DE2639377A1 - Vorrichtung zur lichtbuendelung durch reflexion auf einer verformbaren reflexionsflaeche - Google Patents

Description

^Γ1. Sep. 1976

DipL-lng. Jürgen WEINMILLER PATENTASSESSOR

SOSPI GmbH

80OO München 8O

Zeppelinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS, CEDEX 08 Frankreich

VORRICHTUNG ZUR LICHTBONDELUNG DURCH REFLEXION AUF EINER VERFORMBAREN REFLEXIONSFLACHE

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Lichtbündelung durch Reflexion auf einer verformbaren Reflexionsfläche^ und insbesondere Vorrichtungen dieser Art, mit denen ein energiereicher Lichtstrahl in einem Punkt gebündelt und durch Verformung ihrer Reflexionsfläche die Phasenverschiebung der Lichtwellen im Bündelungspunkt korrigiert werden kann.

Es ist eine Vorrichtung zur Lichtbündelung durch Reflexion bekannt, die mehrere piezoelektrische Keramikteile aufweist, von denen jedes zwei sich gegenüberliegende Seiten aufweist, auf der jeweils eine Elektrode angeordnet ist. Mit einer ihrer Seiten sind die Keramikteile auf einer Seite einer starren Grundplatte befestigt, auf der anderen Seite jedes piezoelektrischen Teils ist ein Spiegel befestigt, wobei die verschiedenen

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Spiegel das Licht eines einfallenden Lichtstrahls in einem Punkt bündeln können. Diese Vorrichtung umfaßt weiterhin einen Lichtdetektor, der das von diesem Punkt ausgehende Licht auffängt und für die Phasenverschiebung der von den verschiedenen Spiegeln kommenden Lichtwellen repräsentative elektrische Signale liefert. Diese Signale werden am Eingang eines elektronischen Regelungssystems aufgenommen, dessen Ausgang mit dem auf den piezoelektrischen Keramikteilen angeordneten Elektroden verbunden ist. Unter dem Einfluß der durch das Regelungssystem gelieferten Ausgangssignale dehnen sich diese Teile aus bzw. ziehen sie sich zusammen, so daß die Phasenverschiebung im Bündelungspunkt korrigiert werden.

Handelt es sich bei dem Lichtstrahl um einen energiereichen Lichtstrahl, so heizen sich die verschiedenen Spiegel auf., was sich für das einwandfreie Funktionieren der Vorrichtung nachteilig auswirkt. Daher wird das Innere jedes Spiegels mit Leitungen versehen, durch die man ein Kühlmittel fließen läßt.

In einer derartigen Vorrichtung sind die mit ihrem Kühlsystem versehenen Spiegel relativ schwer, wodurch es zu einer Verlängerung der Reaktionszeit der Regelungsvorrichtung kommt. Die Reaktionszeit muß jedoch äußerst kurz gehalten werden, damit die Regelungsvorrichtung die Lichtphasenverschiebungen wirksam korrigieren kann.

Die Erfindung gemäß Hauptanspruch zielt darauf ab, diesen Nachteil zu beheben.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden zwei Figuren näher beschrieben, die zwei Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigen.

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Fig. 1 zeigt im Schnitt eine starre Grundplatte 1 aus Kupfer, deren Stärke einige Zentimeter betragen kann. In der Platte 1 sind Leitungen 2, 3, 4 angeordnet, deren Enden jeweils miteinander verbunden sind, so daß sich eine durchgehende Leitung ergibt, in der ein Kühlmittel zirkulieren kann. Auf der Oberseite/der Platte 1 sind nebeneinander drei Teile 6, 7, 8 aus einem piezoelektrischen Monokristall, beispielsweise aus Lithiumniobat angeordnet. Diese Teile weisen die Form von Scheiben auf und werden durch in Querrichtung erfolgendes Zersägen eines monokristallinen Stabs erhalten. Eine untere Fläche 9 jedes Teils, die zuvor mit einer Silberschicht bedeckt wurde, wird mit Indiumlot auf die Seite 5 der Platte gelötet; die obere Fläche des Teils wird fein poliert, und zwar vorzugsweise vor dem Zersägen des Stabs, um einen konvergenten konkaven Spiegel zu bilden; diese obere Fläche wird mit einer reflektierenden Metallschicht 10 beispielsweise aus Gold bedeckt, die einen bündelnden Spiegel bildet und z.B. durch Vakuumaufdampfen hergestellt ist. Jedes Teil besitzt zwei auf seiner oberen bzw. unteren Fläche befestigte Elektroden. Die obere Elektrode besteht aus der Schicht 10, wobei ein Anschlußdraht 11 an diese Schicht angelötet ist. Die untere Elektrode 12 ist in einer auf der Seite 5 der Platte 1 eingearbeiteten Vertiefung 13 untergebracht, die mit der unteren Seite 14 der Platte über einen Kanal 15 in Verbindung steht, in dem ein anderer an die Elektrode 12 angelöteter Anschlußdraht 16 angeordnet ist. Die Elektroden 10 und 12 jedes Teils sind über Anschlußdrähte 11 und 16 an die Klemmen 17 einer elektrischen Spannungsquelle 18 angeschlossen. Diese Quelle

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ist als elektronisches Regelsystem ausgebildet, das von einem fotoelektrischen Empfänger 19, wie beispielsweise einer Siliziumdiode, deren Ausgang mit dem Eingang 20 des Regelsystems 18 verbunden ist, gelieferte Informationen empfängt.

Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet folgendermaßen :

Ein Lichtstrahl 21, also etwa ein auf die Seite 5 der Platte 1 gerichteter Laserstrahl, wird in einem Punkt 22 durch die reflektierenden Flächen 10 der piezoelektrischen Teile 6, 7, 8 gebündelt. Der Empfänger 19 ist so ausgerichtet, daß er das vom Punkt 22 kommende Licht empfängt, und liefert an seinem Ausgang elektrische Signale, die für die Phasenunterschiede zwischen den Lichtwellen der von den verschiedenen Flächen reflektierten Teilbündel repräsentativ sind. Diese Phasenunterschiede können entweder von mangelnder Kohärenz des Ursprungsstrahls oder von inhomogenen Brechungsindizes der vom Lichtstrahl durchlaufenen Atmosphäre herrühren.

Das Regelungssystem 18 liefert an seinen Ausgängen 17 elektrische Signale, die in jedem piezoelektrischen Teil eine Ausdehnung bzw. Zusammenziehung hervorrufen können, um die Phasenunterschiede der Lichtwelle im Punkt 22 zu neutralisieren.

Handelt es sich beim Lichtstrahl 21 um einen energiereichen Strahl, so wird die von jeder Reflexionsfläche aufgenommene Wärmeenergie durch die Dicke des Teils 6 von der Fläche 10 zur Platte 1 hin übertragen. Die so in der Platte 1 eintreffende Wärmeenergie wird durch das in den Leitungen 2, 3 und 4 umlaufende Kühlmittel (beispielsweise Wasser) abgeführt. Zur Erzielung einer Reflexionsschicht guter optischer Qualität auf

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der oberen Fläche des piezoelektrischen Teils ist ein sehr sorgfältiges Polieren dieser oberen Fläche nötig. Das sorgfältige Polieren ist möglich, wenn es sich bei dem piezoelektrischen Material um einen Monokristall handelt; bei Keramikteilen wäre das unmöglich.

In Fig. 2 ist teilweise eine andere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der auf der Seite 5 der Grundplatte 1 ein einziges Teil 23 aus einem piezoelektrischen Monokristall befestigt ist. Dieses Teil wird ebenfalls durch Zersägen eines Monokristalls erhalten, und es kann die Form einer Scheibe aufweisen, deren Durchmesser etwa 10 cm beträgt; die Grenzen für den Durchmesser ergeben sich lediglich durch die Möglichkeit bei der Herstellung von Monokristallen. Die Stärke des Teils wird so gering wie möglich gehalten, etwa einige Zehntel Millimeter. Die obere Fläche des Teils 23 wird zuvor fein poliert, um eine konkave polierte Oberfläche zu ergeben; sie wird anschließend mit einer reflektierenden Goldschicht 24 versehen, die eine einzige obere Elektrode bildet, an die ein Anschlußdraht 25 angelötet ist. Auf der unteren Fläche des Teils 23 sind mehrere Elektroden wie beispielsweise 26 angeordnet, die mit Anschlußdrähten 27 verbunden sind. Diese Elektroden sind in Vertiefungen angeordnet, die den in Fig. 1 gezeigten Vertiefungen 13 gleich sind, und sind gleichmäßig über den auf der Platte 1 aufliegenden Querschnitt des Teils 23 verteilt. Die Platte 1 weist außerdem Kühlkanäle 2, 3, 4 auf. Die obere Elektrode 24 und jede untere Elektrode 26 sind paarweise mit Ausgängen einer als elektronisches Regelsystem ausgebildeten Spannungsquelle verbunden, die hier nicht dargestellt ist, jedoch der in Fig. 1 gezeigten Quelle 18 gleicht.

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Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ähnelt der an Hand der Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung. Die elektrischen Ausgangssignale des Regelsystems rufen eine durch die untere Elektrode 26 lokalisierte Verformung des Teils 23 hervor.; insgesamt gesehen erfährt die reflektierende Fläche 24 des Teils 23 in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen eine kontinuierliche Verformung zwischen der einzigen oberen Elektrode und den verschiedenen unteren Elektroden.

Das Gesamtgewicht der aus piezoelektrischem Teil und Bündelungsspiegel bestehenden Kombination ist sehr gering, wenn man sie mit dem Gewicht der entsprechenden Bauteile der bekannten oben erwähnten Vorrichtung vergleicht, bei der die Kühlkanäle in den Bündelungsspiegeln angeordnet sind. Da die Massenträgheit somit gering ist, kann auch die Reaktionszeit des dieser Vorrichtung zugeordneten Regelungssystems sehr kurz sein, so daß eine praktisch unverzögerte Korrektur der Phasenunterschiede im Bündelungspunkt des Lichtstrahls erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedesmal dann eingesetzt werden, wenn man einen leistungsstarken Lichtstrahl bündeln will und insbesondere auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik zur Bündelung der Energie eines informationsübertragenden Laserstrahls über große Entfernung auf eine Empfangsantenne.

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Claims (1)

1. - 7 PATENTANSPRÜCHE

   1 - Vorrichtung zur Bündelung von Licht durch Reflexion auf einer verformbaren Reflexionsfläche, mit mindestens einem flachen Teil aus einem piezoelektrischen Material, mit mindestens einer oberen auf der oberen Fläche des Teils angeordneten Elektrode und einer unteren auf der unteren Fläche des Teils angeordneten Elektrode, wobei die obere und die untere Elektrode an die entsprechenden Klemmen einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen sind, mit einer starren Grundplatte, mit Mitteln zur Befestigung der unteren Fläche des Teils auf der steifen Platte und mit einem Bündelungsspiegel, der auf der oberen Fläche des Teils angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittel für die Platte (1) vorgesehen sind, durch die die Temperatur des Spiegels (10) beim Empfang eines kohärenten Lichtstrahls (21) gesenkt wird und daß der Bündelungsspiegel und die obere Elektrode aus einer auf der oberen Fläche des Teils (6) aufgebrachten reflektierenden Metallschicht (10) gebildet werden.

   2 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere piezoelektrische Teile (6,7,8) aufweist, die nebeneinander auf der Platte (1) mit ihren unteren Flächen (9) befestigt sind, wobei jedes Teil {6) auf seiner oberen Fläche mit einer reflektierenden und konvergierenden Metallschicht (10) versehen ist, die gleichzeitig einen Bündelungsspiegel für einen einfallenden Lichtstrahl (21) in einem Punkt (22) und eine obere Elektrode bildet.

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   3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein piezoelektrisches Teil (23) aufweist, das mit seiner Unterseite auf der Platte (1) befestigt ist und auf seiner Oberseite mit einer reflektierenden Metallschicht (24) bedeckt ist, die gleichzeitig einen Spiegel, der das Licht des Lichtstrahls (21) in einem Punkt (22) bündeln kann, und eine obere Elektrode bildet, und daß dieses Teil auf seiner Unterseite mit mehreren unteren Elektroden (26) versehen ist.

   4 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem piezoelektrischen Material um einen Lithiumniobat-Monokristall handelt.

   5 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Leitungen (2, 3, 4) umfassen, die in diese Platte (1) eingearbeitet sind und in denen eine Kühlflüssigkeit in Umlauf versetzt wird.

   6 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Metallschicht (10) aus Gold besteht.

   7 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung der Unterseite (9) des Teils (6) auf einer Seite (5) der Platte (1) eine Silberschicht umfassen, die auf dieser Unterseite (9) aufgebracht ist, sowie eine Indiumschicht, die zwischen dieser Silberschicht und der Seite (5) der Platte (1) angeordnet

   ist. 709811/0753

   8 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannungsquelle aus einem elektronischen Regelsystem (8) besteht, wobei der Steuereingang (20) dieses Systems mit den Ausgängen eines fotoelektrischen Empfängers (19) verbunden ist, der das Licht von dem Bündelungspunkt (22) empfängt_#und die Ausgänge (17) dieses Systems mit den oberen Elektroden (10, 24) bzw. unteren Elektroden (12, 26) verbunden sind.

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