DE2555162A1

DE2555162A1 - Lichtablenkeinrichtung

Info

Publication number: DE2555162A1
Application number: DE19752555162
Authority: DE
Inventors: Kuniaki Rukaya; Koetsu Saito; Akinori Watanabe; Tsutomu Yano
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-12-09
Filing date: 1975-12-08
Publication date: 1976-06-10
Also published as: DE2555162B2; US4037933A; CA1038666A; GB1532250A; JPS5199039A; DE2555162C3; JPS571809B2

Description

LEINWEBER & ZIMMERMANN

Dipl.-Ing. Hermann Leinweber Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-Ing. A. Gf. v. Wengersky

8 München 2, Rosental 7

2. Aufgang (Kustermann-Passage)

Telefon (089) 2603989

Telex 528191 lepatd

Telegr.-Adr. Leinpat München

den 8. Dezember 1975

Unser Zeichen

LW/IV A 1227-03

MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD.
Osaka, Japan

Lichtablenkeinrichtung

Die Erfindung betrifft die Lichtablenkung unter Ausnutzung des akusto-optischen Effekts und insbesondere eine Lichtablenkeinrichtung mit außerordentlich großer Bandbreite und gutem Frequenzgang des Diffraktionswirkungsgrades in einem außerordentlich großen Frequenzbereich.

So sind insbesondere zwei Verfahren als Grundlage von akustooptischen Lichtablenkeinrichtungen mit großer Bandbreite bekannt, und zwar das Strahlablenkverfahren unter Verwendung hochfrequenter Ultraschallwellen und das Verfahren unter Aus-

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nutzung der anisotropen Bragg-Beugung in einem anisotropen Medium.

Bei dem Strahlablenkverfahren ist der piezoelektrische Wandler, der an dem akusto-optischen Medium befestigt ist, in mehrere Abschnitte entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts unterteilt. Die wirksame Schallwellenfront wird in dem Medium mit der Frequenz verändert, und zwar durch Verändern der Phase der Schallwelle, die den entsprechenden Abschnitten zugeführt wird, oder durch Ausbilden der Berührungsflächen in Stufenform und Indern der Phase der Schallwellen für die entsprechenden Abschnitte. Dementsprechend kann für das einfallende Licht die Diffraktionsbedingung immer erfüllt werden, um eine große Bandbreite zu erreichen. Ein derartiges Verfahren wird jedoch von verschiedenen Schwierigkeiten bei der Herstellung begleitet.

Hinsichtlich der die anisotrope Bragg-Diffraktion ausnutzenden Lichtablenkeinrichtung berichtet Warner vom Bell Laboratory, USA, im Jahre 1972 von einer Lichtablenkeinrichtung mit außerordentlich hohem Wirkungsgrad und großer Bandbreite, wobei die optische Aktivität eines Tellurdioxid(TeO₂)-Einkristalls ausgenutzt wird; Dabei traten jedoch verschiedene Probleme auf, insbesondere beim maximalen Diffraktionswirkungsgrad und bei der Abnahme des Diffraktionswirkungsgrades in der Nähe der Zentral- und Hauptfrequenz.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtablenkeinrichtung zu schaffen, die die bekannten Nachteile vermeidet und die bei der anisotropen Bragg-Diffraktion einen guten Frequenzgang aufweist ohne Abnahme des Diffraktionswirkungsgrades in der Nähe der Hauptfrequenz.

Erfindungsgemäß wird eine Lichtablenkeinrichtung geschaffen, die die anisotrope Bragg-Diffraktion des Lichts durch Schallwellen in einem anisotropen Kristall ausnutzt, wobei erfindungsgemäß eine einen anisotropen Kristall aufweisende akustooptische Einrichtung vorgesehen ist, der eine Lichteinfalls- und eine Lichtausfallsflache sowie eine Einfallsfläche für Schallwellen aufweist, an der eine Ultraschallquelle angeordnet ist, wobei die Fläche der akusto-optischen Einrichtung derart angeordnet sind, daß sich die Sichtungen der Wellenfrontnormalen und der Energieausbreitung der Ultraschallwelle unterscheiden.

Es wird somit eine Lichtablenkeinrichtung geschaffen, die die anisotrope Bragg-Diffraktion in einem anisotropen Medium ausnutzt, wobei die Richtungen der Wellenfrontnormalen und der Energieausbreitung der Ultraschallwellen unterschiedlich sind und wobei der Frequenzbereich der Ultraschallwelle zur Erzeugung der Eediffraktion des Lichts, das durch die Ultraschallwelle einmal gebeugt ist, außerhalb des Steuerfrequenzbereiches ist. Der Diffraktionswirkungsgrad fällt nicht in die

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Nähe der Hauptfrequenz des Steuerfrequenzbereiches der Ultraschallwellen, und zwar wegen der Verhinderung der Eediffraktion. Außerdem kann der Steuerfrequenzbereieh außerordentlich groß gewählt werden im Vergleich zu dem bei einer bekannten Lichtablenkeinrichtung. Darüberhinaus kann bei der erfindungsgemäßen Licht ablenkeinrichtung weitgehend linear polarisiertes Licht verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten ,-Lichtablenkeinrichtung,

Fig. 2 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen den Einfalls- und Diffraktionswinkeln und der !Frequenz in der bekannten TeO₂-Lichtablenkeinrichtung,

B"ig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung der Wellenvektoren bei der bekannten TeO^-Lichtablenkeinrichtung,

Pig. M- ein Diagramm der Frequenzabhängigkeit des Diffraktionswirkungsgrades ,

Pig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtablenkeinrichtung,

609824/0807'.

Mg. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Wellenvektoren bei der erfindungsgemäßen Lientablenkeinrichtung zeigt,

Fig. 7 und 8 Kennliniendarstellungen der Beziehung zwischen den Einfalls- und Diffraktionswinkeln und der Frequenz,

Fig. 9 ein Diagramm der Beziehung zwischen der wirksamen Polarisationskomponente und dem Einfallswinkel,

Fig.10 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig.11 eine Kennliniendarstellung der Beziehung zwischen dem Einfallswinkel und der Frequenz,

Fig.12 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtablenkeinrichtung,

Fig.13eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtablenkeinrichtung und

Fig.14 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtablenkeinrichtung.

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Zunächst wird die von Warner vorgeschlagene Lichtablenkeinrichtung mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Licht ablenkeinrichtung 1 mit einem Einkristall 2 aus Tellurdioxid und einem piezoelektrischen Wandler 3? der an der (110)-Fläche 9 des Tellurdioxidkörpers 2 befestigt ist. Transversale Ultraschallwellen, die sich entlang der 110/ -Achse ausbreiten und die eine Verschiebungsrichtung entlang der <('11<^-Achse aufweisen, werden dem TeOp-Kristall 2 über den Wandler 3 zugeführt. Der einfallende Lichtstrahl 6 bestehend aus rechtsdrehendem elliptisch polarisiertem Licht, wird in den Kristall unter einem Winkel eingeführt, der geringfügig von der optischen Achsr, ^001/ -Achse, abweicht, und wird der Lichtbeugung durch die transversale Ultraschallwelle ausgesetzt, die durch den Wandler 5 erzeugt wird, um einen gebeugten Lichtstrahl 8 zu bilden. Restliches oder ungebeugtes Licht wird mit der Bezugszahl 7 gekennzeichnet. Dem piezoelektrischen Wandler gegenüberliegend auf der anderen Seite des Kristalls 2 ist ein Schallabsorber 4- vorgesehen.

Die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel 0. und der Frequenz f der Ultraschallwelle bei Verwendung von He-Ne-Laser-Licht mit einer Wellenlänge von 6328 % als einfallendes Licht in dem System der Fig. 1 wird in Fig. 2 dargestellt. Hier bedeutet die Bezeichnung Θ, einen Diffraktionswinkel.

Es bestehen die folgenden zwei Hauptfaktoren zur Begrenzung des Frequenzbereiches der Lichtablenkeinrichtung oder eines

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akusto-optischen Eichtmodulators:

1) Bandbegrenzung -Λ f _B durch die Abweichung von der
Diffraktionsbedingung mit sich ändernder Frequenz und

2) Bandbegrenzung /± f™ durch die Frequenzabhängigkeit der
Ultraschallenergie bzw. Ultraschalleistung wegen des
Verlustes des piezoelektrischen Wandlers 3.

Bei einer TeOp-Lichtablenkeinrichtung und einer X-Schnittplatte aus LiiTbO·, als piezoelektrischen Wandler 3 ist die Bandbegrenzung Δ fφ durch den piezoelektrischen Wandler 3 wegen des zuletzt genannten Ausdrucks 2 etwa 0,7 mal größer als die Antiresonanzfrequenz f-™ des piezoelektrischen Wandlers 3. Andererseits kann die Bandbegrenzung A f^ wegen der Frequenzabweichung von der Diffraktionsbedingung wegen des ersteren Ausdrucks 1
aus dem Diffraktionswinkel ^ θ_ (etwa 3 cLB) der Schallwelle er-

el

halten werden, der sich aus

4^ea ^Ä °>9Vf_a L (Ό

ergibt, wobei

ν = Schallgeschwindigkeit in dem Medium und
L = Länge des Wandlers.

In dem Frequenzbereich, in dem der Einfallswinkel in dem
Minimum in Fig. 2 ist, ändert sich der Einfallswinkel, der die

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Diffraktionsbedingung erfüllt, wenig, selbst wenn sich die Frequenz ändert. Somit wird eine breitrandige Lichtablenkeinrichtung geschaffen, indem der Einfallswinkel bei dem Wert θ +/\ θ /2 oder in dessen Nähe eingestellt wird, wobei θ das Minimum des Einfallswinkels ist.

Bei Frequenzen, bei denen der Einfallswinkel den geringsten Wert einnimmt, wie dies aus der WellenvektorbeZiehung der Fig. ersichtlich ist, wird das einfallende Licht k. durch die transversale Ultraschallwelle K gebeugt und erzeugt gebeugtes Licht k , wobei die Beziehung k +K = k, erfüllt ist und wobei der

SL SL Sl CL

durch k, und K~ gebildete Winkel ein rechter Winkel ist. Daher & a

kann das einmal gebeugte Licht k, erneut gebeugt werden, wenn die Bedingung k,+K = k erfüllt ist. Im Ergebnis wird durch

CL a CLU.

Eediffraktion ein doppelt gebeugter Lichtstrahl k-,-, erzeugt und zwar auf der dem einfallenden Licht k. gegenüber liegenden Seite.

Bei' einer bekannten Lichtablenkeinrichtung wird die Frequenz

f.,, zum Erzeugen der Eediffraktion durch dd

ausdrückt, wobei

^\ = Wellenlänge des einfallenden Lichts im Vakuum und n- und n, = Brechungsindizes für das Medium für das einfallende bzw. gebeugte Licht.

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In der Praxis beträgt die Rediffraktionsfrequenz f,, für Licht mit einer Wellenlänge von 6328 2 etwa 38 MHz.

Daher besteht die IPrequenzabhängigkeit des L'iffraktionswirkungsgrades gemäß Kurve a in Pig. 4. Die Abnahme des Diffraktionswirkungsgrades bei der Rediffraktionsfrequenz erscheint oberhalb des Wirkungsgrades von 4-Oyfa.

Der maximale Diffraktionswirkungsgrad innerhalb der 3dB-Frequenzbandbreite wird auf etwa 70% unterdrückt, wie sich dies aus Kurve b in Fig. 4 ergibt, und außerdem wird die Abnahme bei der Hauptfrequenz merklich.

Dieses Phenomen ist nicht auf Tellurdioxid beschränkt, sondern tritt auch bei der anisotropen Bragg-Diffraktion in anderen anisotropen Medien auf, und stellt eines der größten Probleme und Nachteile der Lichtablenkeinrichtungen dar, die die anisotrope Bragg-Diffraktion ausnützen.

Außerdem verringert sich die wirksame Polarisationskomponente, und der Diffraktionswirkungsgrad nimmt ab, falls nicht rechtsdrehendes elliptisch polarisiertes Licht mit einer Elliptizität von etwa o,8 als einfallendes'Licht der Lichtablenkeinrichtung verwendet wird. Daher sind bei Verwendung von Laser-Licht das im allgemeinen linear polarisiert ist, derartige optische Teile wie beispielsweise eine λ. /4—Platte zum Umwandeln von linear polarisiertem Licht in elliptisch polarisiertes Licht, erforderlich.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung soll die oben beschriebene Lichtablenkeinrichtung verbessert und die oben beschriebenen Nachteile sollen vermieden werden. Obwohl die Erfindung nicht auf Lichtablenkeinrichtungen mit TeO₂~Kristallen beschränkt ist, wird die folgende Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen mit TeO₂-Eristallen vorgenommen, bei denen der Effekt außerordntlci groß ist.

Fig. 5 zeigt eine Ausf^: hrungsform einer Lichtablenkeinrichtung 1 , in der ein piezoelektrischer Wandler 3 auf einer Fläche befestigt ist, die um einen Winkel θ gegen die (110)-Ebene eines TeO₂-KrIstalls 2 geneigt ist. Daher unterscheiden sich die Eichtungen der Wellenfrontnormalen und der Energieausbreitung einer Schallwelle 11 außerordentlich stark (Winkel Ϋ -Θ zwischen den zwei Eichtungen). Ein Schallabsorber 4 ist auf der anderen Seite des TeO₂-ErIstalls 2 befestigt, die der Fläche gegenüber liegt, an der der piezoelektrische Wandler 3 befestigt ist. Ein Einfallslichtstrahl 6 fällt auf einer Fläche 7 ein, die unter einem Winkel Q_± geneigt ist, und ein ungebeugter Lichtstrahl 7 und ein gebeugter Lichtstrahl 8 werden aus dem einfallenden Licht durch die Wechselwirkung mit der Schallwelle 11 erzeugt.

In diesem Fall ist die Beziehung der Wellenvektoren der Schallwelle 11, des Einfallslichtstrahls 6 und des gebeugten . Lichtstrahls 8 so wie in Fig. 6 dargestellt. Der Wellenvektor K

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der Schallwelle ist nicht mehr parallel zu der 110/ -Achse iind wird durch einen Pfeil AB oder BC dargestellt, und der Wellenvektor k. des Einfall sucht Strahls ist um einen Winkel Θ. gegen die \ 001s -Achse geneigt und wird durch einen Pfeil OA dargestellt. Der Wellenvektor der gebeugten Welle k, wird dargestellt durch k_d = \+&_& = ÖA+ÄB = OB.

Die Beziehung des Einfallswinkels (der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Lichts und der \ 001 ^> -Achse) und der Frequenz kann durch ein Computerprogramm berechnet werden, das auf folgenden Gleichungen (2) bis (6) beruht:

τχ_Λ sin 0. - n_o sin Q₀ = f X cos θ /v(Q_o) (2)

ι ι ei. d. a a. a

cos O₁ - n₂ cos ©₂ = - f _& \ sin ©_&Α(Θ_&) (3)

= n_a ²n_e ² (1+ £)²/ (n_Q ² cos \+*_Q ² sin

n₂ ² = n₀ ² (1-^)²/ j^cos ²Q₂+(1-A)² sin ²Q₂] (5)

ν (Q_a) = [ / (C₁₁-C₁₂) cos ²Q₆^₊C₄₄ sin ²Q_&] / ^ .1^1/2 (6)

η,, und n_p = Brechungsindizes für die einfallenden bzw. gebeugten Lichtstrahlen,

η und η = Brechungsindizes für die ordentlichen bzw. außero e

ordentlichen Lichtstrahlen, die sich entlang der -Achse ausbreiten,
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= Drehungskonstante, y. * und C^^ "¹²¹¹CL C₂^ = Elastizitätskonstante gemäß der üblichen

Notation,

f = Frequenz der Schallwelle,

\ = Wellenlänge des Lichts im Vakuum und

ν (Θ ) = Phasengeschwindigkeit der Schallwelle,

wenn die Bichtung der Wellenfrontnormalen der transversalen Schallwelle um einen Winkel θ von der </110> -Achse gegen die <C001/ -Achse geneigt ist.

Die Ergebnisse der Berechnung sind in den B¹Xg. 7 und 8 dargestellt. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Einfalls- und Beugungswinkel und der Frequenz bei Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von = 6528 S. und einem Winkel 0_o = 6 .

In Fig. 7 stellen die Kurven a und b die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel 0. und der Frequenz f , die Kurven a'und b' die Beziehung zwischen dem Diffraktionswinkel Θ, und der Frequenz f entsprechend den Kurven a bzw. b und die Kurven c und c'die die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel Θ., dem Diffraktionswinkel Θ, und der Frequenz f dar, wenn der Winkel 0 Null ist, d.h. die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle entlang der <^110)-Achse ist. Wenn θ_ο = 6 , so beträgt die Frequenz zur Erzeugung der Rediffraktion etwa 111MHz, und das Extremum der Kurvec a, d.h. die Frequenz, bei der das Differential des Einfallswinkels be-

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züglich der Frequenz (dO/df ) KuIl wird, tritt bei 70 MHz auf. Wenn daher die Länge L des piezoelektrischen Wandler 3 5mm beträgt, ist der Diffraktionswinkel der Schallwelle Λ θ etwa 0,096° aus der Beziehung ΔΘ- = 0,9VZf-L, und die !Frequenzband-

et

breite Δ f der Lichtablenkeinrichtung, die diesem Winkel entspricht, wird etwa 55 MHz (zwischen 4-7 und 102 MHz). Es sei festgestellt, daß die Frequenz zur Erzeugung der Rediffraktion etwa 111 MHz beträgt und außerhalb des oben erwähnten Bereiches ist, und daher tritt kein Abfall in der Frequenzabhängigkeit des DiffraktxonsWirkungsgrades auf und gute Kennlinien können erreicht werden. In der Praxis ist es wirkungsvoller, den Lichteinfallswinkel innerhalb eines Winkelgrades in der Nähe des Winkels einzustellen, bei dem das erwähnte Differential dG/df Null wird.

Andererseits stimmen bei bekannten Verfahren das Extremum und die Frequenz der Bediffraktion überein, und diese Frequenz ist mit 38 MHz niedrig. In diesem Fall beträgt die Bandbreite Af^ für den piezoelektrischen Wandler 3 etwa 0,7 f_ß und hat die Größenordnung -von etwa 26 MHz, da die Antiresonanzfrequenz f^ des piezoelektrischen Wandlers 3 etwa auf das Extremum eingestellt ist. Wenn die Länge L, in der die Wechselwirkung zwischen dem Licht und der Ultraschallwelle auftritt, etwa 5mm beträgt, so wird die Bandbreite auf Grund der Abweichung von der Diffrak-

ist tionsbedingung etwa 41 MHz. Da diese Bandbreite breiter'als 26 MHz, die durch die Bandbreite -Δ f des piezoelektrischen Wandlers 3 begrenzt ist, wird die tatsächliche Bandbreite geringer als 26 MHz.

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Bei der erf indungs gemäßen Aus fünrungs form wird jedoch ein Vorteil dadurch erzielt, daß die Bandbreite größer wird,, da / f_B = 55 MHz und ; f = 49 MHz.

Fig. 8 zeigt die Kennlinien, wenn der Winkel Q , der durch

SL

die Oberfläche gebildet wird, auf der der piezoelektrische Wandler J befestigt ist, und die (110)-Ebene verändert werden. Wenn der Winkel θ groß wird, werden die Frequenzen des Extremums und die Rediffraktion groß. Außerdem wird die Frequenzdifferenz zwischen den Frequenzen des Extremums und der Rediffraktion ebenfalls groß. Daher entfernt sich die Rediffraktionsfrequenz weiter außerhalb des Bandes. Daher ist es möglich, einen Lichtmodulator oder eine Lichtablenkeinrichtung zu schaffen, die breitbandiger sind und eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit bei zunehmendem θ aufweisen. Da sich ein Lichtstrahl in einem

3.

Kristall fast wie linear polarisiertes Licht ausbreitet, ist es bei der erfindungsgemäßen Lichtablenkeinrichtung nicht erforderlich, einen Laser-Lichtstrahl als einfallenden Lichtstrahl in elliptisch polarisiertes Licht mit Hilfe einer Λ./4-Platte usw. umzuwandeln,, wie dies bei bekannten Lichtablenkeinrichtungen erforderlich ist. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Reduktion der Qberflächenreflektion dies Lichts, zu einer leichten Ausrichtung der optischen Achsen usw.

Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der effektiven Polarisationskomponente vom Winkel, der durch die Ausbreitungsrichtung des

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einfallenden Lichts und die c-Achse in dem Kristall gebildet wird. Die effektive Polarisationskomponente ist die Komponente, die effektiv in dem Kristall gebeugt wird, wenn ein linear polarisierter Lichtstrahl mit einer Polarisation in der Richtung außerhalb des Kristalls (die Polarisation entsprechend dem außerordentlichen Strahl in dem Kristall) in den Kristall geführt wird. Falls beispielsweise der Winkel θ · auf. oberhalb

3.

6 eingestellt ist, so beträgt der Einfallswinkel, bei dem das Extremum in dem Kristall auftritt, etwa 4°. Gemäß I¹Ig. 9 können über 96% des einfallenden Lichts bei - = 6328 Ά und über 90% sogar bei X = 4880 £ für die Diffraktion ausgenutzt werden.

Dies sollte mit der Tatsache verglichen werden, daß bei bekannten "Verfahren zur Terwendung von elliptisch polarisiertem Licht (Elliptizität in der Größenordnung von etwa 0,9) eine Anzahl Phasenplatten verwendet werden müssen, und der Lichtverlust in diesem Fall 10% übersteigt. Bei Ausnutzung der erfindungsgemäßen Erkenntnisse kann somit das einfallende Licht außerordentlich wirksam ausgenutzt werden.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, daß bei Terwendung eines Paars in Eeihe geschalteter Lichtablenkeinrichtungen 1 und 1'zur Erzeugung einer zweidimensional en Ablenkung die Verwendung optischer Phasenplatten nicht erforderlich ist. Gemäß Fig. 10 weist der an der ersten Stufe gebeugte Strahl eine um den Winkel ^gedrehte Phase gegenüber der des einfallenden Lichts auf und fällt als der außerordentliche Strahl auf die Lichtab-

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lenkeinrichtung der zweiten Stufe. Dabei sind somit ebenfalls keine Phasenplatten usw. zwischen der ersten und der zweiten Stufe erforderlich. Die Lichtreflektion ist natürlich sehr gering. In Fig. 10 sind piezoelektrische "Wandler 3 und 5'an den zwei TeCU-Kristallen befestigt und v/erden durch eine Leistungsquelle angesteuert. Die Polarisationen des Lichts werden durch Pfeile 14- und 14-'dargestellt, und der abgelenkte Lichtstrahl wird auf einem Schirm 13 betrachtet.

Andererseits wurde bereits über akusto-optische Filter unter Verwendung von Tellurdioxidkristallen berichtet, wobei die Richtungen der Schallwellenfrontnormalen und die der Ausbreitung der Schallenergie unterschiedlich sind, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, und zwar in

1, Frühjahrstagung der Japanischen Gesellschaft für angewandte Physik (Beitrag Nr. 3aA4-) und

2. I.C. Chang, Applied Physics Letters, Vol. 125, Nr. 6, 1974-

Bei diesen bekannten Verfahren werden jedoch Einfallswinkel und Frequenz gemäß C oder D in Fig. 11 verwendet und nicht Parameter in den Bereichen A und B.

In den Bereichen C und D beträgt der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Lichts in dem Kristall und der <001> Achse über 10°, während der Winkel gemäß der Erfindung weniger als 10° beträgt. Ein anderer großer Unterschied ergibt sich

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aus den akusto-potisehen Filtern und der.vorliegenden Lichtablenkeinrichtung, derart, daß das größere Differential . dQ/df, des einfallenden Winkels relativ zu der Frequenz um so günstiger ist, da ein größerer Wert zu einer schmaleren Spektralbreite als bei einem akusto-optischen Filter führt. Daher wurden bei den genannten akusto-optischen Filtern die Bereiche C und/oder D ausgewählt.

Andererseits ist es bei einer Lichtablenkeinrichtung um so besser, je kleiner der Wert I dQ/dfί ist. Die Bereiche A oder B werden miteinander verbunden, um ein großes Steuerfrequenzband zu erhalten.

Wie oben beschrieben weist die erfindungsgemäße Lichtablenkeinrichtung die folgenden Merkmale auf:

1. guter Frequenzgang ohne Abfall des Diffraktionswirkungsgrades in dem Steuerfrequenzband,

2. Breitbandigkeit der Lichtablenkeinrichtung, da die Hauptfrequenz hoch eingestellt werden kann,

3· Verwendung von linear polarisiertem Licht als einfallendes Licht, ohne daß Phasenplatten erforderlich sind,

4-. eine beliebige Hauptfrequenz kann durch Indern des Winkels θ ausgewählt werden und

Q.

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5· geringer Leistungsbedarf beim Ansteuern wegen der Verwendung eines Tellurdioxid-Einkristalls als Lichtablenkmedium mit einem außerordentlich hohen Diffraktionswirkungsgrad.

Insbesondere werden die folgenden Merkmale gemäß der Erfindung erzielt:

1. Die Richtungen der Normalen der Schallwellenfront und der Energieausbreitung sind wesentlich verschieden. In dem TeOp-Kristall beträgt beispielsweise der Unterschied

etwa 20° bei 9„ = 2° und etwa 4-5° bei θ =6°. Daher sind a a

die Formen des Schallabsorbers und des Ablenkmediums nur erforderlich, um zu verhindern, daß die Schallwelle auf der Fläche auftrifft, aus der das Licht austritt.

2. Die Schallgeschwindigkeit erhöht sich, wenn die Schallwellenfront von der -.'110'· -Achse verschoben wird, und zwar beispielsweise um das 1,056-fache bei Q_& = 6 . Obwohl sich daher der akusto-optische Wert um etwa 15% verringert, ist die für 100%-ige Diffraktion erforderliche Leistung in der Größenordnung von meheren hundert Milliwatt.

Im folgenden werden weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen kurz beschrieben.

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Ausführungsform 2

.ähnlich wie "bei der Ausführungsform 1 wird ein Tellurdioxid-Kristall als Medium verwendet, jedoch wird die Kennlinie b der Pig. 7 anstelle der Kennlinie a verwendet. In diesem Fall unterscheiden sich auch die Frequenzen des Extremums und der Eediffraktion (obwohl das Extremum bei einer höheren Frequenz liegt als das der Eediffraktion), und daher wird eine breitbandige Lichtablenkeinrichtung erhalten, die keinen Abfall des DiffraktionsWirkungsgrades zeigt.

Ausführungsform $

Gemäß Fig. 12 ist die Einfalls ebene geneigt (schräger Einfall), um den Brewster-Einfallswinkel zu erhalten, und der durch die Ausbreitungsrichtung des Lichts in dem Kristall und die \O(yf> -Achse gebildete Winkel ist gleich oder ungefähr gleich dem Winkel, bei dem ein Extremum auftritt. Die Reflektion des Lichts kann durch diese Anordnung minimalisiert werden.

Ausführungsform 4·'

Gemäß Fig. 13 ist die Austrittsfläche gegen die c-Ebene zur ./110/^-Achse geneigt. Die Lichtreflektion an der Austrittsfläche ist weitgehend gleich Null, so daß eine weitgehend von Lichtreflektionsverlusten freie Lichtablenkeinrichtung erhalten wird.

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Ausfülirungsform 5

Bei den Anordnungen der oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4- wurden anisotrope Kristalle aus LiFbO₇., PbMoO^, CaMoO. , HICL· usw. anstelle des TeOp-Einkristalls als akustο-optisches Medium verwendet. Ähnliche Effekte können in diesen Fällen eben falls erhalten werden.

Um die Schall well enfront norm ale von der <^110/^ -Achse zu verschieben, wurden die durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugte Wellenfront aus der (11O)-Ebene in den vorbeschriebenen Ausführungsformen geneigti Anstelle dieser Anordnungen kann zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Ablenkmedium 2 gemäß Fig. 14 ein keilförmiges Schallwellenübertragungsmedium 14 angeordnet sein. Diese Anordnung erzeugt ähnliche Effekte wie das Neigen der Fläche auf der der piezoelektrische Wandler befestigt ist.

Wie oben beschrieben, ist die Erfindung darauf gerichtet, eine Lichtablenkeinrichtung zu schaffen, die die anisotrope Bragg-Diffraktion ausnutzt. Dabei tritt keine Abnahme des Diffraktionswirkungsgrades in der Nähe der Hauptfrequenz auf, und sin ausgezeichneter Frequenzgang wird erhalten. Außerdem ergeben sich andere Vorteile, wie beispielsweise die Tatsache, daß eine große Steuerbandbreite gewählt und weitgehend linear polarisiertes Licht als einfallendes Eicht verwendet werden kann.

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Claims

Patentansprüche

\J\.Lichtablenkeinrichtung, die die anisotrope Bragg-Diffraktion des Lichts durch Schallwellen in einem anisotropen Kristall ausnutzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (2) eine Lichteintrittsflache (10), eine Lichtaustrittsfläche und eine Eintrittsfläche (9) für Schallwellen aufweist, an der eine ■Ultraschallquelle (3,5) angeordnet ist, wobei die Flächen des.Kristalls (2) derart angeordnet sind, daß sich die Eichtungen der Wellenfrontnormalen und Energieausbreitung der Ultraschallwelle unterscheiden.
2.Lichtablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung rückgebeugten Lichts der Frequenzbereich der Ultraschallwelle, in dem das durch diese gebeugte Licht erneut gebeugt wird, zumindest teilweise außerhalb des Frequenzbereiches der Ultraschallwelle liegt, in dem das Frequenzdifferential des die Beugungsbedingung erfüllenden Lichteinfallswinkels im wesentlichen null ist.
3.Lichtablenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche (10) um einen vorbestimmten Winkel relativ zur Kristallorientierungsachse geneigt ist, so daß das Licht auf der Lichteinfallsflache (10) unter dem. Brewster-Winkel einfällt.

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.Lichtablenkeinrichtung, die die anisotrope Bragg-Diffraktion des Lichts durch Schallwellen in einem anisotropen Kristall ausnutzt, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung zum Trennen der Sichtungen der Wellenfrontnormalen und der Energieausbreitung der Ultraschallwelle und zum Trennen des die Rediffraktion des einfach gebeugten Lichts verursachenden Frequenzbereiches der Ultraschallwelle von dem Frequenzbereich, in dem das Frequenzdifferential des die Beugungsbedingung erfüllenden Lichteinfallswinkels im wesentlichen Null ist, wobei die Trenneinrichtung durch die Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich steuerbar ist, der außerhalb des Frequenzbereichs für die Rediffraktion ist.

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