether there the joint of the edges K, K 'of two separate substrates lies. It bother too small irregularities in these edges do not affect the figure, provided that their extension in the x-direction does not exceed the value dmax defined in equation (30) significantly exceeds.

Die Brechzahl n2 der Deckplatte 187 braucht bei der hier benutzten aufrechten Abbildung nicht notwendig gleich der Brechzahl no = no' des Substratmaterials zu sein. Der Koppler verkoppelt bei idealer Abbildung nur jeweils gleiche Moden der Leiter 182 und 182' miteinander.The refractive index n2 of the cover plate 187 needs for the one used here upright image not necessarily equal to the refractive index no = no 'of the substrate material to be. In the case of ideal imaging, the coupler only couples the same modes in each case conductors 182 and 182 'together.

Verschiedene Modifikationen der Koppelanordnung nach Fig. 18 sind möglich: Wenn die Schichtdicken der beiden Leiter oder ihre Brechzahlen verschieden sind (WF # WF' oder nFz nF'), n9, kann eine Verkopplung zweier gleicher Moden dadurch erreicht werden, daß die Abbildung vergrößernd bzw. verkleinernd gewählt wird, indem die Schichtdicke Wz keilförmig gemacht wird. Das Vergrößerungsverhältnis muß gleich dem Verhältnis der transversalen Ausbreitungskonstanten z,: z,b' der zu verkoppelnden Mode y in den Leitern 182 und 182' gemacht werden. Durch Wahl eines anderen Abbildungsverhältnisses (z»:zv') lassen sich auch verschiedene Moden ,c und v der Leiter selektiv miteinander koppeln. Various modifications of the coupling arrangement of FIG. 18 are possible possible: If the layer thicknesses of the two conductors or their refractive indices are different are (WF # WF 'or nFz nF'), n9, a coupling of two identical modes can be can be achieved in that the image is selected to be enlarged or reduced by making the layer thickness Wz wedge-shaped. The enlargement ratio must be equal to the ratio of the transverse propagation constant z ,: z, b 'der Mode y to be coupled can be made in conductors 182 and 182 '. By choosing one different modes (z »: zv ') can also be used for different modes, c and v selectively couple the conductors together.

Im Falle unterschiedlicher Brechzahlen (nF Z nF') der zu koppelnden Leiter ist es möglich, die Deckschichten 186 und 186' wegzulassen, wenn die Brechzahl n des abbildenden Leiters so klein gewählt wird (nl < nF; m < nF'), daß dieser selbst als Deckschicht der beiden Leiter 182, 182' wirkt. In diesem Fall muß die in Fig. 18 mit L2 bezeichnete Länge der Abbildungsbedingung Gleichung (1) genügen, und die Endflächen Eund E'der Leiter sollten möglichst scharf und rechtwinklig ausgebildet sein. In the case of different refractive indices (nF Z nF ') the one to be coupled Conductor it is possible to omit the cover layers 186 and 186 'if the refractive index n of the imaging conductor is chosen so small (nl <nF; m <nF ') that this itself acts as a cover layer for the two conductors 182, 182 '. In this case the 18, the length of the imaging condition equation (1), denoted by L2, and the end faces E and E 'of the conductors should be as sharp and rectangular as possible be.

Fig. 19 zeigt einen Laser-Resonator mit einem abbildendem Wellenleiter 193. Wird darstellungsgemäß ein längeres Wellenleiterstück an beiden Enden mit ebenen Spiegeln versehen, so entsteht ein Hohlraum-Resonator. Die möglichen Schwingungsformen dieses Resonators kann man zunächst nach der auch als longitudinale Moden-Nummer bezeichneten Zahl q der Knotenebenen x = const. des elektrischen Feldes klassifizieren. Zu der Zahl q gibt es dann noch eine Anzahl transversaler Moden, deren Zahl beim Schichtleiter der sogenannten transversalen Moden-Nummer filz der Knotenebenen z= const. entspricht. Beim rechteckigen Streifenleiter sind zwei transversale Moden-Nummern my und filz erforderlich. Die Feldbilder der verschiedenen transversalen Moden sind identisch mit den Feldern der entsprechenden Wellenleiter-Moden gleicher Moden-Nummern filz (bzw. gleicher myund mz). 19 shows a laser resonator with an imaging waveguide 193. As shown, a longer piece of waveguide is flat at both ends If mirrors are provided, a cavity resonator is created. The possible waveforms this resonator can initially also be called a longitudinal mode number designated number q of the nodal levels x = const. classify the electric field. In addition to the number q there is a number of transversal modes, the number of which is at Shift supervisor of the so-called transversal mode number felt of the node levels z = const. is equivalent to. The rectangular stripline has two transverse mode numbers my and felt required. The field images of the various transverse modes are identical to the fields of the corresponding waveguide modes with the same mode numbers felt (or the same myund mz).

In einem langen Hohlraum-Resonator (L> Wz) besitzer. im allgemeinen die verschiedenen, zur gleichen Zahl q gehörigen transversalen Moden verschiedene Resonanzfrequenzen. Für die Konstruktion von Lasern ist dies unerwünscht. Deshalb werden für Laser mit Vorteil offene Hohlraum-Resonatoren verwendet, bei denen die höheren transversalen Moden (filz ' 1) erhöhte Beugungsverluste erleiden und somit unterdrückt werden können. Ist nun ein abbildender Wellenleiter vorgesehen, d. h. genügt seine Länge der Gleichung (1), so haben alle transversalen Moden dieselbe Resonanzfrequenz. Man erkennt dies daraus, daß die Abbildungsbedingung Gleichung (1) gleichwertig ist mit den Bedingungen der Gleichungen (8) und (9). In a long cavity resonator (L> Wz) owner. in general the different transverse modes belonging to the same number q are different Resonance frequencies. This is undesirable for the construction of lasers. That's why open cavity resonators are advantageously used for lasers in which the higher transverse modes (felt '1) suffer increased diffraction losses and thus can be suppressed. Is now an imaging Waveguide provided, d. H. if its length satisfies equation (1), then all have transversals Modes have the same resonance frequency. This can be seen from the fact that the imaging condition Equation (1) is equivalent to the conditions of equations (8) and (9).

Sie bedeuten, daß alle Wellenleiter-Moden in einem Resonator die Länge L gleichzeitig in Resonanz sind.They mean that all waveguide modes in a resonator have the length L are in resonance at the same time.

In einem Laser, dessen Resonator nach Gleichung (1) bemessen ist, werden aber alle transversalen Moden m = 0,1, 2 . . . gleicher longitudinaler Moden-Nummer q nicht nur mit gleicher Frequenz, sondern auch mit gleicher Phase schwingen, denn in einem Laser mit frequenzentarteten Moden genügt bekanntlich bereits irgendeine kleine Nichtlinearität oder andere Störung, um die Moden phasenmäßig zu koppeln. Ein Resonator mit abbildendem Wellenleiter erscheint daher besonders geeignet zur Konstruktion von Lasern hoher spektraler Reinheit (»single-frequency-laser«). Der Resonator entspricht in gewisser Hinsicht einem Fabry-Perot-Resonator mit konzentrischen sphärischen Spiegeln. Im Gegensatz zu letzterem treten aber beim Resonator mit abbildendem Wellenleiter im Entartungsfall keine erhöhten Beugungsverluste auf, da alle zur Abbildung beitragenden Moden geführte Moden des Wellenleiters sind. In a laser whose resonator is dimensioned according to equation (1), but all transversal modes become m = 0.1, 2. . . same longitudinal mode number q not only vibrate with the same frequency, but also with the same phase, because in a laser with frequency-degenerate modes, as is well known, any one is sufficient small non-linearity or other disturbance to phase lock the modes. A resonator with an imaging waveguide therefore appears particularly suitable for Construction of lasers of high spectral purity (»single frequency laser«). Of the Resonator corresponds in a certain way to a Fabry-Perot resonator with concentric spherical mirrors. In contrast to the latter, however, the resonator with imaging occurs Waveguides do not show any increased diffraction losses in the event of degeneration, since all of them lead to Figure contributing modes are guided modes of the waveguide.

Die erwähnte Modenkopplung kann auch absichtlich und in wohldefinierter Form herbeigeführt werden, und zwar durch Benutzung hinreichend kleiner Spiegel 201, 202 an den Resonator-Enden gemäß F i g. 20. Die Größe dieser Spiegel wird zweckmäßig etwas größer gewählt als das in Gleichung (24) definierte Auflösungsvermögen rdes Wellenleiters 203, und ihre Position muß so sein, daß der Wellenleiter die Spiegel wechselseitig aufeinander abbildet. Einer der Spiegel soll teildurchlässig sein, um das erzeugte Laserlicht auszukoppeln. The mentioned mode coupling can also be done intentionally and in a well-defined manner Shape can be brought about by using sufficiently small mirrors 201, 202 at the resonator ends according to FIG. 20. The size of these mirrors becomes appropriate selected to be somewhat larger than the resolving power rdes defined in equation (24) Waveguide 203, and its position must be such that the waveguide touches the mirror mutually map each other. One of the mirrors should be partially transparent to decouple the generated laser light.

Wegen der Kleinheit der Spiegel hat das von ihnen reflektierte Licht eine relativ große, beugungsbegrenzte Apertur. Entsprechend der Ableitung von Gleichung (24) breitet sich das reflektierte Licht im Wellenleiter in Form der M niedrigsten Moden aus. Wegen der vorausgesetzten Abbildungseigenschaft gelangt nahezu alles Licht auf den anderen Spiegel, von dem es erneut in den Resonator zurückgeworfen wird. Die Konvergenz des Lichtes genau auf die kleinen (r < W) Spiegel bedeutet nahezu völlige gegenseitige Auslöschung der M angeregten Moden in den nicht von den Spiegeln eingenommenen Bereichen (W - r) der Wellenleiter-Endflächen. Dies ist aber nur möglich, wenn feste Phasenbezeichnungen zwischen den M Moden bestehen.Because of the small size the mirrors have light reflected from them a relatively large, diffraction-limited aperture. According to the derivation of equation (24) the reflected light propagates in the waveguide in the form of the M lowest Fashions off. Because of the assumed imaging property, almost anything works Light on the other mirror, from which it is reflected back into the resonator will. The convergence of light exactly on the small (r <W) mirror means almost complete mutual cancellation of the M excited modes in the modes not from Areas occupied by the mirrors (W - r) of the waveguide end faces. This is but only possible if there are fixed phase designations between the M modes.

Die wichtigste Eigenschaft des Laser-Resonators nach F i g. 20 ist, daß in einfacher Weise ein großes, nahezu gleichförmig ausgeleuchtetes Volumen optisch verstärkenden Materials so in einem Laser oder Verstärker benutzt werden kann. daß dabei ein einziger, räumlich kohärenter, beugungsbegrenzter Ausgangsstrahl erzielbar ist. Die nahezu gleichförmige Ausleuchtung ist die Folge der gleichzeitigen Anregung einer Großen Zahl (M) von Moden. Die einzigen Orte, wo die Moden sich völlig auslöschen, sind die erwähnten Bereiche der Endflächen neben den Spiegeln. Im ganzen übrigen Volumen des Wellenleiters ist daher die Intensitätsverteilung des Lichtes gleichmäßiger, als sie es bei Anregung nur einer einzelnen Mode wäre. Dies verhindert den Effekt des sogenannten »spatial hole-burning«, der z. B. beim Nd : YAG-Laser leicht zu Instabilitäten Anlaß gibt. The most important property of the laser resonator according to FIG. 20 is that in a simple manner a large, almost uniformly illuminated volume optically amplifying material so can be used in a laser or amplifier. that a single, spatially coherent, diffraction-limited output beam can be achieved is. The almost uniform illumination is the result of the simultaneous excitation a large number (M) of modes. The only places where fashions completely extinguish each other are the mentioned areas of the end faces next to the mirrors. In all the rest Volume of the waveguide, the intensity distribution of the light is more even, than it would be if only a single fashion was suggested. This prevents the effect the so-called »spatial hole-burning«, which z. B. with the Nd: YAG laser easy to Instabilities give rise to.

Eine mögliche Modifikation der Anordnung nach Fig.20 besteht darin, einen kleinen Spiegel nur an einem Wellenleiter-Ende zu verwenden, am anderen Ende aber einen großen Spiegel wie in Fig. 19, der die ganze Endfläche überdeckt. In diesem Falle ist nur derjenige kleine Teil des großen Spiegels wirksam, der dem Bild des kleineren Spiegels entspricht Der Abstand L der Spiegel ist in allen Fällen gemäß Gleichung (1) zu bemessen. A possible modification of the arrangement according to Fig. 20 consists in using a small mirror only on one waveguide end, on the other end but a large mirror as in Fig. 19 which covers the entire end face. In in this case only that small part of the large mirror is effective, which is the The image of the smaller mirror corresponds to The distance L between the mirrors is in all cases to be dimensioned according to equation (1).

Eine weitere, in Fig.21 dargestellte Modifikation benutzt einen abbildenden Wellenleiter 213, dessen Länge Ls nur halb so groß ist, wie nach Gleichung (1) für eine Abbildung nötig wäre (Ls = L12), und der an einem Ende mit einem senkrecht zur Achse des Wellenleiters angeordneten ebenen Spiegel Sp 1 abgeschlossen ist. Another modification shown in Fig. 21 uses an imaging Waveguide 213, the length Ls of which is only half as great as according to equation (1) for a figure would be necessary (Ls = L12), and the one at one end with a perpendicular to the axis of the waveguide arranged plane mirror Sp 1 is completed.

Wenn die Abbildungsgleichung (1) mit ungeradem hZ erfüllt ist, bildet dieser Wellenleiter sein offenes Ende umgekehrt auf sich selbst ab. Dies folgt etwa aus den Eigenschaften des zu Fig.21 äquivalenten Wellenleiters, der aus dem Stück der Länge Lsselbst und dem vom Spiegel Sp 1 entworfenen Spiegelbild dieses Stückes besteht. Aus dem Wellenleiter halber Länge wird durch Aufstellen der beiden Spiegel Sp 2 und Sp 3 an symmetrisch gelegenen Punkten des offenen Endes ein Resonator. Bei hinreichend kleiner Größe dieser Spiegel Sp 2 und Sp 3 hat der Resonator gemäß Fig. 21 ganz ähnliche Eigenschaften wie der nach F i g. 20. An Stelle der zwei symmetrisch angeordneten Spiegel kann natürlich auch ein einziger, in der Achse angeordneter Spiegel verwendet werden.If the mapping equation (1) is satisfied with an odd hZ, then forms this waveguide reverses its open end on itself. This roughly follows from the properties of the waveguide equivalent to Fig. 21, which is made from the piece the length Lsselbst and the mirror image of this piece designed by the mirror Sp 1 consists. The half-length waveguide is made by setting up the two mirrors Sp 2 and Sp 3 are a resonator at symmetrically located points of the open end. If the size of these mirrors Sp 2 and Sp 3 is sufficiently small, the resonator according to FIG FIG. 21 very similar properties to that according to FIG. 20. Symmetrical in place of the two arranged mirror can of course also be a single, arranged in the axis Mirrors are used.

Der kleine Spiegel der oben beschriebenen Beispiele kann auch durch eine Schlitz- bzw. Lochblende B ersetzt werden, die in einen Wellenleiter 223 eingefügt ist, der an beiden Enden mit großen ebenen Spiegeln Sp 1 bzw. The small mirror of the examples described above can also go through a slotted or perforated diaphragm B inserted into a waveguide 223 can be replaced is, which at both ends with large flat mirrors Sp 1 resp.

Sp2 abgeschlossen ist, wie in F i g. 22 dargestellt ist.Sp2 is complete, as shown in FIG. 22 is shown.

Wenn die Längen La und Lb der beiden Wellenleiterstükke rechts und links der Blende B so bemessen sind, daß jede Seite einzeln die Blende in sich abbildet, so entsteht wieder ein Resonator mit den Vorteilen des in F i g. 20 gezeigten. Einer der Ausgangsspiegel, z. B. der Spiegel Sp 2, sollte zur Auskopplung der Laserstrahlung wieder teildurchlässig sein. Wenn sich dahinter noch ein weiteres Leitungsstück der Länge Lb anschließt, erscheint die Ausgangsstrahlung in dem Bild B' der Blende gebündelt.If the lengths La and Lb of the two waveguide pieces on the right and to the left of the faceplate B are dimensioned so that each side depicts the faceplate in itself, this creates a resonator with the advantages of the one shown in FIG. 20 shown. One the output mirror, e.g. B. the mirror Sp 2, should be used to couple the laser radiation be partially permeable again. If there is another piece of pipe behind it the length Lb connects, the output radiation appears in the image B 'of the diaphragm bundled.

Von hohem Interesse für Verstärker und Laser der integrierten Optik sind Schicht- oder Streifen-Leiter, die Ionen der seltenen Erden enthalten. Als wichtigste Beispiele seien Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd : YAG) und Neodympentaphosphat (NdPP) erwähnt. Wegen der begrenzten Leuchtdichte der verfügbaren 'inkohärenten Pumplichtquellen ist es vorteilhaft, den verstärkenden Wellenleiter von der Seite her zu pumpen, wo er die größte Fläche bietet. Of great interest to integrated optics amplifiers and lasers are layer or strip conductors that contain rare earth ions. as the most important examples are neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet (Nd: YAG) and neodymium pentaphosphate (NdPP) are mentioned. Because of the limited luminance available 'Incoherent pump light sources, it is advantageous to use the amplifying waveguide to pump from the side where it offers the largest area.

Damit dabei ein hinreichend großer Bruchteil des auffallenden Pumplichtes im Wellenleiter absorbiert wird, sollte die Schichtdicke Wz des Wellenleiters vergleichbar sein mit der Absorptionslänge des verstärkenden Materials, d. h. etwa 2 mm bei Nd : YAG und etwa 50 llm beim NdPP. Andererseits wäre es für zahlreiche Anwendungen der integrierten Optik vorteilhaft, wenn der Wellenleiter nur eine einzige Mode führte, also sehr dünn wäre (etwa 1 Fm). Ein möglicher Kompromiß zwischen diesen sich widersprechenden Erfordernissen ist es, einen dicken Wellenleiter zu verwenden, aber von den vielen darin existenzfähigen Moden nur eine einzige zu betreiben. Dies ergibt jedoch sehr schwierige Anpassungsprobleme. Auch hier bietet die Benutzung eines abbildenden Wellenleiters Vorteile.This means that a sufficiently large fraction of the pumping light that is seen is absorbed in the waveguide, the layer thickness Wz of the waveguide should be comparable be with the absorption length of the reinforcing material, d. H. about 2 mm at Nd : YAG and about 50 µm in the NdPP. On the other hand, it would be for numerous uses the integrated optics are advantageous if the waveguide only has a single mode led, so would be very thin (about 1 Fm). A possible compromise between these conflicting requirements is to use a thick waveguide, but to operate only one of the many viable fashions in it. this however, it gives rise to very difficult adaptation problems. Here, too, offers the use an imaging waveguide advantages.

Die Anordnung gemäß F i g. 23 entspricht im Aufbau und Wirkungsweise weitgehend der nach Fig. 18 gezeigten. Das zu verstärkende Licht kommt an in einer einzelnen Mode des dünnen schicht- oder streifenförmigen Leiters 232, der zweckmäßigerweise aus einem Material derselben Brechzahl besteht wie das optisch verstärkende Material, aus dem der abbildende Wellenleiter 233 hergestellt ist, d. h. nF = nl. Darstellungsgemäß ist dieser so geformt, daß wohldefinierte Endflächen Ki, K2 zum Leiter 232 entstehen, die der Wellenleiter 233 ineinander abbildet. Die Abbildung muß aufrecht sein (hz gerade). Wegen der angenommenen Gleichheit der Brechzahlen nl = nF ist die optisch wirksame Dicke des abbildenden Wellenleiters Wz= W+ WF.The arrangement according to FIG. 23 corresponds in structure and mode of operation largely that shown in FIG. The light to be amplified arrives in one individual mode of the thin layer or strip-shaped conductor 232, which is expediently consists of a material with the same refractive index as the optically reinforcing material, from which the imaging waveguide 233 is made, i. H. nF = nl. As shown this is shaped in such a way that well-defined end surfaces Ki, K2 to the conductor 232 arise, which the waveguide 233 maps into one another. The figure must be upright (hz just). Because of the assumed equality of the refractive indices nl = nF, it is optical effective thickness of the imaging waveguide Wz = W + WF.

Die Wirkungsweise dieses Verstärkers ist so, daß das im Leiter 232 ankommende Licht bei der Endfläche Kl in den dicken Wellenleiter 233 übertritt. Darin breitet es sich als Gemisch vieler Moden aus, wird dabei gleichzeitig verstärkt, und wird dann bei der Endfläche K2 wieder zurück in den Leiter 232 gespeist. Der Wellenleiter 233 kann wesentlich dicker sein als der Leiter 232, so daß man eine verbesserte Ausnutzung des Pumplichtes erhält. Besteht das verstärkende Material beispielsweise aus NdPP mit einer Brechzahl m = 1,60, so kann bei einer Wellenlänge A = 1,05 um und einer Verstärkerlänge von L = 2 mm die Leiterdicke Wz = 12,5 um betragen. Dies bedeutet eine um etwa eine Größenordnung bessere Ausnutzung des Pumplichtes, als sie in einem Monomode-Schichtleiter ( WF > 0,9 um) möglich wäre. Bei der Anordnung nach F i g. 23 ist es erforderlich, Reflexionen an den beiden Endflächen des Wellenleiters 233 zu vermeiden. Diese Flächen sind daher darstellungsgemäß unregelmäßig gestaltet. Statt dessen könnte man sie auch mit einem geeigneten Absorber versehen. The operation of this amplifier is such that that in conductor 232 incoming light at the end face Kl in the thick waveguide 233 passes. In it it spreads out as a mixture of many fashions, is amplified at the same time, and is then fed back into the conductor 232 at the end face K2. Of the Waveguide 233 can be much thicker than conductor 232, so that one improved utilization of the pump light. Is the reinforcing material for example made of NdPP with a refractive index m = 1.60, then at one wavelength A = 1.05 µm and an amplifier length of L = 2 mm, the conductor thickness Wz = 12.5 µm be. This means an order of magnitude better utilization of the pump light, than would be possible in a single mode layer conductor (WF> 0.9 µm). In the Arrangement according to FIG. 23 it is necessary to have reflections on the two end faces of the waveguide 233 to avoid. These areas are therefore irregular as shown designed. Instead, they could also be provided with a suitable absorber.

F i g. 24 zeigt ein Filter mit einem abbildenden Wellenleiter 243, der es gestattet, Strahlungen einer Wellenlänge Al und der doppelten Wellenlänge 2 = #2| räumlich voneinander zu trennen. Dazu wird das Strahlungsgemisch (#1, #2) durch eine Blende 244 in die eine Hälfte E0 der ersten Endfäche des Wellenleiters eingespeist, der für Al eine umkehrende Abbildung erzeugt. Die Abbildungsgleichung (1) ist also erfüllt mit einem ungeraden h«(l). Die Strahlung der Wellenlänge ti tritt daher aus der mit El bezeichneten oberen Hälfte der anderen Endfläche des Wellenleiters aus. Für die Strahlung der Wellenlänge 2 ist die Abbildungsgleichung (1) (2) ebenfalls erfüllt, aber mit einer geraden Zahl hd²) = 2 h'). Die Abbildung ist daher für A2 aufrecht, und die Strahlung der Wellenlänge A2 tritt aus der mit E2 bezeichneten, unteren Hälfte der anderen Endfläche des Wellenleiters aus. Durch eine Scheidewand 245 lassen sich die beiden Strahlungen trennen. In ganz analoger Weise lassen sich auch andere Strahlungsgemische (Awl, A2) trennen, wenn sich ihre Wellenlängen wie Al: A2 = hz(l): hz(2) verhalten, wobei (h2(l) + hz(2)) ungerade sein muß. F i g. 24 shows a filter with an imaging waveguide 243, which allows radiations of a Wavelength Al and twice the wavelength 2 = # 2 | spatially separated from each other. To do this, the radiation mixture (# 1, # 2) through a diaphragm 244 in one half E0 of the first end face of the waveguide fed, which produces an inverse mapping for Al. The mapping equation (1) is thus satisfied with an odd h «(l). The radiation of the wavelength ti therefore emerges from the upper half of the other end face of the designated El Waveguide. For the radiation of wavelength 2 is the mapping equation (1) (2) also fulfilled, but with an even number hd²) = 2 h '). The illustration is therefore upright for A2, and the radiation of wavelength A2 emerges from the with E2, the lower half of the other end face of the waveguide. By A partition 245 can be used to separate the two radiations. In completely analogue Other radiation mixtures (Awl, A2) can also be separated if their Wavelengths behave like Al: A2 = hz (l): hz (2), where (h2 (l) + hz (2)) is odd have to be.

Wie schon erwähnt wurde, kann der Querschnitt des hier beschriebenen Wellenleiters allgemein polygonal sein und z. B. auch die Form eines regelmäßigen Dreiecks oder Sechsecks haben. Auch rechtwinkelige Dreiecke mit bestimmten Seitenverhältnissen kommen in Betracht. Beim gleichseitigen Dreieck sind die für die Abbildung maßgeblichen Querdimensionen beide gleich der Höhe des Dreiecks, d. h. also Wy = Wz = 4fi3/4)1/2, wobei s die Seitenlänge des Dreiecks bezeichnet. Beim regelmäßigen Sechseck sind die maßgeblichen Querdimensionen Wy= Wz gleich dem Abstand zweier gegenüberliegender Seiten. Falls der Querschnitt ein rechtwinkeliges Dreieck ist, so sind Wy und Wz mit den Katheten dieses Dreiecks zu identifizieren. Die zugehörigen äquivalenten Dicken Weq,y und Weq.z müssen die Abbildungsbedingungen Gleichungen (1) und (4) erfüllen. As already mentioned, the cross section of the one described here Waveguide generally be polygonal and z. B. also take the form of a regular Have triangle or hexagon. Also right triangles with certain aspect ratios is being brought up for consideration. In the case of an equilateral triangle, those are decisive for the illustration Transverse dimensions both equal to the height of the triangle, i.e. H. so Wy = Wz = 4fi3 / 4) 1/2, where s denotes the length of the side of the triangle. When the regular hexagon is the relevant transverse dimensions Wy = Wz equal to the distance between two opposite ones Pages. If the cross-section is a right triangle, then Wy and Wz are to identify with the cathetus of this triangle. The associated equivalents Thick Weq, y and Weq.z must meet the mapping conditions equations (1) and (4) fulfill.

Claims (1)

Patentansprüche: 1. Abbildungssystem zur Abbildung eines Objektes mit einem schicht- oder prismaförmigen oder pyramidenförmigen Wellenleiter mit reflektierenden Grenzflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L der längs der Achse des Wellenleiters gemessenen Entfernung des Objektes (A) vom Bild (A) und mindestens eine einer typischen Querabmessung des Wellenleiters entsprechende Größe Wzq unter Berücksichtigung der Brechzahl nl des Wellenleitermaterials und der Wellenlänge A der folgenden Bedingung genügen, in der h = 1,2,3 usw. eine ganze Zahl ist: L = 4h n, W 2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein schichtförmiger Wellenleiter mit im wesentlichen ebenen Grenzflächen vorgesehen ist, dessen Schichtdicke (Wz) die der Größe Weq entsprechende Querabmessung ist. Claims: 1. Imaging system for imaging an object with a layered or prismatic or pyramidal waveguide with reflective Interfaces, characterized in that the length L is along the axis of the waveguide measured distance of the object (A) from the image (A) and at least one of a typical Transverse dimension of the waveguide corresponding size Wzq taking into account the The refractive index nl of the waveguide material and the wavelength A of the following condition in which h = 1,2,3 etc. is an integer: L = 4h n, W 2. imaging system according to claim 1, characterized in that a layered waveguide with essentially flat interfaces is provided, the layer thickness (Wz) the is the transverse dimension corresponding to the size Weq. 3. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter mit im wesentlichen ebenen Grenzflächen und mit rechtekkigem Querschnitt vorgesehen ist, dessen Breite Wz und dessen Höhe oder Dicke Wz wenigstens ungefähr der Bedingung L ,. = 4 hy nl Wy2 = 4 hw nl W2 genügen, wobei hy und hz gleiche oder verschiedene ganze Zahlen sind. 3. Imaging system according to claim 1, characterized in that a waveguide with essentially flat interfaces and with a rectangular cross-section is provided, the width Wz and the height or thickness Wz at least approximately the condition L,. = 4 hy nl Wy2 = 4 hw nl W2 are sufficient, where hy and hz are the same or are different integers. 4. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Querdimensionen (Wy, Wz) des Wellenleiters sich wie die Quadratwurzeln aus kleinen ganzen Zahlen zueinander verhalten. 4. Imaging system according to claim 3, characterized in that the two transverse dimensions (Wy, Wz) of the waveguide are like the square roots relate to one another from small whole numbers. 5. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge LYdes Wellenleiters größer ist als L - dn,ax = (nG + nB)/n1 mit dwax L/4h (M + 1), wobei nGbzw. nsdie Brechzahlen von zwischen dem Wellenleiter und dem Objekt (A) bzw. dem Bild (A9 befindlichen Medien sind und M die Zahl paralleler Knotenebenen der höchsten im Wellenleiter angeregten Mode ist. 5. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the length LY of the waveguide is greater than L - dn, ax = (nG + nB) / n1 with dwax L / 4h (M + 1), where nG or. ns the refractive indices of between the Waveguide and the object (A) or the image (A9 located media and M is the number of parallel nodal planes of the highest excited mode in the waveguide. 6. Abbildungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter die Länge L hat. 6. Imaging system according to claim 5, characterized in that the waveguide has the length L. 7. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Abbildung verwendete Licht von einer monochromatischen Lichtquelle erzeugt und von einem Polarisator linear polarisiert wird, dessen Schwingungsebene parallel oder senkrecht zu den Grenzflächen des Wellenleiters steht. 7. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the light used for imaging comes from a monochromatic one Light source is generated and linearly polarized by a polarizer, whose plane of oscillation parallel or perpendicular to the interfaces of the waveguide. 8. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl (M) paralleler Knotenebenen der einzelnen im Wellenleiter angeregten Moden auf einen Wert begrenzt wird, der dem Quotienten aus der Querabmessung Wzq und dem gewünschten räumli- chen Auflösungsvermögen (r) des Systems entspricht, jedoch wesentlich kleiner ist als die Zahl (Mo) paralleler Knotenebenen der höchsten möglichen Moden. 8. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the number (M) of parallel nodal planes of each in the waveguide excited modes is limited to a value that is the quotient of the transverse dimension Wzq and the desired spatial corresponds to the resolving power (r) of the system, however, it is much smaller than the number (Mo) of parallel nodal levels of the highest possible fashions. 9. Abbildungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Zahl (M) der angeregten Moden die Apertur der Beleuchtungsoptik des Systems begrenzt ist. 9. Imaging system according to claim 8, characterized in that the aperture of the illumination optics to limit the number (M) of excited modes of the system is limited. 10. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand hinter dem vom Wellenleiter (93) abgebildeten Bild (A9 eine Blende (91) angeordnet ist, die unerwünscht hohe störende Moden wegfiltert. 10. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at a distance behind that imaged by the waveguide (93) Image (A9 a diaphragm (91) is arranged, which filters out undesirably high interfering modes. 11. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand hinter dem vom Wellenleiter (93) abgebildeten Bild (A') eine Maske mit von der Mitte zu den Rändern hin abnehmender Transparenz angeordnet ist, die unerwünscht hohe störende Moden wegfiltert. 11. Imaging system according to one of claims 1 to 9, characterized in that that at a distance behind the image (A ') shown by the waveguide (93) a Mask is arranged with transparency decreasing from the center to the edges, which filters out undesirably high interfering modes. 12. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter an seinen Grenzflächen mit dünnen phasenkorrigierenden Schichten (41) aus dielektrischem Material und/oder mit teilreflektierenden, absorbierenden Metallschichten (101) versehen ist. 12. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the waveguide at its interfaces with thin phase-correcting Layers (41) made of dielectric material and / or with partially reflective, absorbent Metal layers (101) is provided. 13. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brechzahl m des Wellenleitermaterials ein Wert gewählt ist, der nach den Bedingungen a (n1 Weq)/@ n, = O oder a (lli WILlla T = 0 ermittelbar ist, wobei Tdie veränderliche Temperatur des Wellenleiters ist. 13. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a value is chosen for the refractive index m of the waveguide material is, which can be determined according to the conditions a (n1 Weq) / @ n, = O or a (lli WILlla T = 0 where T is the variable temperature of the waveguide. 14. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahlen (no, n2, n3, n4) der an das Wellenleitermaterial angrenzenden Medien auf zwei oder mehr Seiten des Wellenleiters gleich groß sind. 14. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the refractive indices (no, n2, n3, n4) of the waveguide material adjacent media are the same size on two or more sides of the waveguide. 15. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Wellenleiters an seinen Grenzflächen zur Modenkorrektur in einem in der Größenordnung der Wellenlänge liegenden Maße tonnen- oder kissenförmig verformt ist. 15. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the cross section of the waveguide at its interfaces to Mode correction in a measure of the order of magnitude of the wavelength or is deformed into a pillow shape. 16. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus einem Stapel mehrerer Schichtleiter (51) besteht, die durch dielektrische oder metallische Zwischenschichten (52) voneinander getrennt sind und die jeweils eine der Größe Weq entsprechende Dicke haben, und daß die Zahl h für jeden Schichtleiter gerade ist. 16. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the waveguide consists of a stack of several layer conductors (51) consists, which by dielectric or metallic interlayers (52) from each other are separated and each have a thickness corresponding to the size Weq, and that the number h is even for every shift supervisor. 17. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus einem Bündel mehrerer Streifenleiter (53) mit quadratischem, rechteckigem, dreieckigem oder sechseckigem Querschnitt besteht, die durch dielektrische oder metallische Zwischenschichten voneinander getrennt sind und die jeweils eine der Größe Weq entsprechende Dicke bzw. Breite haben, und daß die Zahlen hy und hz für jeden Streifenleiter gerade sind. 17. Imaging system according to one of claims 3 to 15, characterized in that that the waveguide consists of a bundle of several strip conductors (53) with a square, rectangular, triangular or hexagonal cross-section is made up by dielectric or metallic intermediate layers are separated from one another and each one have a thickness or width corresponding to the size Weq, and that the numbers hy and hz are straight for each stripline. 18. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen des Wellenleiters jeweils um einen Winkel (oc) gegen die zur Achse des Wellenleiters senkrechte Ebene geneigt sind, der höchstens so groß ist wie der ungefähre Wert (M + I ) 7ll Weq wobei M die Zahl paralleler Knotenebenen der höchsten zur Abbildung beitragenden Mode ist. 18. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the end faces of the waveguide are each inclined at an angle (oc) are inclined to the plane perpendicular to the axis of the waveguide, the maximum is as large as the approximate value (M + I) 7ll Weq where M is the number parallel Node levels is the highest contributing mode to the mapping. 19. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Wellenleiters (113) in Ausbreitungsrichtung kontinuierlich erweitert oder verjüngt. 19. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the cross section of the waveguide (113) extends in the direction of propagation continuously expanded or rejuvenated. 20. Abbildungssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (123) keilförmig verläuft und ein flüssiges oder gasförmiges Leitermaterial enthält und daß seine Grenzflächen (124, 125) zur Änderung des Vergrößerungs- bzw. 20. Imaging system according to claim 19, characterized in that the waveguide (123) is wedge-shaped and a liquid or gaseous conductor material contains and that its interfaces (124, 125) to change the magnification or Verkleinerungsverhältnisses relativ zueinander bewegbar sind.Reduction ratio are movable relative to each other. 21. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (133) eine Dicke in der Größenordnung der Lichtwellenlänge hat und auf einem Substrat (132) zwischen zwei Schichtleitern einer integrierten optischen Einrichtung angeordnet ist. 21. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized in that characterized in that the waveguide (133) has a thickness on the order of the wavelength of light and on a substrate (132) between two layer conductors one integrated optical device is arranged. 22. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (153) ein zwischen einem Laser (151) und einem Verbraucher (154) des Laserlichtes angeordnetes metallisches Hohlrohr mit polygonalem Querschnitt ist. 22. Imaging system according to claim 1, characterized in that the waveguide (153) between a laser (151) and a consumer (154) of the laser light arranged metallic hollow tube with a polygonal cross-section is. 23. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schichtförmige Wellenleiter (163) zusammen mit einem Schichtleiter (162) einer integrierten optischen Anordnung auf einem gemeinsamen Substrat und neben einem Laser oder optischen Verstärker (161) so angeordnet ist, daß er die Endfläche (169) des Schichtleiters und die Endfläche (168) der aktiven Zone des Lasers oder Verstärkers wechselseitig aufeinander abbildet. 23. Imaging system according to claim 1, characterized in that the layered waveguide (163) together with a layer guide (162) a integrated optical arrangement on a common substrate and next to one Laser or optical amplifier (161) is arranged so that it the end face (169) of the layer conductor and the end face (168) of the active zone of the laser or amplifier mutually map each other. 24. Abbildungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckplatte (167) des Wellenleiters (163) aus einem Material besteht, das die gleiche Brechzahl hat wie ein Substrat (165) des optischen Schichtleiters (162), und daß die Zahl h für den Wellenleiter (163) ungerade ist. 24. Imaging system according to claim 23, characterized in that a cover plate (167) of the waveguide (163) consists of a material that the has the same refractive index as a substrate (165) of the optical layer conductor (162), and that the number h for the waveguide (163) is odd. 25. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (183) zur Kopplung von zwei auf einem Substrat (185) befindlichen Schichtleitern (182, 182') einer integrierten optischen Anordnung zwischen oder auf den Enden der beiden Schichtleiter angeordnet und so bemessen ist, daß die Enden der Wellenleiter in der Weise wechselseitig aufeinander abgebildet werden, daß dabei ein Bild der Enden zwischen den Schichtleitern in einem Abstand von dem Substrat (185) entsteht. 25. Imaging system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the waveguide (183) for coupling two on a substrate (185) located layer conductors (182, 182 ') of an integrated optical arrangement arranged between or on the ends of the two layer conductors and so dimensioned is that the ends of the waveguides are mutually mapped to one another in this way be that doing an image of the ends between the layer conductors at a distance from the substrate (185) arises. 26. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (193, 203, 213) den Resonator eines Lasers bildet. 26. Imaging system according to claim 1, characterized in that the waveguide (193, 203, 213) forms the resonator of a laser. 27. Abbildungssystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Wellenleiters (203) zwei Spiegel (201, 202), von denen einer oder beide entsprechend den gewünschten zu koppelnden Moden klein bemessen sind, so angeordnet sind, daß der Wellenleiter die Spiegel wechselseitig aufeinander abbildet. 27. Imaging system according to claim 26, characterized in that at the ends of the waveguide (203) two mirrors (201, 202), one of which or both are dimensioned small according to the desired modes to be coupled, so arranged are that the waveguide alternately maps the mirrors onto one another. 28. Abbildungssystem nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (Ls) des Wellenleiters (213) die Hälfte der Länge L beträgt. 28. Imaging system according to claim 26 or 27, characterized in that that the length (Ls) of the waveguide (213) is half of the length L. 29. Abbildungssystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des zwischen zwei ebenen Spiegeln (Sp 1, Sp 2) befindlichen Wellenleiters (223) eine Lochblende (B) angeordnet ist, die von den beiderseitigen Wellenstücken auf sich selbst abgebildet wird. 29. Imaging system according to claim 26, characterized in that inside the waveguide located between two flat mirrors (Sp 1, Sp 2) (223) a perforated diaphragm (B) is arranged, which is supported by the shaft pieces on both sides is mapped onto itself. 30. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (233) in einem integrierten optischen Verstärker so auf einem Schichtleiter (232) einer integrierten optischen Anordnung angebracht oder in einen solchen eingefügt ist, daß das von diesem übertragene Licht zunächst in den wesentlich dickeren Wellenleiter (233) und dann wieder in den Schichtleiter (232) übertritt, und daß der Wellenleiter (233) mit Pumpstrahlung beaufschlagt ist. 30. Imaging system according to claim 1, characterized in that the waveguide (233) in an integrated optical amplifier thus on a layer conductor (232) attached to or inserted into an integrated optical assembly is that the light transmitted by this first enters the much thicker waveguide (233) and then again into the layer conductor (232), and that the waveguide (233) is exposed to pump radiation. 31. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (243) zwischen einer Blende, die die Strahlung zweier gegebener Wellenlängen zuführt, und einer die Strahlungen räumlich voneinander trennenden Scheidewand (245) angeordnet ist. 31. Imaging system according to claim 1, characterized in that the waveguide (243) between a diaphragm, the radiation of two given Supplying wavelengths, and one that spatially separates the radiations from one another Partition wall (245) is arranged. 32. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dahingehend abgewandelt, daß der Wellenleiter (143) Schallwellen abbildet und die Brechzahl (m) durch die reziproke Schallgeschwindigkeit(1/v) ersetzt ist. 32. Imaging system according to one of the preceding claims modified so that the waveguide (143) images sound waves and the refractive index (m) is replaced by the reciprocal speed of sound (1 / v). 33. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dahingehend abgewandelt, daß die Achse des Wellenleiters gekrümmt ist. 33. Imaging system according to one of the preceding claims modified so that the axis of the waveguide is curved. Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem zur Abbildung eines Objektes mit einem schicht- oder prismaförmigen Wellenleiter mit reflektierenden Grenzflächen. The invention relates to an imaging system for imaging an object with a layered or prismatic waveguide with reflective interfaces. Insbesondere bei der Miniaturisierung optischer Bauelemente in Form der sogenannten »integrierten Optik« (vgl. zum Beispiel »Scientific American«, April 1974, S. 28 bis 35) ergibt sich öfters das Problem, kleinste Objekte optisch abzubilden. Das Objekt kann beispielsweise die Lichtaustrittsfläche eines GaAs-Lasers sein (typische Abmessungen 0,5 x 10 Zm), die auf die Stirnfläche eines in der Nähe befindlichen, z. B. 0,1 bis 1 mm entfernten optischen Schichtleiters der integrierten Optik abgebildet werden soll. Mittels einer solchen Abbildung kann das Licht des Lasers in die Faser eingekoppelt werden. Herkömmliche Abbildungssysteme mit Linsen und Spiegeln kommen für diese Abbildung kaum in Frage, da es Schwierigkeiten bereitet, Linsen oder Spiegel mit den erforderlichen kleinen Abmessungen und Toleranzen herzustellen. Especially in the miniaturization of optical components in shape the so-called "integrated optics" (see, for example, "Scientific American", April 1974, pp. 28 to 35) there is often the problem of optically imaging the smallest objects. The object can be, for example, the light exit surface of a GaAs laser (typical Dimensions 0.5 x 10 cm), which are placed on the face of a nearby, z. B. 0.1 to 1 mm distant optical layer conductor of the integrated optics shall be. By means of such an image, the light from the laser can enter the fiber are coupled. Conventional imaging systems come with lenses and mirrors hardly an issue for this figure, since it causes difficulties, lenses or mirrors to manufacture with the required small dimensions and tolerances.
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