DE2913125A1

DE2913125A1 - Akusto-optisches element

Info

Publication number: DE2913125A1
Application number: DE19792913125
Authority: DE
Inventors: Cestmir Dipl Ing Barta; Jiri Dipl Ing Ctyroky; Jurij Vladimirovic Pisarevskij; Iraida Michajlovna Silvestrova
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS; AKADEMIJA NAUK SSSR
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS; AKADEMIJA NAUK SSSR
Priority date: 1978-04-01
Filing date: 1979-04-02
Publication date: 1979-10-04
Also published as: FR2421403A1; JPS54136358A; GB2017954A; CS200657B1; NL7901834A; JPS6148689B2; FR2421403B1; US4232952A; GB2017954B

Description

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1. Ceskoslovenska. akademie ved, Prag, CSSR

2. Akademie nauk SSSR, Moskau, UdSSR

Akusto-optisches Element

Die Erfindung betrifft ein akusto-optisches Element, das vor allem zur Ablenkung von Lichtstrahlen und zur Informationsverarbeitung geeignet ist. Das akusto-optische Element nützt die Lichtbeugung an einer akustischen Welle in einem optisch anisotropen Medium eines Einkristalls eines Quecksilber(I>Halogenids aus.

Bei bekannten akusto-optischen Elementen zur Ablenkung von Lichtstrahlen sowie zur optischen Informationsverarbeitung wird die Beugung von Lichtwellen an akustischen Wellen ausgenützt, die mit einem piezoelektrischen Wandler in einem gegebenen akusto-optischen Medium erzeugt werden. Durch Änderung der Frequenz der akustischen Welle ändert sich der Ablenkungswinkel des Licht-

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Strahls und durch Änderung der Amplitude der akustischen Welle die Intensität des abgelenkten Strahls. Bei der Beugung an einer akustischen Welle kann ferner auch die Polarisation der Lichtwelle geändert werden. Die wichtigsten Parameter eines akusto-optischen Elements sind vom Standpunkt seiner Anwendung in Anordnungen zur Ablenkung eines Lichtstrahls, in Deflektoren und in Anordnungen zur Informationsverarbeitung der

Beugungs-Wirkungsgrad, dh das Verhältnis der Intensität des abgelenkten zur Intensität des auftreffenden Lichtstrahls sowie das Produkt aus der Zeitkonstante X des Elements und der Breite ^f des Frequenzbands. Diese Bandbreite ist einerseits durch die elektrischen und akustischen Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers und andererseits durch die Bandbreite der Wechselwirkung der akustischen und der Lichtwelle bestimmt. Eine außerordentlich große Bandbreite der gegenseitigen akusto-optischen Wechselwirkung kann in einem optisch anisotropen Medium durch Ausnutzung der sogenannten anomalen Beugung erzielt werden, bei der sich die Polarisation des abgelenkten Lichtstrahls ändert. In optisch einachsigen Medien wird eine akustische Querwelle eingeführt, in der Regel parallel oder senkrecht zur optischen Achse, und die Richtung des auftreffenden Lichtstrahls wird derart gewählt, daß der abgelenkte Strahl senkrecht zur optischen Achse austritt.

Bei Verwendung bekannter Kristallarten führt diese Anordnung zu sehr hohen Schallfrequenzen im GHz-Bereich, und der Beugungs-Wirkungsgrad ist klein.

In einem Kristall von Paratellurit (Tellurdioxid

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TeO„) kann zum Aufbau eines akusto-optischen Elements mit anomaler Beugung und hohem Beugungs-Wirkungsgrad eine starke Verdrehung der Polarisationsebene des Lichts ausgenutzt werden. Die Betriebsfrequenz eines derartigen akusto-optischen Elements ist relativ niedrig in der Größenordnung von einigen Zehn MHz und hängt von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab. Das auftreffende Licht muß dabei ungefähr zirkulär polarisiert sein.

Es ist ferner·, ein akusto-optischer Deflektor bekannt, bei dem die anomale Beugung in einem verdrehten Kristall von Tellurdioxid ausgenutzt wird. Die akustische Welle pflanzt sich im Tellurdioxid-Kristall in einer Richtung fort, die gegenüber der |_110J -Achse in der Ebene (110) mit der Schwingungsrichtung [i10J um 6 verdreht ist. Dabei wird der Wirkungsgrad der gegenseitigen Wechselwirkung praktisch beibehalten, und es tritt praktisch keine Abnahme des Beugungs-Wirkungsgrads in der Mitte des Frequenzbands ein. Ein Nachteil derartiger Deflektoren besteht darin, daß die Richtung der Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle um einen großen Winkel, nämlich um 51,3°, von der Wellennormalen abgelenkt ist, was ein außerordentlich großes Kristallvolumen zur Erzeugung derartiger Deflektoren erfordert. Außerdem können Deflektoren mit Kristallen aus Tellurdioxid nicht im Infrarot-Bereich des Spektrums für Wellenlängen oberhalb 5 ,um angewandt werden. Nachteilig ist ferner auch der hohe Preis von Tellurdioxid-Einkristallen der geforderten Abmessungen und Güte. Ein weiterer Nachteil von akusto-optischen Elementen mit Tellurdioxid liegt darin, daß der akusto-optische Gütekoeffizient M~, von dem der Beugungs-Wirkungsgrad abhängt, für die Beugung an einer Längswelle klein ist

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und nur etwa 1/30 des Wertes für die Beugung an einer Querwelle beträgt.

Es sind weiter auch akusto-optische Elemente mit einem Einkristall eines Halogenids von einwertigem Quecksilber bekannt (vgl. den CS-Urheberschein 170 007), die einen hohen Wert des akusto-optischen Gütekoeffizienten M„ für die Längs- und Querwelle aufweisen und auch für Strahlung im Infrarot-Bereich mit größeren Wellenlängen als 5 ,um durchlässig sind. Ein Nachteil dieser Elemente liegt darin, daß aufgrund der geringen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle zur Erzielung einer ausreichenden Frequenzbandbreite piezoelektrische Wandler sehr kleiner Abmessungen verwendet werden müssen, wodurch die Anforderungen hinsichtlich der durch den Wandler erzeugten Schalldichte steigen.

Es sind schließlich auch akusto-optische Elemente mit einem Einkristall eines Quecksilber(I)-Halogenids bekannt (vgl. C. Bärta et aL, DE-OS 2 855 149 (PV 5968-77))

Die ersten oben genannten akusto-optischen Elemente arbeiten zwar gegebenenfalls unter anomaler Beugung, können auch für IR-Strahlung für Wellenlängen > 5 ,um verwendet werden und erlauben eine wirksame Beugung an Längs- und Querwellen, jedoch kann hierdurch die parasitäre Lichtbeugung zweiter Ordnung und die damit verbundene Abnahme des Beugungs-Wirkungsgrads in der Mitte des Frequenzbands nicht verhindert werden.

Das zweite akusto-optische Element vermeidet zwar eine Abnahme des Beugungs-Wirkungsgrads in der Mitte des Freuquenzbands, ermöglicht jedoch keine Beugung an

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einer akustischen Längswelle, die eine mehrfache Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit des Elements gestattet.

Das erfindungsgemäße akusto-optische Element vermeidet diese Nachteile und beruht darauf, daß eine erste Fläche eines Einkristalls eines reinen oder eines gemischten Halogenids von einwertigem Quecksilber senkrecht zu einer Richtung steht, die von der kristallographischen Richtung [i TOj um die kristallographische Richtung [_TTöJ um einen Winkel im Bereich von 0,5 bis 20° verdreht ist, so daß die Kristallkante, die ursprünglich zur Richtung [i1o] parallel war, die Richtung [A J einnimmt. Der Einkristall ist von der kristallographischen Richtung

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um

die Richtung ΓAj um einen Winkel zwischen 0,5 und 15° verdreht, so daß die ursprünglich zur Richtung JlIOJ- parallele Kristallkante die Richtung [b J einnimmt. Die erste Fläche des entstandenen Parallelepipeds ist senkrecht zur Richtung ΓαΊ , weitere einander gegenüberliegende Flächen sind zugleich parallel zu den Richtungen A und I BJ. An die erste Fläche des so entstandenen Parallelepipeds ist eine Quelle i_ für akustische Wellen angeschlossen. Zwei andere einander gegenüberliegende Flächen sind für den Ein- und Austritt der Lichtwelle poliert.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen akusto-optischen Elements beruht vor allem darauf, daß es hierdurch möglich ist, gleichzeitig die hohen akusto-optischen Gütekoeffizienten von Kristallen von Quecksilber(I)-HaIo-

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geniden und deren hohe optische und elastische Anisotropie auszunutzen, wodurch die Parameter des akustooptischen Elements wesentlich verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen akustooptischen Elements besteht darin, daß bei Anwendung einer langsamen akustischen Querwelle gegenüber Elementen mit Kristallen aus Tellurdioxid Signale längerer Dauer verarbeitet werden können.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das erfindungsgemäße akusto-optische Element bei vergleichbaren übrigen Parametern Kristalle kleinerer Abmessungen als derzeit bekannte akusto-optische Elemente benötigt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen akustooptischen Elements gegenüber akusto-optischen Elementen mit einem Quecksilber(I)-Halogenid gemäß dem CS-Urheberschein PV 170 007 beruht auf der Ausnutzung der optischen Anisotropie dieser Kristalle, so daß das erfindungsgemäße akusto-optische Element unter den Bedingungen einer anomalen Beugung arbeitet. Diese Bedingungen ermöglichen unter Beibehaltung aller übrigen Parameter des akustooptischen Elements eine Vergrößerung der Länge der gegenseitigen Wechselwirkung der akustischen mit der Lichtwelle und eine entsprechende Verringerung der erforderlichen elektrischen Hochfrequenz-Erregerleisbung oder bei derselben Länge und Leistung eine entsprechende Vergrößerung der Frequenzbandbreite des Elements.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen akustooptischen Elements gegenüber dem oben genannten ersten

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herkömmlichen Element nach C. Bärta et al, beruht darauf, daß unter Beibehaltung aller übrigen Parameter in der Mitte des Frequenzbands keine Verringerung des Beugungs-Wirkungsgrads mehr eintritt.

Gegenüber dem oben erwähnten zweiten herkömmlichen akusto-optischen Element nach C. Barta et al. ist beim erfindungsgemäßen Element ferner die Möglichkeit vorteilhaft, die Beugung an einer Längswelle ausnützen zu können, was eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit ergibt. Ein akusto-optisches Element mit einem Einkristall aus Quecksilber(I)-chlorid mit den Verdrehungswinkeln OL = und β = 7 45" und einer Länge des Wandlers L = 0,6 mm besitzt bei Beugung an der Querwelle eine Bandbreite der akusto-optischen Wechselwirkung von 100 MHz. Dieselbe Bandbreite kann bei Beugung an einer Längswelle auch mit einem mehrfach längeren Wandler erzielt werden. Im Vergleich mit der in dem £s-Urheberschein 170 007 beschriebenen Anordnung wird damit die zugeführte elektrische Leistung etwa um eine Größenordnung und die durch den Wandler ausgestrahlte Leistungsdichte um etwa zwei Größenordnungen herabgesetzt. Gegenüber dem oben erwähnten ersten akusto-optischen Element nach C. Bärta et al wird ferner die Verminderung des Beugungs-Wirkungsgrads in der Mitte des Frequenzbands behoben, wobei das erfindungsgemäße Element ferner gegenüber dem oben genannten zweiten akusto-optischen Element nach C. Bärta et al auch mit einer akustischen Längswelle arbeiten kann.

In der Zeichnung ist eine Anordnung schematisch dargestellt, anhand deren drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer akusto-optischer Elemente erläutert werden.

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Die Quelle 4_ für Schallwellen besteht aus einem ausgeschliffenen piezoelektrischen Einkristall wie Lithiumniobat LiNbO.,, Lithiumjodat LiJO.,, Lithiumtantalat LiTaO.,, Siliciumdioxid SiO₂ udgl, dessen Dicke von der Frequenz des erzeugten Ultraschalls abhängig ist; die kristallographische Orientierung ist durch die Art der Wellen, die durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt werden, festgelegt. Das geschliffene Plättchen ist mit Elektroden 7, 7¹ versehen.

Die obige Quelle 4_ für Schallwellen kann auch in Form eines kombinierten Systems aus einem Plättchen und einem Prisma verwendet werden, wobei das Prisma aus einem Material hergestellt ist, das eine niedrige Dämpfung für Schallwellen aufweist und an der oberen Fläche des Einkristalls befestigt ist, beispielsweise mit Epoxyharz. An der oberen Fläche des Prismas ist das Plättchen aus dem piezoelektrischen Material vorgesehen. Wenn die Schallquelle 4^ jedoch nur aus einem Plättchen besteht, muß seine Unterfläche vergoldet werden.

Beispiel 1

Das erfindungsgemäße akusto-optische Element weist einen Einkristall J_ aus Quecksilber(I)-chlorid auf, bei dem eine erste Fläche 2 senkrecht zu einer Richtung steht, die von der kristallographischen Richtung Fl 10J um die kristallographische Richtung [i 10j um den Winkel Ot = 4° derart verdreht ist, daß eine ursprünglich zur Richtung IiIOJ parallele Kristallkante nunmehr die Richtung [a] einnimmt. Gleichzeitig

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ist der Einkristall J_ von der kristallographischen Richtung [11OJ um die Richtung J_aJ um einen Winkel ß = 2 derart verdreht, daß eine zur Richtung LTTöJ parallele Kristallkante die Richtung ΓβΙ einnimmt. Die erste Fläche 2^ des entstandenen Parallelepipeds liegt senkrecht zur Richtung A , wobei die einander gegenüberliegenden Flächen 3_, 3_' zugleich parallel zu den Richtungen [Aj und ΓB] sind.

An die erste Fläche 2_ des Einkristalls J_ ist eine Quelle A_ für Schallwellen angeschlossen. Die anderen einander gegenüberliegenden Flächen _3, 3/ sind für den Eintritt 5 und den Austritt J5' , 5." der Lichtwelle poliert. Ein Polieren der übrigen Flächen des akusto-optischen Elements ist für die Funktion nicht unbedingt erforderlich, kann jedoch in manchen Fällen von Vorteil sein.

Die durch die Quelle 4_ erzeugten Schallwellen pflanzen sich im Einkristall J_ fort und kommen darin zur Wechselwirkung mit der Lichtwelle _5. Als Folge dieser Wechselwirkung wird die Richtung 5 der eintretenden Lichtwelle von der Austrittsrichtung 5/ , die ohne Wechselwirkung mit der akustischen Welle vorliegen würde, zur Austrittsrichtung j5" abgelenkt. Der Ablenkungswinkel hängt dabei von der Frequenz der Schallwellen ab.

Beispiel 2

Das akusto-optische Element entspricht dem von Beispiel 1, besteht jedoch aus einem Einkristall aus

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Quecksilber(I)-bromid.

Winkel: OL= 20°, ß = 0,5°.

Beispiel 3

Das akusto-optische Element entspricht dem von Beispiel 1, besteht jedoch aus einem Einkristall aus Quecksilber(I)-jodid.

Winkel: OC= 0,5°, ß = 15°.

Die Erfindung betrifft zusammengefaßt akustooptische Elemente mit einem Einkristall aus einem Quecksilber(I)-Halogenid/ die zur Ablenkung von Lichtstrahlen durch Beugung an einer akustischen Welle im anisotropen Medium des Einkristalls geeignet sind.

Durch geeignete Anordnung des Einkristalls werden die Parameter und Funktionseigenschaften derartiger Elemente gegenüber bisher bekannten akusto-optischen Elementen erheblich verbessert; so werden beispielsweise kleinere Kristalle benötigt, die Länge der gegenseitigen Wechselwirkung der Schallwelle mit der Lichtwelle verlängert und die benötigte Hochfrequenz-Erregerleistung herabgesetzt. Zugleich wird erfindungsgemäß ein Beugungs-Wirkungsgrad erzielt, der keinen Schwankungen unterliegt, wobei ferner die Möglichkeit besteht, auch mit akustischen Längswellen zu arbeiten.

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Das erfindungsgemäße akusto-optische Element kann beispielsweise zur Ablenkung von Lichtstrahlen in Anordnungen zur Aufzeichnung von Daten, in großflächigen Laserdisplays, in holographischen
Speichern, in Anordnungen zur optischen Verarbeitung von Informationen wie etwa zur Signalkompression, zur adaptierten Filtration, zur Korrelation udgl. angewandt werden.

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Leerseite

Claims

Akusto-optisches Element mit einem Einkristall aus einem reinen oder gemischten Halogenid des einwertigen Quecksilbers,

gekennzeichnet

-_%eine erste Fläche (2) des Einkristalls (1) senkrecht zu einer Richtung Ja] steht, die gegenüber der kristallographischen Richtung M1OJ um die kristallographische Richtung [^ 110J um einen Winkel oc. im Bereich von 0,5 bis 20° verdreht ist,

- der Einkristall (1) gleichzeitig von der kristallographischen Richtung [i1OJ um die Richtung Γα] um einen Winkel (3 im Bereich von 0,5 bis 15° verdreht ist,

- eine ursprünglich zur Richtung [TTÖj parallele Kristallkante die Richtung [BJ einnimmt und

- weitere einander gegenüberliegende Flächen (3, 3¹) gleichzeitig zu den Richtungen [AJ und [bJ parallel sind,

- wobei an die erste Fläche (2) des entstandenen Parallelepipeds eine Quelle (4) für akustische Wellen (6) angeschlossen ist und die weiteren, einander gegenüberliegenden Flächen (3, 3¹) für den Eintritt (5) und den Austritt (5¹, 5") der Lichtwelle poliert sind.

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BAD ORIGtKAt
2. Verwendung des akusto-optischen Elements nach Anspruch 1 zur Ablenkung von Lichtstrahlen in Anordnungen zur Datenaufzeichnung, in Laser- oder anderen Displays, holographischen Speichern und Anordnungen zur optischen Signal- oder Informationsverarbeitung.

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