DE2640865A1

DE2640865A1 - Verfahren und vorrichtung zum beugen eines lichtstrahls

Info

Publication number: DE2640865A1
Application number: DE19762640865
Authority: DE
Inventors: I-Cheng Chang
Original assignee: Itek Corp
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1975-09-10
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1977-03-17
Also published as: US4052121A; JPS5945965B2; GB1564911A; JPS5233750A

Description

Patentanwälte: .

Dr. Dieter F. Morf Dr Hans-Α. Brauns

10. .September .19.76.

Jt £* γγ ^t ί»

ITEK CORPORATION

10 Maguire Road, Lexington, Massachusetts,

V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Beugen eines Lichtstrahls

Die Erfindung betrifft elektronisch abstimmbare optische Filter unter Anwendung nicht-kollinearer Wechselwirkung von Licht- und Schallbündeln in einem optisch anisotropen ' Medium. Der hier definierte Ausdruck "Nicht-Kollinearität" bezieht sich auf die Richtung des Eriergieflusses, d. h. die Gruppengeschwindigkeit, optischer und akustischer Bündel. .

Elektronisch abstimmbare akusto-optische Filter sind unter Verwendung eines polarisierten Lichtbündels, das sich in einem anisotropen Medium kollinear mit einem akustischen Bündel ausbreitet, hergestellt worden. Das einfallende Lichtbündel einer ersten Polarisation wird durch die akustische Welle in eine zweite Polarisation gebeugt, die mittels gekreuzter Polarisatoren von dem einfallenden Bündel getrennt werden kann. Bei einer bestimmten akustischen Frequenz tritt die Beugung nur für ein Band optischer Frequenzen um eine optische Mittenwellenlänge auf, die durch die akustische Frequenz bestimmt wird. Wenn die akustische Frequenz verändert wird, wird die Mittenwellenlänge des optischen Durchlaßbereiches des Filters entsprechend geändert. Solch ein kollineares akusto-optisches Filter wird in US-PS 3 679288 beschrieben. Diese Patentschrift beschäftigt sich in erster Linie mit Ausbreitungen

— T —

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Sl,

akustischer Wellen, die isotrop sind, d. h. bei denen die Phasengeschwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle zusammenfallen. Bei diesem bekannten kollinearen akusto-optischen Filter sind das akustische Bündel, d. h. die Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle und die normale der akustischen Wellenfront, d. h. die Phasengeschwindigkeit, kollinear mit dem optischen Bündel.

Das Erfordernis der Kollinearität des aus US-PS 3 679 288 bekannten Filters bringt die beiden folgenden sehr wesentlichen Vorteile: Erstens wird das Wechselwirkungsvolumen der akustischen und der optischen Bündel vergrößert, so daß die Steuerleistung für maximale Filterdurchlässigkeit drastisch verringert wird, und zweitens ist der öffnungswinkel des Filters groß im Vergleich zur herkömmlichen isotropen Bragg-Zelle.

Die oben genannte Patentschrift gibt auch eine mathematische Beschreibung der kollinearen akusto-optischen Wechselwirkung in einem anisotropen Medium und der Eigenschaften des kollinearen akusto-optischen Filters, einschließlich der Filterabstimmungsrelation, d. h. der Mittenwellenlänge des Filterdurchlaßbereiches gegenüber der akustischen Frequenz, des Durchlaßvermögens und der Steuerleistung, der spektralen Bandbreite des Filters und der Winkelöffnung. Es werden ferner Einrichtungen zum Einkoppeln optischer und akustischer Bündel in das Filtermedium und zum Trennen des gefilterten Lichtes von dem einfallenden Lichtbündel beschrieben.

Die Ausbreitung akustischer Wellen in manchen Kristallen

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ist anisotrop, d. h. die akustische Phasengeschwindigkeit und die Gruppen- oder Energiegeschwindigkeit sind nichtkollinear. Das akustische Bündel entfernt sich von der Normalen der akustischen Wellenfront. Der Winkel zwischen der Phasengeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeit ist z. B. für eine Scherwelle, die sich längs der y-Achse in einem Quarzkristall ausbreitet, gleich 24,3 Grad. In solchen Fällen kann das optische Bündel nicht gleichzeitig kollinear mit der Phasengeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeit des akustischen Bündels sein. In US-PS 3 687 521 wird eine Filterkonstruktion beschrieben, bei der die Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle kollinear mit dem optischen Bündel gewählt ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Wechselwirkungslänge so groß wie möglich und folglich die Steuerleistung so klein wie möglich ist. Es werden ferner Mittel zum Koppeln der optischen und akustischen Bündel beschrieben, so daß die akustische Gruppengeschwindigkeit und das optische Bündel innerhalb des Wechselwirkungsmediums kollinear sein können.

Die in. der oben genannten Patentschrift beschriebene Konstruktion hat ein unerwünschtes Ergebnis; der öffnungswinkel des Filters wird sehr klein, was gleichbedeutend damit ist, daß der Durchlaßbereich des Filters für größere öffnungswinkel verbreitert wird. Gemäß US-PS 3 756 689 existieren bestimmte Kristallorientierungen, bei denen der Effekt der Doppelbrechungsänderung durch den Effekt, der durch die akustische Anisotropie ausgelöst wird, aufgehoben wird. Bei Wahl dieser Orientierungen für akusto-optische Filter bei der in US-PS 3 687 521 beschriebenen Konstruktion erhöht die Auf lösung und verbessert den erhaltenen öffnungswinkel. In US-PS 3 756 689 werden ferner spezielle

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^P"²⁴⁴² 26 A 086

Kristallorientierungen für kristallines Quarz und LiNbO-. beschrieben.

In allen oben genannten Patentschriften (US-PS 3 679 288; 3 687 521 und 3 756 689) ist die Ausbildung des akusto-optischen Filters so beschrieben, daß das akustische Bündel, d. h. die Gruppen- oder Energiegeschwindigkeit der akustischen Welle im wesentlichen kollinear mit dem Licht ist.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß ein elektronisch abstiminbares optisches Filter mit großem öffnungswinkel dadurch erhalten werden kann, daß man von der Wechselwirkung optischer und akustischer Bündel Gebrauch macht, die sich nicht-kollinear in einem anisotropen Medium ausbreiten. Verfahren und Vorrichtungen werden in der Weise zur Verfügung gestellt, daß das einfallende Licht einer Polarisation durch die akustische oder Schallwelle innerhalb eines optischen Durchlaßbereiches, dessen Mitte durch Verändern der akustischen oder Schallfrequenz abgestimmt werden kann, in eine orthogonale Polarisation gebeugt wird. Die Erfindung stellt die Konstruktionsbeziehungen zwischen den Richtungen des eintreffenden Lichtes und der akustischen Phasengeschwindigkeit sowie der Kristallorientierungen für die geeignete Verwendung des Filters mit großem öffnungswinkel zur Verfügung. Es wird eine Ausbildung beschrieben, bei der das optische Bündel und das akustische Bündel, d. h. die Gruppengeschwindigkeit der akustischen oder Schallwelle, nicht kollinear sind; dies ermöglicht einfache Konstruktionen zum Einkoppeln des optischen und akustischen Bündels in das Medium.

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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das durchgelassene Lichtbündel durch Polarisatoren und Analysatoren von dem auftreffenden Lichtbündel getrennt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine breitere Klasse von Kristallen als das Filtermedium verwendet werden kann.

Ferner ist die zur Verfugung stehende Freiheit bei der Konstruktion größer. Die verschiedenen Konstruktionen beinhalten die Optimierung der Filtereigenschaften, wie der Wirksamkeit, des Auflösungsvermögens, des öffnungswinkels und des gesamten Durchsatzes sowie der Freiheit bei der Wahl einer Schallfrequenz für eine bestimmte Betriebswel-* lenlänge.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es auch, daß mehr als ein Umformer zur Erhöhung des Abstimmungsbereiches oder zur Änderung des Auflösungsvermögens mit dem Filtermedium verbunden werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das durchgelassene und das auftreffende Bündel räumlich durch einen Ablenkungswinkel getrennt sind. Bei auftreffendem Licht mit einer kleineren Winkelverteilung als dem Ablenkungswinkel kann das Filter ohne die Verwendung von Polarisatoren und Analysatoren verwendet werden.

In der beiliegenden Zeichnung zeigen:.

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Konstruktion eines nicht-kollinearen abstimmbaren akusto-optischen Filters;

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Figur 2 eine scheraatische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung;

Figur 3 ein Wellenvektordiagramm für akusto-optische Wechselwirkung in einem nicht-kollinearen Filter, wobei man erkennt, daß die Größe und die Richtung des akustischen Wellenvektors so gewählt werden muß, daß die Tangenten an die Ortskurven des optischen Wellenvektors parallel sind, und

Figur 4 eine graphische Darstellung der gemessenen Abstim-" mungskurve eines nicht-kollinearen akusto-optischen TeO₂-Filters.

In Figur 1 ist eine Ausbildung des nicht-kollinearen abstimmbaren akusto-optischen Filters der Erfindung schematisch dargestellt. Das Filter umfaßt ein geeignetes optisches anisotropes Medium, wie z. B. einen doppelbrechenden Kristall 11, einen Exngangspolarisator 12 und einen Ausgangsanalysator 13. Das optische Bündel 14 der Lichtquelle 15 wird durch den Exngangspolarisator 12 polarisiert, tritt in das Medium 11 ein, breitet sich längs vorgegebener Achsen des doppalbrechenden Kristalles aus, tritt an der gegenüberliegenden Fläche des Mediums 11 als Ausgang 16 aus und gelangt dann durch den Ausgangspolarisator oder -analysator 13. *

Ein oder mehrere akustische Umformer oder Wandler 17 (in der Figur sind zwei Umformer gezeigt) sind in innigem Kontakt mit dem Kristall 11 an einer vorgegebenen Fläche 18 befestigt und sind mit einem geeigneten Generator oder einer geeigneten Quelle 19 verbunden, z. B. einem spannungs-

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gesteuerten Oszillator, dessen Frequenz und Amplitude verändert werden können. Der Umformer kann longitudinal schwin gen (z. B. 35°-y-geschnittener LiNbO.,) oder ein Scherungsschwinger (z. B. x~geschnittener LiNbO-.) sein. Die Wellennormale der erzeugten akustischen Welle zeigt entlang der Phasengeschwindigkeit VJÜ". Die Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle V , d. h. die Richtung des akustischen Energieflusses, ist so gewählt, daß sie nicht-kollinear mit dem Lichtbündel 14 ist. Für longitudinal^ Moden und bestimmte spezielle Scherungsmoden ist die Ausbreitung der akustischen Wellen isotrop, d. h. die akustische Phasengeschwindigkeit Vp und Gruppengeschwindigkeit "v* sind kol linear. Die akustische Phasengeschwindigkeit V_ ist dann auch nicht-kollinear mit dem optischen Bündel 14.

Für viele Scherungsmoden ist die akustische Phasengeschwindigkeit V_ nicht-kollinear mit der Gruppengeschwindigkeit. In diesem Fall kann die akustische Phasengeschwindigkeit V nicht-kollinear mit dem optischen Bündel (wie in Fig. 1 gezeigt) oder kollinear mit dem optischen Bündel gewählt werden.

In Figur 2 ist eine weitere Ausgestaltung des Filters gezeigt, das das Filtermedium 21, eine Linse 22 und eine Blickfeldblende 23 umfaßt. Das optische Bündel 24 der Lichtquelle 25 gelangt durch das Medium 21 und wird durch das akustische Bündel gebeugt. Die Linse 22 und die Blickfeldblende 23 werden zum räumlichen Filtern verwendet, so daß nur einer der gebeugten optischen Bündel als der Ausgangsstrahl 26 durchgelassen wird. Einer oder mehrere akustische Umformer sind in innigem Kontakt mit dem Medium 21 an einer vorgegebenen Oberfläche 28 befestigt und mit einem

— 7 —

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geeigneten Generator 29 verbunden. Die akustische Phasengeschwindigkeit verläuft längs V, die entweder kollinear oder nicht-kollinear mit der akustischen Gruppengeschwindigkeit V ist.

Für eine gegebene akustische Mode und akustische Phasengeschwindigkeit kann V* aufgrund der akustischen Eigenschaften des Kristalls bestimmt werden. Die Richtung der akustischen Phasengeschwindigkeit vl wird so gewählt, daß der

Filter mit einem großen Öffnungswinkel betrieben werden kann. Um eine geeignete Relation zwischen der akustischen Phasengeschwindigkeit V und der Richtung des optischen Bündels zu erreichen, ist eine Theorie für die Lichtbeugung durch akustische Wellen in einem anisotropen Medium, in dem die WellenfrontnormaIe der optischen und akustischen Wellen im allgemeinen nicht-kollinear sind, erforderlich. Die Theorie des erfindungsgemäßen Filters wird nachfolgend im Detail erklärt.

Äkusto-optische Beugung kann als eine parametrische Wechselwirkung betrachtet werden. Infolge des elastooptischen Effektes wird die eintreffende optische Welle mit der Winkelf reguenz co. und dem Wellenvektor Tc". mit der akustischen Welle mit der Winkelfrequenz cj und dem Wellenvektor k

a a

gemischt, wodurch eine treibende optische Polarisationswelle mit der Winkelfrequenz cj + cJ und dem Wellenvek-

—»· —? O a

tor k + k erzeugt wird. Die Polarisationswelle wechselwirkt dann mit den freien Wellen, d. h. der gebeugten Welle, in dem anisotropen Medium. Die Winkelfrequenz und der Wellenvektor der gebeugten Welle wird mit co und k^ bezeichnet, die gegeben sind durch

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ω_ά = ω_±

U 1 a.

Gleichung (1) ist eine Wiedergabe'der Energieerhaltung und Gleichung (2) ist eine Wiedergabe der Impulserhaltung. Die Differenz Δ k der Wellenvektoren zwischen der Polarisationswelle k. + k und der gebeugten Welle k, ist

ι a d

die Fehlanpassung hinsichtlich des Impulses und ist für die Abnahme der Beugungswirkung von der Mittenwellenlänge des Filterdurchlaßbereiches weg verantwortlich, bei der der Impuls exakt angepaßt ist. Man beachte, daß Cj << υ . ,

2 TKc a ι

so daß L). & Q ⁼ — / wobei c die Lichtgeschwindigkeit

und /L die Vakuumwellenlänge ist." Es gilt ferner k. =

2 ff ° 2 ff ^x

—γ¹- η. und k-, = -τ— η,, wobei η. und η, die Brechungsin-

/L _ 1 O- Λ. _t Cl 1 Cl

dizes des Mediums für das einfallende bzw. gebeugte Licht

die akustische Frequenz und _o

V die akustische oder Schallgeschwindigkeit ist.

sind und k = - o, wobei f _a _ _o

Bei näherungsweise angepaßten Bedingungen, d. h. wenn der Fehlanpassungs-Wellenvektor A k klein ist, ergibt die Wechselwirkung der erzwingenden oder steuernden Polarisationswelle und der freien Welle des Mediums eine Zunahme des gebeugten Lichtes. Der Anteil der Intensität des gebeugten Lichtes bei einer Wechselwirkungslänge L ist gegeben durch;

T -

¹ "

— T

^sin

wobei T die Spitzentransmission bei der Mittenwellenlänge des Durchlaßbereiches ist,

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AO

wobei P, die akustische Leistungsdichte und M„ die Material-Parallelgüte ist. M₂ ist gegeben durch

M = 2

3 3
^η

pV

(5)

wobei ο die Dichte des Kristalles, ρ der entsprechende elasto-optische Koeffizient für die jeweilige Wechselwirkungsmode ist.

Die Gleichung (4) ergibt, daß 100 Prozent Transmission erreicht werden können, wenn die Leistungsdichte den folgenden Wert erreicht:

(6)

Für niedrige SteuerIeistung ist es zweckmäßig, eine lange Wechselwirkungslänge und eine hohe Parallelgüte M₂ zu haben. Es ist zu beachten, daß der entsprechende elasto-op-* tische Koeffizient p, um eine Beugung zu erhalten, nicht verschwinden darf. Für viele Kristallklassen darf ρ jedoch für eine bestimmte gewählte Modo Null sein. Ein bemerkenswertes Beispiel ist TeO-. Bei der Verwendung als ein Deflektor ist die TeQ₂-Parallelgüte M₂ * 2 χ 10 cgs

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Einheiten. Andererseits beträgt die Parallelgüte M_ für kristallines Quarz bei Verwendung in dem kollinearen FiI-

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ter etwa 2 χ 10 cgs-Einheiten. Bei Verwendung von TeO₂ in dem kollinearen Filter könnte die Steuerleistung etwa um einen Faktor von 10 verringert werden. Das relevante ρ für Filterwechselwirkung ist jedoch Null für das kollineare Filter. In Wirklichkeit ist das relevante ρ für kollineare Filter nicht Null nur für Kristalle mit relativ niedriger Symmetrie (trigonale Kristalle, z. B. Quarzkristall und LiNbO₃ und tetragonal II, ζ. B. CaMoO₄). Selbst für diese Kristallklassen ist jedoch das relevante ρ im allgemeinen ziemlich klein. Obwohl also die Wechselwirkungslänge L bei der nicht-kollinearen Ausführung klein sein kann, sind wesentlich breitere Kristallklassen mit großem M₂ für nicht-kollineare akusto-optische Filter geeignet. Für nicht-kollineare Filter ist jedes Material geeignet, das anisotrop ist (einachsig oder zweiachsig aller Kristallklassen) .

Wenn man sich nun wieder Gleichung (3) zuwendet, so erkennt man, daß, wenn die Wellenlänge von der Bandmitte des Filters abweicht, ein endliches ä k eingeführt wird und ein endlicher optischer Durchlaßbereich der Filtertransmission entsteht. Die Mittenwellenlänge des Filters wird durch die Bedingung exakter Impuls anpassung (Ak = 0) bestimmt.

Das Filter muß außerdem mit einem großen öffnungswinkel eingesetzt werden, d. h. die spektrale Auflösung des Filters darf für eine begrenzte Winkelverteilung des einfallenden Lichtes nicht verbreitert werden. Es ist notwendig, daß die Bedingung der Impulsanpassung für eine kleine Änderung der Richtungen des einfallenden Lichtes aufrechter-

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halten bleibt. Um ein richtiges Arbeiten des Filters sicherzustellen, muß daher die Größe und Richtung des akustischen Wellenvektors T? so gewählt werden, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: (1) Der Impuls ist angepaßt, /Ik = o, d. h. die We Ilen vektor en "k*. , TT, und TT müssen ein

ι ei a

geschlossenes Dreieck bilden. (2) Die Änderung erster Ordnung von A k bezüglich einer Änderung der Richtungen des einfallenden Lichtes ist Null, d. h.

AIc = 0

und

•30.

Ak = 0

wobei (p- und Q. die Azimuth- und Polarwinkel des einfallenden Lichtbündels sind. Geometrisch bedeutet dies, daß

—> —* die Tangenten der Ortskurven von k. und k-, parallel sind. Zur Erläuterung sei angenommen, daß das einfallende Licht ein außerordentlicher Polarisationsstrahl und das gebeugte Licht ein ordentlicher Polarisationsstrahl ist, d. h.

n_d = n_o ,1 und

1/2

wobei η und η die Brechungsindizes für ordentliche bzw. außerordentliche Strahlen sind, die sich senkrecht zur optischen Achse ausbreiten. In der Ebene mit θ = konstant sind die Ortskurven von k? und k, konzentrische Kreise, wobei die Tangenten an die Ortskurven parallel sind, wenn

(7)

wobei <p_d und ^ die Azimuthwinkel des gebeugten Lichtbüridels

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bzw. der akustischen Welle sind. Gleichung (7) bedeutet, daß die Wellenvektoren Tc., k, und k alle in der gleichen AzimutheBene(ty = konstant)liegen. Das Wellenvektordiagramm in der Ebene mit φ = konstant ist in Fig. 3 gezeigt. Man erkennt, daß die Ortskurve des Wellenvektors Tc*, für das außerordentliche polarisierte Bündel näherungsweise elliptisch ist. Die Bedingung, daß die Tangenten der Ortskurve von "k*. und kV parallel sind, kann folglich für jeden gegebenen Winkel θ. des einfallenden Lichtes erfüllt werden, wenn der akustische Wellenvektor *k*" geeignet gewählt

wird. Aus der in Figur 3 gezeigten Geometrie der Wellenvektoren erkennt man, daß (wenn die Doppelbrechung Λ η =

klein ist)

Die Bedingung

^v a ι/ Δη 3Θ.

= 0 ergibt außerdem

(8)

^2ki^ka ^COS

(9)

Die Gleichungen (8) und (9) geben die näherungsweise Beziehung zwischen der optischen Wellenlänge des Filterdurchlaßbereiches undöder akustischen Wellenlänge, ■

(10)

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Es ist zu beachten, daß das gebeugte und das einfallende Lichtbündel in dem nicht-kollinearen akusto-optischen Filter durch den Winkel ΔΘ » -^q- ^Δη J getrennt sind. Der Filter kann folglich ohne Polärisatoren und Analysatoren verwendet werden, wenn die verwendbare Winkelöffnung des Filters kleiner ist als der Ablenkungswinkel, der durch die Gleichung (8) gegeben ist.

Es ist ferner zu beachten, daß für die nicht-kollinearen Filter die spektrale Auflösung und der öffnungswinkel Funktionen von Θ. sind und sich folglich mit unterschiedlichen Wahlen der verwendeten Einfallwinkel ändern.

Es wird betont, daß die akustische Mode entweder isotrop oder anisotrop sein kann. In jedem Fall kann die Kristallorientierung für das einfallende Licht (die Polar- und Azimuthwinkel) so gewählt werden, daß ein großer Grad an Freiheit in dem Filteraufbau gegeben ist.

Nachfolgend wird ein Versuch mit nicht-kollinearen abstimmbaren akusto-optischen Filtern beschrieben. Bei einem Versuch wird ein nicht-kollineares akusto-optisches Filter unter Verwendung von TeO~ als Filtermeditim entworfen und konstruiert. Das Schema des Filters ist das gleiche wie in Figur 1. Linear polarisiertes Licht trifft senkrecht auf die Eintrittsoberfläche, die mit der (001)-Ebene einen Winkel von 20,7° bildet. Die gewählte akustische oder Schallwelle ist eine reine Schermode, die sich in der (110)-Ebene ausbreitet und einen Winkel von 10° gegenüber den (110)— Achsen bildet. Diese Ausbreitungsrichtung ist entsprechend den Gleichungen (7) und (8) gewählt. Der Umformer ist ein X-geschnittener LiNbO^-Umformer mit einer Resonanzfrequenz von etwa 145 MHz. Die akustische Energiesäule entfernt sich

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unter einem Winkel von 64,3° von den (110)-Achsen. Durch Verändern der Schallfrequenz von 100 auf 180 MHz wird ein Abstimmen des optischen Durchlaßbereichs von 750 auf 450 nm erhalten. Die gemessene Abstimmungskurve des TeO^-FiI-ters, die in Figur 4 gezeigt ist, wurde unter Verwendung einer Wolframlampe und eines Monochromators erhalten. Die gemessene .Abstimmungskurve befindet sich in guter Übereinstimmung mit der Gleichung (10) . Die gemessene Halbwertsbreite des Filters wurde zu etwa 33 Ä bei 632,8 nm gemessen. Der öffnungswinkel des Filters wurde zu ± 7° bestimmt. Etwa 95 Prozent korrigierte Spitzentransmission wurde gemessen, wenn die elektrische Eingangsleistung etwa 120 mW betrug. Bei einem weiteren Versuch wurde das gleiche IeOy-Filter ohne Polarisatoren und Analysatoren untersucht. Der experimentelle Aufbau war der gleiche wie in Figur 2. Bei einem Eintritts-öffnungswinkel von f/10 wurde eine Filtersperrung von etwa 33 dB festgestellt. Der Ablenkungswinkel zwischen dem einfallenden und dem gebeugten Licht wurde bei 632,8 nm zu etwa 5,8° gemessen.

Es wurden die am meisten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die Erfindung kann jedoch auch viele andere Formen annehmen. Die beschriebene Lichtbeugungsvorrichtung kann z. B. auch in anderer Weise, z. B. als ein Modulator zusätzlich zu der Verwendung als Filter angewandt werden. Im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche gehören diese Hinzufügungen, Modifikationen und änderungen zur vorliegenden Erfindung.

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Claims

P-2442 Patentansprüche

1. Verfahren zum Beugen eines einfallenden Lichtbündels mit einer ersten Polarisation zu einem abgelenkten Lichtbündel mit einer zweiten Polarisation, die orthogonal zu der ersten Polarisation ist, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem optisch doppelbrechenden Kristall eine akustische Welle erregt, daß man das Lichtbündel· durch den Kristall in einer Richtung führt, die nichtkollinear mit der Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle ist, und daß man die Größe und Richtung des akustischen Wellenvektors so wählt, daß der Impuls des gebeugten Lichtbündels gleich der Vektorsumme der Impulse des einfallenden Lichtbündels und der akustischen Welle ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende nicht-polarisierte Lichtbündel in zwei abgelenkte Lichtbündel mit gegenseitig orthogonalen Polarisationen gebeugt wird, daß die abgelenkten Lichtbündel räumlich voneinander und von dem einfallenden Lichtbündel getrennt werden und daß für wenigstens eines der abgelenkten Lichtbündel die Größe und Richtung des akustischen Wellenvektors so gewählt wird, daß der Impuls dieses einen abgelenkten Lichtbündels gleich der Vektorsumme der Impulse des einfallenden Lichtes und der akustischen Welle ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der akustischen Welle so gewählt ist, daß der akustische Wellenvektor in der gleichen Azimuthebene wie der Wellenvektor des einfallenden Lichtes liegt und daß in dieser Azimuthebene die Tangenten an die Ortskurven

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der Wellenvektoren des einfallenden und des gebeugten Lichtes parallel sind, und daß die Frequenz f der akustischen Welle entsprechend der nachfolgenden Beziehung gewählt
wi rd:

f =, ^V

ο λ

wobei λ. die Mittenwellenlänge des Durchlaßbereiches des
gebeugten Lichtes ist,

V die Schallgeschwindigkeit in dem Medium ist,
θ^der Polarwinkel des einfallenden Lichtes und

/\n (Θ.) die Doppelbrechung des doppelbrechenden Kristalles für den jeweiligen Polarwinkel Θ. des einfallenden
Lichtes ist.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der akustischen Welle verändert wird, um die Mittenwellenlänge des optischen Durchlaßbereiches des gebeugten Lichtbündels zu verändern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Ausbreitungsrichtungen des einfallenden Lichtbündels gewählt werden, um die Mittenwellenlänge und die Bandbreite des optischen Durchlaßbereiches
für eine vorgegebene akustische Frequenz zu verändern.

6. Vorrichtung zum Beugen eines einfallenden Lichtbündeis mit einer ersten Polarisation zu einem abgelenkten Lichtbündel einer zweiten Polarisation, die "orthogonal zu der ersten

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Polarisation ist, gekennzeichnet durch Einrichtungen (17, 19; 27, 29) zum Erregen einer akustischen Welle in einem optisch-doppelbrechenden Kristall (11; 21) und Einrichtungen (15; 25) zum Schicken eines Lichtbündels (14; 24) durch den Kristall in einer Richtung, die nicht-kollinear mit der Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle ist, wobei die Größe und Richtung des akustischen Wellenvektors so gewählt ist, daß der Impuls des abgelenkten Lichtes gleich der Vektorsummen der Impulse des einfallenden Lichtes und der akustischen Welle ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zum Beugen eines einfallenden nicht-polarisierten Lichtbündels in zwei abgelenkte Lichtbündel mit gegenseitig orthogonalen Polarisationen, dadurch gekennzeichnet, daß die abgelenkten Lichtbündel räumlich voneinander und von dem einfallenden Lichtbündel getrennt sind, wobei die Größe und Richtung des akustischen Wellenvektors so gewählt wird, daß der Impuls wenigstens eines der abgelenkten Lichtbündel gleich der Vektorsumme der Impulse des einfallenden Lichtes und der akustischen Welle ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der akustischen Welle so gewählt ist, daß der akustische Wellenvektor in der gleichen Azimuthebene wie der Wellenvektor des einfallenden Lichtes liegt und in dieser Azimuthebene die Tangenten der Ortskurven der Wellenvektoren des einfallenden und des gebeugten Lichtes parallel sind, und daß die Frequenz f der akustischen Welle gemäß der folgenden Beziehung gewählt wird:

λ
ο

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wobei λ <äie Mxttenwellenlänge des Durchlaßbereiches des gebeugten Lichtes ist,

V die Schallgeschwindigkeit in dem Medium ist, Θ. der Polarwinkel des einfallenden Lichtes und

An (Θ.) die Doppelbrechung des doppelbrechendeh Kristalls für den jeweiligen Polarwinkel Θ. des einfallenden Lichtes ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Verändern der Frequenz der akustischen XYelle, um die Mxttenwellenlänge des optischen Durchlaßbereiches des gebeugten Lichtes zu verändern.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8₇ gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Auswählen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen des einfallenden Lichtes, um die Mxttenwellenlänge und die Bandbreite des optischen Durchlaßbereiches für eine vorgegebene akustische Frequenz zu verändern.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erregen einer akustischen Welle wenigstens einen akustischen Umformer enthalten, der an den doppelbrechenden Kristall an einer Fläche gebunden ist, die einen Winkel gegenüber der Fläche bildet, durch die das einfallende Lichtbündel in den Kristall eintritt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen einer akustischen Welle wenigstens einen akustischen Umformer ent-

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halten, der an der gleichen Fläche an den doppelbrechenden Kristall gebunden ist, durch die das Lichtbündel in den Kristall eintritt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein akustischer Umformer eine Mehrzahl akustischer Umformer aufweist und daß die Mehrzahl der akustischen Umformer unterschiedliche Resonanzfrequenzen besitzen, um den Abstimmungsbereich des optischen Durchlaßbereichs des gebeugten Lichtes zu erweitern.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelbrechende Kristall Telluritoxid (TeO₂) ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelbrechende Kristall Quarz ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein akusto-optisches Filter aufweist.

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