DE3013498A1

DE3013498A1 - Optischer modulator sowie laser-graviervorrichtung mit einem derartigen modulator

Info

Publication number: DE3013498A1
Application number: DE19803013498
Authority: DE
Inventors: John Aughton; John Edward Stovell; Alberto Yi
Original assignee: Crosfield Business Machines Ltd
Current assignee: Crosfield Business Machines Ltd
Priority date: 1979-04-09
Filing date: 1980-04-08
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE3013498C2; JPS55153440A; US4335939A

Description

PATENTANWÄLTE

dr. V. SCHMIED-KOWARZIK. · dr. P. WEINHOLD
dipping. G. DAN N EN BERG- dr. D. GUDEL- dipl-ing. S. SCHUBERT· Frankfurt

f-

GROSSE ESCHENHEIMER STR. 39 6OOO FRANKFURTAM MAIN 1

TELEFON: (0611) 281134 + 287014 TELEX: 41SItO

3. April 1980 Gu/DÖ

Crosfield Electronics Limited Holloway Road

London N19 3JG
Großbritannien

Optischer Modulator sowie Laser-Graviervorrichtung nit einem derartigen Modulator

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen optischen Modulator mit einem Teiler für Strahlen zur Teilung eines auf den Teiler auftreffenden Strahls in zwei eben und senkrecht zueinander polarisierte Komponenten, ferner mit einer elektro-optischen Zelle, die Licht vom Teiler erhält und die im Betrieb den Polarisationszustand des Lichts abhängig von einem der Zelle zugeführten elektrischen Modulationssignal ändert, und mit einem Analysator, der die Ausgangssignale der Zelle erhält. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Laser-Graviervorrichtung zum Gravieren eines Druckzylinders.

Es gibt gegenwärtig zwei grundlegende Typen von Modulatoren, nämlich akustisch-optische Modulatoren und elektrisch-optische Modulatoren.

Ein akustisch-optischer Modulator weist eine akustisch-optische Zelle auf, die auch als bragg'sehe Zelle bezeichnet wird. Ultraschallwellen treffen auf die Zelle auf und Licht, das durch die Zelle hindurchgeht, wird in zwei Komponenten aufgeteilt. Eine Komponente geht gerade durch die Zelle ohne Ablenkung hindurch, während die andere Komponente abgelenkt wird. Diese Ablenkung hängt von der Frequenz des Ultraschallsignals ab, das der Zelle zugeführt wird. Durch Ändern der Signalintensität können die relativen Intensitäten beider Komponenten geändert werden, bis ein Maximum erreicht ist, wobei die abgelenkte Komponente eine maximale Intensität von etwa 85 % des einfallenden Lichtes hat. Eine akustisch-optische Zelle ist daher nicht geeignet, wenn ein maximaler Ausgang des Modulators notwendigst, und zwar entweder weil die höchstmögliche Intensität des Lichtes verlangt wird, oder weil das auf den Modulator auftreffende Licht eine sehr niedrige Intensität hat.

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Bei der Verwendung einer akustisch-optischen Zelle kann ein weiteres Problem auftreten. Es können nämlich schwerwiegende Verluste in der Zelle auftreten, die darauf beruhen, daß die Strahlen nicht miteinander fluchten, wenn der Einfallstrahl divergent ist. Als Beispiel sei erwähnt, daß der Ausgang eines Hochleistungs-Yag-Laser bei hohen Leistungen stark divergent ist, so daß ein akustisch-optischer Modulator für diese Strahlenquelle nicht geeignet ist.

Ein typischer elektrisch-optischer Modulator besteht aus einem Polarisator, dem eine elektrisch-optische Zelle nachgeschaltet ist, der wiederum ein Analysator nachgeschaltet 1st, der von einem zweiten Polarisator gebildet wird. Das durch den Polarisator gehende Licht wird eben polarisiert und anschließend wird die Polarisationsachse beim Durchgang durch die elektrisch-optische Zelle abhängig von dem an der Zelle anliegenden Potential geändert. Die Polarisationsachse des Analysators fluchtet üblicherweise mit der des Polarisators oder steht dazu senkrecht. Der Ausgang des Analysators ist daher in seiner Intensität in Abhängigkeit von der Änderung der Achse moduliert, die durch den Durchgang durch die Zelle hervorgerufen wird.

Wird nichtpolarisiertes Licht in einen solchen Modulator eingeleitet, so geht wenigstens die Hälfte der Intensität des Lichtes beim Durchgang durch den Polarisator verloren. Wenn das auf den Modulator auftreffende Licht teilpolarisiert ist, so schwankt der maximale Ausgang des Modulators abhängig von dem Verhältnis zwischen der Teilpolarisation des auf den Modulator auftreffenden Lichtes und der Ausrichtung des Polarisators. Wenn das auf den Modulator auftreffende Licht konstant und eben polarisiert ist, so gibt es keinen fühlbaren Verlust, weil die Achse des Polarisators so angeordnet werden kann, daß sie mit der des auftreffenden Lichtes übereinstimmt. Eine solche Anordnung kann aber nicht unter allen

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Umständen getroffen werden. Beispielsweise ist der Ausgang eines Hochleistungs-Yag-Lasers willkürlich polarisiert, und der Polarisationszustand kann von der Zeit abhängen, und zwar wegen der termischen Spannungen, die durch die doppelbrechenden Effekte des Yag-Materials hervorgerufen werden.

Wird also verlangt, daß die größtmögliche Intensität des auf den Modulator auftreffenden Lichts durch den Modulator hindurchgeht und wenn das auftreffende Licht entweder nichtpolarisiert ist oder teilweise bzw. schwankend polarisiert ist, so treten auch bei herkömmlichen akustisch-optischen oder elektro-optischen Modulatoren Verluste auf.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Modulator mit geringen Verlusten an Lichtintensität vorzugschlagen, sowie einen optischen Modulator, der Insbesondere für eine Laser-Graviervorrichtung geeignet ist.

Ausgehend von einem optischen Modulator der eingangs genannten Art gelingt dies durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1.

Beide Komponenten des Lichtstrahles werden somit wieder vereinigt; vorzugsweise geschieht dies im Analysator. Das maximale Ausgangssignal des optischen Modulators ist daher erfindungsgemäß im wesentlichen gleich demjenigen des einfallenden Lichtstrahls. Es entstehen lediglich Verluste beruhend auf Reflexionen ungrader Streuungen im System. Bei Verwendung des neuartigen Modulators ergibt sich somit eine wesentliche Vergrößerung des maximalen Anteils an durchgelassenem Licht. Dies ist. insbesondere wichtig, wenn eine maximale Lichtintensität durch den Modulator hindurchgelassen werden soll, entweder weil die Intensität dieses Lichtes so groß wie möglich sein soll, oder well die Intensität des am Eingang anstehenden Lichtes nur sehr gering ist.

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Wenn der Modulator eine einzige elektrisch-optische Zelle aufweist, kann er so ausgebildet werden, daß die beiden Komponenten durch die Zelle in einander entgegengesetzten Richtungen hindurchgehen. In diesem Fall weist der Modulator vorzugsweise zwei ebene Spiegel auf, die so angeordnet sind, daß jeder Spiegel im Pfad eines der Komponenten stromab des Teilers liegt und die Komponente in die Zelle reflektiert. Es ist möglich, weitere Spiegel anzuordnen, die das Licht hinter der Zelle aufnehmen und es zum Analysator reflektieren. Es ist aber bevorzugt, wenn der Analysator und der Teiler von ein und demselben Bauelement gebildet werden, wobei die die Zelle verlassenden Lichtstrahlen vorzugsweise auf dieselben Spiegel auftreffen, die zum Reflektieren der Komponenten in die Zellen verwendet werden. Die Komponenten werden dabei zurück in dieses gemeinsame Bauelement reflektiert. Hierbei wird es bevorzugt, wenn das gemeinsame Bauelement, von einem Prisma ausgebildet ist, das so angeordnet ist, daß es auf es auftreffendes Licht in zwei Komponenten auflöst, die senkrecht zueinander polarisiert sind. Als Beispiele für solche Prismen sei auf nicol'sche Prismen und glan'sche Prismen verwiesen, die auch als Glan-Thompson-Prismen bezeichnet werden. Glan'sche Prismen werden insbesondere bevorzugt, weil ein nlchtpolarisierter Eingangsstrahl in zwei Ausgangsstrahlen aufgelöst wird, die das Prisma unter einem Winkel von etwa 90° verlassen, und zwar abhängig vom verwendeten Material. In diesem Fall wird die Zelle vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45° zu beiden Komponenten angeordnet, und die beiden Spiegel sind so angeordnet, daß das Licht auf sie unter einem Winkel von im wesentlichen 22,5° auftrifft.

I^rird die Vorrichtung derart ausgebildet, so ergibt sich das maximale Ausgangssignal des Modulators, wenn das elektrische i-iodulationssignal, das an die Zelle angelegt wird, sein Minimum hat. Der Ausgang des Modulators ist also umgekehrt proportional dem an die elektro-optische Zelle angelegten

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Signal. Es ist üblicher, einem optischen Modulator einen Ausgang mitzuteilen, der direkt proportional zum elektrischen Modulationssignal ist. In diesem Fall schließt der Modulator vorzugsweise ein Halbwellenplättchen im optischen Pfad beider Komponenten des Lichtstrahles ein. Alternativ kann auch ein Viertelwellenplättchen in dem Pfad beider Komponenten des Lichtstrahles sowohl vor wie auch hinter dem Durchgang durch die elektrisch-optische Zelle vorgesehen sein.

Es ist auch möglich, den optischen Modulator so auszubilden, daß beide Komponenten des Lichtstrahles durch eine einzige elektrisch-optische Zelle in derselben Richtung hindurchgehen. In diesem Fall schließt der Modulator vorzugsweise Mittel ein, um eine oder beide Komponenten abzulenken, bis beide Komponenten im wesentlichen parallel zueinander sind. Beide Komponenten werden dann in die elektrisch-optische Zelle eingeführt und Mittel sind stromab der Zelle vorgesehen, um eine oder beide Komponenten in den Analysator zu lenken. Wenn eine einzige Zelle verwendet wird, wobei beide Komponenten des Lichtstrahles in derselben Richtung durch die Zelle hindurchgehen, so werden der Teiler und der Analysator üblicherweise durch getrennte Bauelemente ausgebildet.

Wenn der Modulator zwei elektrisch-optische Zellen aufweist, so sind diese so angeordnet, daß sich eine im Pfad jeder Lichtkomponente befindet. Vorzugsweise werden sie dann optisch derart in Übereinstimmung gebracht, daß der optische Pfad beider Komponenten des Lichtstrahles im wesentlichen derselbe ist. Wenn der optische Modulator zwei Zellen aufweist, so werden der Teiler und der Analysator vorzugsweise durch getrennte, ähnliche Bauelemente ausgebildet. Sie werden vorzugsweise beide durch Prismen dargestellt, die das auf sie auftreffende Licht in zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten auflösen, wie vorstehend beschrieben.

Weist der Modulator zwei getrennte Zellen auf, so können der Teiler und der Analysator aber auch durch ein und

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dasselbe Bauteil ausgebildet werden. In diesem Fall ist zusätzlich ein Spiegel stromab jeder der Zellen angeordnet, der Jede Komponente des Lichtstrahles hinter der Zelle zurück durch die Zelle reflektiert, um die Komponente auf einem zugeordneten Pfad zum Teiler zurückzuleiten. Dies hat den Vorteil, daß die Wirkung beider Zellen verdoppelt wird, so daß die Zellen kurzer sein können und dennoch dieselbe Wirkung haben. Oder es kann die Größe der/beiden Zellen zu» geführten Signale halbiert werden, wobei auch dann noch dieselbe Änderung im Polarisationszustand des durch die Zellen hindurchgehenden Lichtes erreicht wird. Die Spiegel können gekrümmt oder eben sein.

Werden der Teiler und der Analysator durch getrennte Bauelemente ausgebildet, so kann der Analysator so angeordnet werden, daß er das auf ihn auftreffende Licht nicht in zwei eben polarisierte Strahle auflöst. Stattdessen kann er so angeordnet werden, daß er Licht absorbiert, das einen bestimmten Polarisationszustand hat, während er das Licht hindurchläßt, das senkrecht dazu polarisiert ist. Weil der Analysator dazu dient, um den Polarisationszustand zu verändern, der durch die Zelle oder durch die Zellen bewirkt wird, und zwar in eine Amplitudenmodulation des Lichtstrahles, ist es möglich, einen Polarisator zu haben, der die unerwünschten Teile des Lichtstrahles stromab der Zelle oder der Zellen absorbiert.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsformen des neuartigen optischen Modulators sowie einer Laser-Graviervorrichtung, die einen solchen Modulator verwendet, anhand der Zeichnungen beschrieben , woraus sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Modulators;

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Fig. 2a,

2b, 2c,

2d den Lichtstrahl beim Modulator nach Fig. 1 bei verschiedenen PolarisationszustMnden des Lichtes und bei verschiedenen an die elektrisch-optische Zelle angelegten Spannungen;

Fig. 3 eine Abänderung des ersten Ausfuhrungsbeispiels;

Fig. 4 eine zweite Abänderung des ersten Ausführungsbeispiele;

Fig. 5 eine dritte Abänderung des ersten Ausführungebeispiels;

Fig. 6 eine vierte Abänderung des ersten Aueführungsbeispiele ;

Flg. 7 eine fünfte Abänderung des ersten Ausführungsbeispiele;

Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel} Fig. 9 ein drittes Ausfuhrungsbeispiel} Fig. 10 ein viertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 eine Abänderung des vierten Ausführungsbeispiels;

Fig. 12 ein Beispiel eines optischen Modulators, der Teil einer Laser-Graviervorrichtung ist;

Fig. 13 eine abgeänderte Ausführungsform des Aueführungsbeispiels nach Fig.

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Das erste Ausführungsbeispiel weist ein einziges glan'sches Prisma 1 auf, das sowohl als Teiler für den Lichtstrahl wie auch als Analysator für den Lichtstrahl wirkt. Außerdem ist eine einzige elektrisch-optische Zelle 2 vorge sehen. Zu modulierendes Licht wird in den Modulator über eine Einlaßblende 3 eingelassen, die sich in einer festen Brennweitenentfernung von einer Kollimatorlinse 4 befindet. Der parallele Lichtstrahl hinter der Kollimatorlinse 4 tritt in das glan'sche Prisma 1, wo er in zwei eben polarisierte Komponenten aufgelöst wird. Derjenige Teilstrahl, dessen Polarisationsebene in der Papierebene von Fig. 1 liegt, geht grade durch das Prisma 1 ohne Ablenkung hindurch. Der jenige Teilstrahl, der hierzu senkrecht polarisiert ist, wird an der Zwischenfläche im Prisma reflektiert und um etwa 90° abgelenkt. Diese beiden Zustände sind in den Fig. 2a und 2b gezeigt. Diejenige Komponente, die durch das Prisma 1 grade hindurchgeht, geht dann durch ein Halhr wellenplättchen 5 hindurch, wo seine Polarisationsebene um 90° gedreht wird, so daß sie jetzt senkrecht zur Papierebene verläuft. Das Licht wird dann an einem Spiegel 6 in ein Ende der Zelle 2 reflektiert. Die Polarisationsebene des durch die Zelle 2 gehenden Lichtes schwankt abhängig von dem an der Zelle 2 anliegenden elektrischen Potential. Liegt an der Zelle kein elektrisches Potential>an, so bleibt die Polarisationsebene unverändert. Wird das maximale Anfangspotential an der elektrischen Zelle angelegt, so wird die Polarisationsebene des Lichtes um 90° geändert. Die die Zelle 2 verlassende Komponente wird dann an einem Spiegel reflektiert und zum Prisma 1 zurückgeschickt. Dasjenige Licht, dessen Polarisationsebene in der Papierebene liegt, geht durch das Prisma 1 hindurch und durch eine Fokussierlinse 8, während dasjenige Licht, dessen Polarisationsebene senkrecht auf der Papierebene steht, durch die Zwischenfläche im Prisma wieder zur Linse 4 reflektiert wird. Diejenige Komponenten des Lichtstrahles, deren Polarisationsebene senkrecht auf der Papierebene steht und die anfäng-

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lieh vom Prisma 1 abgelenkt wurde, trifft auf den Spiegel 7 auf und wird durch die Zelle 2 hindurchgeleitet. Sie trifft dann auf den Spiegel 6 und wird dann durch das Halbwellenplättchen 5 geschickt. Ist die Polarisationsebene senkrecht auf der Papierebene, so wird das Licht an der Zwischenfläche des Prisma 1 reflektiert, so daß es durch die Linse 8 hindurchgeht. Liegt die Polarisationsebene in der Papierebene, so geht das Licht grade durch das Prisma 1 ohne Ablenkung und von dort durch die Kollimatorlinse 4.

Fig. 2 zeigt diese Vorgänge im einzelnen. Wenn die Polarisationsebene des Lichtes sich in der Papierebene befindet, so ist dies durch kurze Querstriche senkrecht zum betreffenden Lichtstrahl angedeutet. Verläuft die Polarisationsebene senkrecht zur Papierebene, so ist dies durch Punkte angedeutet,

Der Teiler 1 ist beispielsweise entweder ein glan'sches Prisma oder ein polarisierender Teiler aus Glas der Firma Barr & Stroud vom Typ BC6P. Für die elektro-optische Zelle kann als Material entweder KDP oder ADP verwendet werden oder KD*P oder AD*P, und zwar von longitudinalen oder vom transversalen Typ, oder PLZT.

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform dieses ersten Ausführungsbeispiels, wobei die beiden Spiegel 6 und 7 durch drei Spiegel 9, 10 und 11 ersetzt sind, um einen rechteckigen Pfad für beide Komponenten des Lichtstrahls auszubilden anstelle des dreieckigen Pfades beim ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt eine zweite Abänderung des ersten Ausführungsbeispiels, wobei das Halbwellenplättchen 5 durch ein Plattenpaar 12 und 13 ersetzt ist, die Halbwellenplättchen oder Viertelwellenplättchen sind. Venn die Platten 12 und 13 Halbwellenplättchen sind, so können sie verwendet werden, um die Ausrichtung des Musters bezüglich der optischen Achse

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des Materials in der Zelle 2 zu kontrollieren. Sind sie Viertelwellenplättchen, so wird das in die Zelle eintretende Licht kreisförmig polarisiert, und dies gibt bei einer longitudinalen KDP-Zelle 2 einen dunklen Kreisfleck bei Auslöschung.

Die Verwendung von Viertelwellenplättchen anstelle einzelner Halbwellenplättchen ermöglicht auch die Auswahl des Polarisationszustandes jeder Komponente nach dem Durchgang durch beide Platten 12 und 13. Wenn beide Viertelwellenplättchen dieselbe Drehrichtung haben, so hat das Licht nach dem Durchgang durch beide Platten eine Polarisationsebene, die um 90° geändert ist. Wenn beide Viertelwellenplättchen aber entgegengesetzte Drehrichtungen haben, so wird das Licht nach dem Durchgang durch beide Plättchen in seinen Ausgangszustand der Polarisation zurückgeführt. Es kann daher durch Auswahl der Drehungen der Viertelwellenplättchen die maximale vom Modulator hindurchgelassene Intensität so angeordnet werden, daß sie dem Zustand entspricht, wobei kein elektrisches Signal an der Zelle anliegt, oder wobei das maximale elektrische Signal an der Zelle anliegt.

Das vom glan¹sehen Prisma 1 zurückgeworfene Licht wird im wesentlichen in dieselbe Richtung zurückgeworfen, wie das auf den Modulator auftreffende Licht. Oft hat dies keine große Bedeutung. Wird aber der Modulator verwendet, um einen Laserstrahl zu modulieren, so kann eine unechte, sekundäre optische Höhlung eingerichtet werden, die dieses reflektierte Licht verwendet, das gelegentlich wilde Schwingungen im Laser als Ergebnis der zweiten optischen Höhlung bzw. Hohlraumes verursacht. Die Abänderungen, die in den Fig. 5, .6 und 7 erläutert sind, sollen diese Rückreflexion des Lichtes dadurch vermeiden, daß das vom glan'sehen Prisma reflektierte Licht vernichtet wird.

Die dritte Abänderung des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nach

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Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Objektöffnung einen Abstand von der optischen Achse des Modulators einnimmt. Dadurch gelangt das Licht nicht in axialer Richtung durch das System mit dem Ergebnis, daß der reflektierte Strahl einen Winkel mit dem einfallenden Strahl bildet und so auf einen festen Teil der Einlaßblende auftrifft, wo dieser Teil absorbiert wird. Bei dieser Abänderung sind die beiden Lichtstrahlen, die in unterschiedlichen Richtungen durch die Zelle 2 hindurchgehen, in einem kleinen Winkel zueinander angeordnet. Bei dieser Abänderung wird es bevorzugt, wenn das Material in der Zelle 2 aus einem omnidirektionalen Material gebildet ist, beispielsweise aus PLZT (Lanthan-modifiziertem Blei-Zirconat-Titanat).

Bei der vierten Abänderung des ersten Ausfuhrungsbeispiels nach Fig. 6 ist die den Lichtstrahl aufspaltende Oberfläche etwas versetzt, so daß.die beiden Komponenten in ihrem Pfad rings um das optische System, das vom Prisma 1, die Spiegel 6 und 7 und die beiden Zellen 2 sowie das Halbwellenplättchen 5 gebildet wird, geringfügig versetzt sind. Dadurch gelangen die beiden Komponenten durch die Zelle 2 als zwei parallele Strahle, und dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Material der Zelle 2 KDP oder ADP ist. Dieaas Versetzen der beiden Komponenten relativ zueinander führt dazu, daß zwei reflektierte Strahle vorliegen, die parallel zur Achse des einfallenden Lichtes sind. Durch Auswahl der Größe der Blendenöffnung in der Platte 3 können diese reflektierten Strahlen von der Platte 3 absorbiert werden, so daß sie nicht mehr durch die Blende der Platte 3 austreten können. Gelegentlich ist es vorteilhaft, zwei getrennte Ausgangsstrahlen vom glan·'sehen Prisma 1 zu haben, beispielsweise um die wirkliche Strahlengröße des Ausgangs des Modulators zu kontrollieren. Falls es notwendig ist, können die beiden Strahlen aber auch unter Verwendung eines Prismas 14 wieder vereinigt werden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, oder unter Verwendung einer Linse oder eines weiteren, polarisierenden Teilers.

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Bei der fünften Abänderung des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 ist das glan'sche Prisma 1 so abgeändert, daß es eine viel dickere Schicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex hat. Diese dickere Schicht bewirkt, daß der reflektierte Strahl gegenüber dem Durchgangsstrahl versetzt ist. Beide Strahlen passieren die Zelle 2 in entgegengesetzter Richtung. Beide Ausgangsstrahlen werden aber nach ihrem zweiten Durchgang durch das Prisma 1 wieder vereinigt. Die reflektierten Strahlen sind aber bezüglich des einfallenden Strahls versetzt und werden daher durch die Platte 3 absorbiert.

Die zweite Ausführungsform nach Fig. 8 verwendet auch einen einzigen Modulator/ wobei aber der Teiler anders ausgebildet ist. Fig. 8 zeigt einen auf ein erstes glan'sches Prisma 1 auftreffenden Strahl, der in zwei Komponenten zerlegt wird, die zueinander senkrecht polarisiert sind. Diejenige Komponente, deren Polarisationsebene in der Papierebene liegt, geht grade durch, währen die dazu senkrecht polarisierte Komponente abgelenkt wird. Die abgelenkte Komponente wird durch ein reflektierendes Prisma 15 parallel zur durchgehenden Komponente gelenkt. Beide Strahlen gehen dann durch eine einzige elektrisch-optische Zelle 2, und zwar in derselben Richtung. Die im Prisma 1 nicht abgelenkte Komponente trifft dann auf ein zweites reflektierendes Prisma 16 auf und beide Komponenten werden in einem zweiten glan¹sehen Prisma 17 wieder kombiniert.

Liegt kein elektrisches Feld an der Zelle an, so ergibt sich keine Änderung des Polarisationszustandes der Komponenten beim Durchgang durch die Zelle 2. Die das Prisma 16 verlassende Komponente ist daher eben in der Papierebene polarisiert und geht daher durch das glan'sche Prisma 17 ohne Ablenkung hindurch. Die in das Prisma 17 vom Prisma 15 eintretende Komponente ist senkrecht zur Papierebene polarisiert,und diese Komponente wird an der Zwischenfläche des glan¹sehen Prismas 17 reflektiert und abgelenkt.

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Wird aber ein elektrisches Feld an die Zelle 2 angelegt, so wird die Polarisationsebene beider Komponenten geändert. Diejenigen Teile beider Komponenten, die geändert sind, werden dann vom Prisma 17 gelöst, so daß der geänderte Teil der das Prisma 16 verlassenden Komponente vom Prisma 17 abgelenkt wird und daß der geänderte Teil der vom Prisma reflektierten Komponente grade durch das Prisma 17 hindurchgeht.

Ein drittes ÄusfUhrungsbeispiel ist in Fig. 9 gezeigt, daß im wesentlichem mit dem des zweiten Ausfuhrungsbeispiels übereinstimmt, mit der Ausnahme, daß in Fig. 9 zwei getrennte, unabhängige elektrisch-optische Zellen 18 und 19 für jede Komponente vorgesehen sind. Der auf das erste glan'sche Prisma 1 auftreffende Lichtstrahl wird in zwei Komponenten aufgelöst, die jeweils unterschiedliche Polarisationszustände haben. Diejenige Komponente, deren Polarisationsebene in der Papierebene liegt, geht grade durch das Prisma 1 hindurch, während diejenige Komponente, deren Polarisationsebene senkrecht auf der Papierebene steht, um 90° gedreht wird. Diese abgelenkte Komponente wird vom Prisma 15 wiederum um 90° abgelenkt. Statt des Prismas 15 kann auch ein Spiegel vorgesehen sein. Beide Komponenten sind dann parallel zueinander. Die Komponenten gehen dann durch die Zellen 18 und 19. Diese sind elektrisch parallel geschaltet, so daß an ihnen dasselbe elektrische Potential anliegt. Beide Zellen stimmen optisch miteinader überein· In beiden Zellen erfahren daher beide Komponenten dieselbe Änderung bezüglich der Polarisationsebene. Diejenige Komponente, die die Zelle 18 verläßt, tritt dann in das Prisma 16 ein oder trifft auf einen Spiegel. Diese Komponente wird dadurch um 90° abgelenkt. Beide Komponenten werden im zweiten Prisma 17 wieder kombiniert.

Liegt an den Zellen 18 und 19 kein elektrisches Feld an, so ergeben sich keine Änderungen in den Polarisationszu-

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ständen der Komponente. Die durch die Zelle 18 gehende Komponente ist daher immer noch in der Papierebene polarisiert und geht daher grade durch das Prisma 17 hindurch. Die durch die Zelle 19 hindurchgehende Komponente ist immer noch senkrecht zur Papierebene polarisiert und wird durch das glan'sche Prisma 17 um 90° gedreht. Beide Komponenten werden vereinigt und verlassen das Prisma 17 als Lichtstrahl 20.

Wird an beide Zellen 18 und 19 ein elektrisches Feld angelegt, das ausreicht, um die Polarisationsebenen beider Komponenten um 90° zu drehen, so wird die durch die Zelle 18 hindurchgehende Komponente jetzt in einer Richtung senkrecht zur Papierebene polarisiert. Wenn diese Komponente das glan'sche Prisma erreicht, so wird sie um 90° gedreht. Die durch die Zelle 19 hindurchgehende Komponente ist jetzt in der Papierebene polarisiert. Wenn diese Komponente das Prisma 17 erreicht, so geht diese Komponente grade durch das Prisma hindurch. Beide Komponenten werden wieder kombiniert und verlassen das Prisma als Strahl 21. Wenn das an die Zellen 18 und 19 angelegte elektrische Feld die Polarisationsebene der Komponente nicht um 90° dreht, so lust das glan'sche Prisma 17 jede Komponente in zwei Komponenten auf, von denen eine grade hindurchgeht und in der Papierebene polarisiert ist, wobei die andere senkrecht zur Papierebene polarisiert ist und vom Prisma 17 um 90° gedreht wird. Die Intensität des Ausgangsstrahls 21 ist also direkt proportional zu dem an die Zellen 18 und 19 angelegten elektrischen Feld.

Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 10 gezeigt, wo ein einziges glan'sches Prisma 1 verwendet wird, sowohl um das auftreffende Licht in zwei eben polarisierte Komponenten aufzulösen, wie auch um als Analysator zu dienen. Es sind zwei getrennte elektrisch - optische Zellen 22 und 23 vorgesehen. Dieses Beispiel verwendet auch zwei ebene Spiegel 24 und 25, die so angeordnet sind, daß sie das die Zellen 22 bzw. 23 verlassende Licht erhalten und dieses Licht durch die Zellen 22 und 23 zurück zum Prisma 1 reflektieren. Mit

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dieser Anordnung wird der optische Weg durch Jede der Zellen 22 und 23 verdoppelt, so daß die Längen dieser Zellen gegenüber den früheren Ausführungsbeispielen halbiert werden kann. Alternativ können auch Zellen derselben Länge verwendet werden, wobei dann das an die Zellen angelegte elektrische Feld halbiert werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das auf das Prisma 1 auftreffende Licht in zwei eben und senkrecht zueinander polarisierte Komponenten zerlegt. Dasjenige Licht, dessen Polarisationsebene in der Papierebene liegt, geht grade durch das Prisma 1 hindurch. Diese Komponente geht dann durch die Zelle 22, während die Komponente, deren Polarisationsebene senkrecht auf der Papierebene steht, von der Zwischenfläche des Prismas 1 abgelenkt wird und durch die Zelle 23 geht. Die Polarisationsebenen beider Komponenten werden beim Durchgang durch die Zellen 22 und 23 abhängig von dem daran anliegenden elektrischen Feld geändert. Beide Komponenten werden dann an den ebenen Spiegeln 24 und 25 reflektiert. Beim abermaligen Durchgang durch die Zellen 22 bzw. 23 werden die Polarisationsebenen der Komponenten abermals abhängig von dem an den Zellen anliegenden elektrischen Feld geändert. Anschließend werden beide Komponenten wieder zum Prisma 1 geführt. Hierbei wird Jede Komponente In zwei Teile aufgelöst, die einen Polarisationszustand parallel zur Papierebene bzw. senkrecht dazu aufweisen. Jeder Teil der von der Zelle 22 zurückkehrenden Komponente, dereine Komponente in einer Ebene parallel zur Papierebene hat, geht daher grade durch das Prisma 1 hindurch und kehrt in derselben allgemeinen Richtung zurück wie der. auf das Prisma 1 auftreffende Strahl. Jeder Teil der von der Zelle 22 zurückkehrenden Komponente, der eine Komponente senkrecht zur Papierebene hat, wird an der Zwischenfläche des Prismas 1 reflektiert. In entsprechender Weise wird Jeder Teil der Komponente, die von der Zelle 23

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zurückkehrt, der eine Komponente senkrecht zur Papierebene hat, von der Zwischenfläche des Prismas 1 in die allgemeine Richtung des auf das Prisma 1 auftreffenden Strahls reflektiert. Der Teil der Komponente des Lichtstrahls, die von der Zelle 23 zurückkehrt und die senkrecht zur Papierebene ist, geht grade durch das Prisma hindurch und wird mit demjenigen Teil kombiniert, der von der Zelle 22 kommt, um den Ausgang des Modulators zu bilden.

Wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, 2, 3 und 4 ist es nachteilig, wenn der zurückkommende Strahl koaxial mit dem einfallenden Strahl ist, wenn der Modulator zum Modulieren eines Laserstrahls verwendet wird, weil der zurückkommende Strahl wieder in den Laser kommt und daher mit dem Laser Interferenzen bilden kann. Um die Intensität des zurückkehrenden Strahls zu verringern, ist es möglich, dieses vierte Ausführungsbeispiel so abzuändern, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. In dieser Figur ist dieselbe allgemeine Anordnung getroffen worden wie in Fig. 10 mit der Ausnahme, daß die ebenen Spiegel 24 und 25 durch konkave Spiegel 26 und 27 ersetzt sind. Diese konkaven Spiegel 26 und 27 bewirken, daß ein divergenter Strahl durch die Zellen 22 und 23 und zurück durch das Prisma 1 reflektiert wird. An der Ausgangsseite des glan¹sehen Prismas 1 wird dieser divergente Strahl durch eine Kollimatorlinse 28 gesammelt, während an der Eingangsseite des glan'sehen Prismas der zurückgeworfene Strahl ein divergenter Strahl ist und der größte Anteil dieses Strahls von einer Blendenplatte 29 absorbiert wird. Die Intensität des kleinen Anteils des zurückgeworfenen Strahls, der durch die Blendenöffnung dieser Platte hindurchgeht und daher zum Laser stromauf des Modulators gelangt reicht nicht aus, um irgendwelche fühlbaren Effekte auf den Laser auszuüben.

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Fig. 12 zeigt eine Laser-Graviervorrichtung, die insbesondere zum Gravieren zylindrischer Druckteile aus Kunststoffmaterial konstruiert ist, und die einen optischen Modulator vorzugsweise nach dem vorstehend beschriebenen dritten Aueführungsbeispiel verwendet. Die Teile dieses optischen Modulators entsprechen daher den Bauteilen des dritten Ausführungsbeispiels. Die Graviervorrichtung umfaßt einen Yag-Laser 30, der den Eingang für den optischen Modulator bildet, fernerhin einen Absorber 31 für die Aufnahme des abgelenkten Strahls 20 aus dem Prisma 17 und eine Fokussierlinse 32 zum Fokussieren des Ausgangsstrahls 21 des Prismas 17 auf einen Druckzylinder 33. Bei diesem Beispiel sind die Prismen 15 und 16 durch Spiegel 34, 35 ersetzt. Diese Spiegel reflektieren nahezu alles auf sie auftreffendes Licht und lassen nur einen kleinen Anteil von 0,1 % oder weniger durch. Das hindurchgelassene Licht geht durch dichorische Polarisatoren 36 und 37, deren Polarisationsebenen auf das glan'sche Prisma 17 abgestimmt sind, so daß das in die Polarisatoren 36 und 37 einfallende Licht, das denselben Polarisationszustand hat wie das Licht, welches beim Hindurchgang durch das Prisma 17 dieses als Strahl 20 verläßt, so daß also dieses Licht von den Polarisatoren 36 und 37 absorbiert wird, während das auf die Polarisatoren 36 und 37 auftreffende Licht, welches denselben Polarisationszustand hat wie das Licht, welches beim Hindurchgehen durch das Prisma 17 als Strahl 21 das Prisma verläßt, so daß also dieses Licht vonden. Polarisatoren 36 und hindurchgelassen wird. Dieses von den Polarisatoren hindurchgelassene Licht wird von Fotodetektoren 38 bzw. 39 überwacht. Der Ausgang der Fotodetektoren ist daher ein Maß für die Intensität des Lichtstrahls 21 am Ausgang des optischen Modulators. Der Ausgang der Fotodetektoren 38 und 39 wird daher verwendet, um ein elektronisches Rückkopplungesystem für die Modulatoren bzw. Zellen 18 und 19 zu steuern. Dieses Steuerungssystem schließt einen Verstärker 40 ein, der das elektrische Signal den Zellen 18 und 19 zuleitet, sowie einen Rückkopplungskreis 41, der den Ausgang von den Fotodetektoren 38 und 39 erhält.

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Eine Schwierigkeit bei dieser Anordnung besteht darin, daß die Übertragungscharakteristiken der Spiegel 34 und 35 sich mit dem Polarisationszustand des auf sie auftreffenden Lichts um einen Faktor von etwa 10 ändert. Es wird daher bevorzugt, den Ausgangsstrahl 21 nicht direkt mit einem Teiler mit Fotodetektor zu überwachen, um eine Rückkopplungssteuerung für die Zellen 18 und 19 zu haben. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit kann ein Filter neutraler Dichte zwischen einem der Polarisatoren 36 und 37 und seinen zugeordneten Fotodetektor 38 bzw. 39 eingesetzt werden, wobei die Dichte des Filters der Differenz in den Übertragungscharakteristiken der Spiegel 34 und 35 entspricht. Alternativ können Vorverstärker im Steuerungssystem vorgesehen sein, und zwar zwischen den Fotodetektoren 38 und 39 und dem Rückkopplungskreis 41 und die Verstärkung der Vorverstärker wird so eingestellt, daß die Differenz in den Übertragungscharakteristiken der Spiegel 34 und 35 kompensiert wird.

Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der ebenfalls dieses durch die Übertragung der Spiegel 34 und 35 hervorgerufene Problem beseitigt wird, welche Übertragung vom Polarisationszustand des auf die Spiegel auftreffenden Lichtes abhängt. Die Ausführungeform nach Fig. 13 stimmt mit derjenigen nach Fig. 12 überein mit der Ausnahme, daß Hälbwellenplättchen 42 und 43 zwischen dem glan¹sehen Prisma 1 und der elektrooptischen Zelle 19 sowie zwischen dem Spiegel 34 und dem glan¹sehen Prisma 17 vorgesehen sind. Das Hälbwellenplättchen

42 dreht den Polarisatt ο nszustand des durch das Plättchen hindurchgehenden Lichtes um 90°, so daß der Polarisationszustand der in die elektro-optische Zelle 18 und 19 eindringenden Komponenten derselbe ist. Die Polarisationszustände der auf die Spiegel 34 und 35 auftreffenden Licht-

- erstrahlen sind also gleich und/sind daher auch die Reflexions-Ubertragungscharakteristiken der Spiegel 34 und 35 einander gleich. Der Polarisationszustand der den Spiegel 34 verlassenden Komponente wird dann durch das Hälbwellenplättchen

43 um 90° zurück gedreht.

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Im vorstehenden wurde eine Laser-Graviervorrichtung beschrieben, die einen optischen Modulator ähnlich dem nach dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet. Es können aber auch beliebige der anderen, vorstehend beschriebenen Beispiele für optische Modulatoren zusammen mit der Laser-Graviervorrichtung verwendet werden.

Wichtig ist es somit, daß ein optischer Modulator vorgeschlagen wird, der die größtmögliche Intensität von auf ihn auftreffendem Licht hindurchläßt, wenn das auf ihn auftreffende Licht entweder nichtpolarisiert ist oder teilweise oder variabel polarisiert ist. Der Modulator umfaßt einen Teiler 1 zur Auflösung des auf ihn auftreffenden Lichtstrahls in zwei eben polarisierte Komponenten, die aufeinander senkrecht stehen. Außerdem ist wenigstens eine optische Zelle 2, 18, 19, 22, 23 vorgesehen, die so angeordnet ist, daß beide Komponenten des Lichtstrahls auf die Zelle auftreffen. Im Betrieb wird dadurch der Polarisationszustand beider Komponenten in entsprechendem Ausmaß abhängig von dem daran anliegenden elektrischen Modulationssignal geändert. Der optische Modulator weist auch einen Analysator 1, 17 auf, der das Ausgangssignal der Zelle aufnimmt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Intensität des Lichts an Ausgang des Analysators eine Funktion der Änderung des Polarisationszustandes ist, die in beiden Komponenten bei deren Durchgang durch die Zelle hervorgerufen wird. Der Teiler und der Analysator können ein und dasselbe Bauteil 1 sein. In diesem Fall schließt der Modulator vorzugsweise ein Halbwelle nplättchen im Lichtstrahl beider Komponenten ein, um deren Polarisationszustände zu ändern. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß das maximale Ausgangssignal des optischen Modulators im wesentlichen gleich demjenigen des einfallenden Lichtstrahls ist. Die einzigen Verluste werden durch ungrade Streureflexionen im System bewirkt.

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e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1. Optischer Modulator mit einem Teiler für Strahlen zur Teilung eines auf den Teller auftreffenden Strahls in zwei eben und senkrecht zueinander polarisierte Komponenten, ferner mit einer elektro-optischen Zelle, die Licht vom Teiler erhält und die im Betrieb den Polarisationszustand des Lichts abhängig von einem der Zelle zugeführten elektrischen Modulationssignal ändert, und mit einem Analysator, der die Ausgangssignale der Zelle erhält,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Zelle (2, 18, 19) vorgesehen ist, die beide Komponenten des den Teller (1) verlassenden Lichtstrahls empfängt und die im Betrieb den Polarisationszustand beider Komponenten abhängig von dem ihr zugeleiteten Modulationssignal ändert, wobei die Anordnung derart ist, daß die Intensität des Lichtausgangs des Analysators (1, 17) eine Funktion der Änderung des Polarisationszustandes ist, der in beiden Komponenten bei deren Durchgang durch die Zelle (2, 18, 19) erzeugt wird.

2. Optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Analysator und der Teiler ein und dasselbe Bauelement (1) sind.

3. Optischer Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Modulator eine einzige elektro-optische Zelle (2) einschließt, die so angeordnet ist, daß die beiden Komponenten durch diese Zelle in einander entgegengesetzten Richtungen hindurchgehen.

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4. Optischer Modulator nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator zwei ebene Spiegel (6, 7) aufweist, die so angeordnet sind, daß Jeder Spiegel (6 und 7) im Pfad einer der Komponenten stromab des Teilers (1) liegt und den Strahl in die einzige Zelle (2) reflektiert.

5. Optischer Modulator nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zelle (2) verlassenden Lichtstrahlen auf dieselben Spiegel (6 und 7) auftreffen, die zum Reflektieren der Komponenten in die Zelle (2) verwendet werden, und die dabei zurück zum gemeinsamen Teiler und Analysator

(1) reflektiert werden.

6. Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) bestehend aus Teiler und Analysator von einem Prisma ausgebildet ist, das so angeordnet ist, daß es auf es auftreffendes nichtpolarisiertes Licht in zwei Komponenten auflöst, die jeweils senkrecht zueinander polarisierte Schwingungsebenen haben.

7. Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Halbwellenplättchen (5) im optischen Feg bei der Komponenten des Lichtstrahls vorgesehen ist.

8. Optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Modulator eine einzige elektro-optische Zelle

(2) aufweist, die so angeordnet ist, daß beide Komponenten des Lichtstrahls durch die Zelle in derselben Richtung hindurchgehen.

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9. Optischer Modulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator Mittel (15) aufweist, mit denen eine oder beide Komponenten reflektiert werden, bis beide Komponenten im weseniäichen parallel zueinander verlaufen, wobei beide Komponenten dann in die einzige elektro-optische Zelle (2) eingeleitet werden, und daß Mittel (16) stromab der Zelle (2) vorgesehen sind, um eine oder beide Komponenten so abzulenken, daß beide Komponenten in den Analysator (17) eintreten.

10. Optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektro-optische Zellen (18, 19, 22, 23) vorgesehen sind, von denen jeweils eine im Pfad jeder Komponente des Lichtstrahls angeordnet ist, und die optisch aufeinander so abgestimmt sind, daß der optische Pfad beider Komponenten des Lichtstrahls im wesentlichen derselbe ist.

11. Optischer Modulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator Mittel (15* 34) aufweist, um eine oder beide Komponenten abzulenken, bis beide Komponenten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sowie Mittel (16, 35)» um eine oder beide Komponenten abzulenken, so daß beide Komponenten in den Analysator (17) eintreten.

12. Optischer Modulator nach Anspruch 9» 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Teiler und der Analysator durch getrennte Bauteile (1 und 17) ausgebildet sind.

13. Optischer Modulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Teiler und der Analysator von ein und demselben Bauelement (1) ausgebildet sind, wobei der Modulator zusätzlich einen Reflektor (24, 25, 26, 27) aufweist, der an dem stromab gewandten Ende jeder der Zellen (22 und 23) vorgesehen ist, um den Strahl zum Teiler (1) zurückzuleiten.

14. Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Teiler und der Analysator (1 oder 1 und 17) ein Prisma aufweisen, daß das auf das Prisma auftreffende Licht in zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten auflöst.

15. Optischer Modulator nach Anspruch 6 oder 14, dadurch gekennzeichn et,

daß das Prisma (1, 17) ein glan'sches Prisma oder ein nicol'sches Prisma ist.

16. Laser-Graviervorrichtung zum Gravieren eines Druckzylinders, gekennzeichnet durch einen optischen Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

17. Laser-Graviervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Yag-Laser aufweist.

18. Laser-Graviervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet,

daß der optische Modulator zwei halbdurchlässige Spiegel aufweist, von denen sich jeweils einer im Pfad jeder Komponente stromab des Teilers befindet, und daß ein dichorischer Polarisator und ein Poto-Detektor vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß sie denjenigen Teil jeder Komponente aufnehmen, der durch den halbdurchlässigen Spiegel durchgelassen wird, wobei der

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Ausgang der Foto-Detektoren verwendet wird, um ein Rückkopplungesignal zu erzeugen, mit dem das elektrische Signal gesteuert wird, das an die elektro-optische Zelle oder Zellen angelegt wird.

19. Laser-Graviervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter neutraler Dichte im Pfad desjenigen Teiles einer der Komponenten vorgesehen ist, die durch den halblässigen Spiegel durchgelassen wird, wobei die Dichte dieses Filters auf die Differenz in den Durchlässigkeitscharakteristiken der Spiegel für Licht verschiedener Polarisationen abgestimmt ist, so daß der Unterschied in den Durchlässigkeitscharakteristiken kompensiert wird.

20. Laser-Graviervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar Halbwellenplättohen vorgesehen sind, von denen eines stromab und eines stromauf eines der halbdurchlässigen Spiegel angeordnet ist, so daß beide Komponenten denselben Polarisationszustand, an beiden halbdurchlässigen Spiegeln haben.

Der Patentanwalt

Dr. \i>. Gudel

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