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Akustooptischer Modulator't Die Erfindung betrifft einen akustooptischen
Modulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Akustooptische Modulatoren werden bekanntlich zum Modulieren von Lichtwellen
benutzt, beispielsweise bei Interferometern, und sind gemäß einem unveröffentlichten
Vorschlag aus Lichtwellen abbildenden und Lichtwellen modulierenden Systemen aufgebaut,
die voneinander durch luftgefüllte Hohlräume getrennt sind, deren Brechungsindizes
für Lichtwellen nicht mit denen der Systeme übereinstimmen.
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Dieser Aufbau muß mit der in der Interferometrie üblichen großen Genauigkeit
justiert und se betrieben werden, daß die Lichtwellen nicnt durch störende Binflusse
moduliert
werden. Dies kann beispielsweise schon durch geringe mechanische
Erschütterungen während des Betriebes des Moduiators geschehen oder durch thermisch
bedingte Schwankungen der optischen Dichte der Luft, die - wie bereits gesagt -
im allgemeinen die Hohlräume ausfüllt und gleichzeitig die optische Verbindung zwischen
den Systemen herstellt. Diese Störungen können beispielsweise durch ein entsprechend
gestaltetes odulatorgehäuse vermieden werden, was zu einem betriebssicheren akustooptischen
Modulator führt, aber gleichzeitig zu einer nachteiligen wesentlichen Volumen- und/oder
Gewichtszunahme.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen akustooptischen Modulator anzugeben, bei dem Hohlräume zwischen den Lichtwellen
abbild enden und den Lichtwellen modulierenden Systemen weitestgehend vermieden
sind, der einfach zu justieren ist und der mit einfachen Mitteln zwischen Lichtleitfasern
einfügbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darln, daß der akustooptische
Modulator sehr betriebssicher ist auch bei thermischen und/oder mechanischen Belastungen
sowie gewich-ts- und volumensparend hergestellt werden kann.
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Die-Erfindung wird anhand der FIG. 1 bis 4 erläutert. Dabei zeigen
FIG. 1 einen akustooptischen Modulator gemäß dem einleitend erwähnten unveröffentlichten
orshlag sowie
FIG. 2 bis 4 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Modulators.
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Der in FIG. 1 dargestellte akustooptische Modulator enthält eine Montageplatte
1, Ein- und Auskoppelstellen 2 für Lichtwellen, die durch optische Leiter 3 und
3' zu- bzw.
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abgeleitet werden.ZQischen den Lichtwellen abbildenden Systemen 4
und 4', dem Lichtwellen modulierenden System 5 (mit dem elektroakustischen Wandler
6 und dessen elektrischen Zuleitungen 7) und den Ein- und Auskoppelstellen 2 bzw.
2' befinden sich Hohlräume 8, die beispielsweise mit Zuluft gefüllt sind. Eingekoppelte
unmoduliette Lichtwellen sind dargestellt durch ihren Ausbreitungsbereich kennzeichnende
durchgezogene Linien 9 und durch den ihre Ausbreitungsrichtung dar tellenden Pfeil
10. Die durch die akustischen Wellen 11, die von dem Wandler 6 erzeugt werden, modulierten
und abgelenkten Lichtwellen sind durch punktierte Linien 12 dargestellt.
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FIG. 2 zeigt den wesentlich einfacheren Aufbau des aMustcoptischen
Modulators nach der Erfindung. Der Modulator besteht aus einem festen, im wessntlichen
hohlraumfreien Körper 20 mit einem oder mehreren Lichtwellen abbildenden Bereichen
21 bzw. 21 und mindestens einem Lichtwellen ablenkenden und/oder modulierenden Bereich
22. Der feste Körper 20 ist beispielsweise ein einziger optischer Stab oder aus
mehreren Teilstaben zusammengefügt. Im letzteren Fall ist jeder einzelne optische
Teilstab speziell für den geforderten Einsatzbereich ausgebildet, d. h., entweder
als Lichtwellen abbildender Bereich oder als Lichtwellen modulierender Bereich.
Das Zusammenfügen wird beispielsweise durch formschlüssiges Zusammenpressen, Verkitten
oder Ver-
schmolzen der einzelnen Teilstäbe erreicht. Dies muß so
geschehen, daß an den Fügestellen der einzelnen Teilstäbe keine Hohlräume, beispielsweise
Luft- oder Gasblasen, entstehen, die störende Modulationen erzeugen. Ein derartiger
fester hohlraumfreier Körper 20 ist beispielsweise ein optischer Stab mit kreisförmigen
Querschnitt und Lichtwellen abbild enden Eigenschaften.
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Die Längsachse des Stabes ist zugleich die optische Achse 31 der einfallenden
Lichtwellen und geht durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Stabes, auf
der sie senkrecht steht. Derartige optische Stäbe haben beispielsweise auf ihrer
Querschnittsfläche in radialer Richtung einen annähernd parabolischen Verlauf ihrer
für Lichtwellen wird samen Brechzahl. Eine genaue Beschreibung gibt der Artikel
von T. Uchida et al, "Optical Characteristics of a light focusing fiber guide and
its applncaticns" IEEE Journal of Quantum Electronics QEG, Okt. 1970, Seiten 606
bis 612.
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Hat die vom Radius r des Stabquerscnnitts abhängige Brechzahl nur
den annähernd parabolischen ciauf n(r)AsnO (1-r2.A/2), wobei n0 die Brechzahl auf
der optischen Achse 31 und A eine vom Stabmaterial und Stabquerschnitt abhängige
Konstante bedeuten, so erhält beispielsweise ein in diesen Stab eingekoppelter Lichtstrahl
einen sinusförmigen Strahlverlauf mit der Strahlperiode p = 2#/#A.
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Soll nun der Lichtwellen abbildenae Bereich 21 beispielsweise die
an der Koppelstelle 25 nahezu punktförmig eingekoppelten Lichtstrahlen in ein paralleles
Lichtstrahlbündel abbilden, so erfordert dies eine Länge L des optischen Stabes
von L = p/4 = /(2 S ) oder ungeradzahlIgen Vielfachen davon. Solche Stäbe sind beispielsweise
aus käuflichen optischen Linsen der Firma Nippon Sheet Glass Co., Ltd., Osaka (Japan)
herstellbar, die derzeit unter dem Handelsnamen Selfoc erhältlich sind.
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Durch eine beschriebene Dimensionierungsvorschrift für die Länge des
Stabes wird eine annähernd verlustfreie Ankopplung der Lichtwellen an die optischen
Verbindungen 23 und 24 erreicht. Dies geschieht an den Koppelstellen 25 und 26,
die vorteilhafterweise außerhalb der Längsachse 31 des Stabes liegen, um, bezogen
auf die Linse A-A', einen symmetrischen Strahlengang durch den Körper 20 zu erreichen.
Das Ausbreitungsgebiet der Lichtwellen in dem Körper 20 ist analog zur Darstellungsweise
der FIG. 1 durch ausgezogene und punktierte Linien dargestellt.
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Der die Lichtwellen modulierende Bereich 22 des Körpers 20 wird erzeugt
von mindestens einem elektroakustischen Wandler 27 mit den elektrischen Anschlüssen
28. Das Dämpfungsmaterial 30 auf der gegenüberliegenden Seite des Wandlers 27 verhindert
dort eine eventuell störende Reflexion der akustischen Wellen 29. Wird in dem Bereich
22 nur ein einziges Lichtwellen modulierendes akustisches Wellenfeld 29 mit der
Modulationsfrequenz f erzeugt, so wirkt die Anordnung nach FIG. 2 als Einseitenbandmodulator
für Lichtwellen mit der Frequenz F, denn die Frequenz Fm des modulierten Lichtes
ist um +fm versetzt gegenüber der Frequenz F des unmodulierten Lichtes. Bei dieser
Anordnung ist die Modulationsfrequenz fm beschränkt auf den Frequenzbereich = fo
+ Af, wobei fO die mittlere Modulationsfrequenz und bf eine im allgemeinen kleine
Frequenzabweichung von fO bedeuten.
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Bei manchen Anwendungen, beispielsweise Ringinterferometern, werden
Modulatoren benötigt, die die Frequenz F des Lichtes ändern in dem Bereich F -+
AF, wobei AS eine im allgemeinen kleine Frequenzabweichung von F bedeutet. Dies
geschieht in einer Anordnung gemäß FIG. 3, die, an der
in FIG.
2 mit A und A' bezeichneten Stelle, einen Querschnitt durch den modulierenden Bereich
22 zeigt.
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Zwei elektroakustische Wandler 27 und 27' sind beispielsweise derart
an dem Körper 20 befestigt, daß sie zwei linear unabhängige und räumlich versetzte
akustische Wellenfelder 29 und 29' erzeugen, die im wesentlichen senkrecht aufeinander
stehen und im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen angeordnet
sind. In FIG,3 ist die Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen senkrecht zur Zeichenebene,
durch einen Punkt 10', dargestellt. Dämpfungsmaterial 30 und 30', an den den Wandlern
gegenüberliegenden Stellen, verhindert eine störende Reflexion der akustischen Wellen
an der Oberfläche des Körpers 20.
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Die Funktion eines derartigen Modulators wird mit Hilfe der FIG. 2
erläutert. Der elektroakustische Wandler 27 erzeugt beispielsweise ein akustisches
Wellenfeld 29, das durch die zugehörige Modulationsfrequenz f gekennzeichnet ist.
In der dargestellten Anordnung werden die unmodulierten Lichtwellen an dem akustischen
Wellenfeld 29 reflektiert. Dabei erhöht sich die Frequenz F des unmodulierten Lichtes
auf F + f. In der Anordnung der FIG. 2 werden nun lediglich der akustische Wandler
27 und das Dämpfungsmaterial 30 gegeneinander ausgetauscht. Durch diese Maßnahme
wird die Ausbreitungsrichtung des akustischen Wellenfeldes 29 um 1800 geändert.
Werden nun unmodulierte Lichtwellen an diesem akustischen Wellenfeld reflektiert,
so erniedrigt sich die Frequenz F des unmodulierten Lichtes auf F - f.
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In der Anordnung der FIG. 3 haben die akustischen Wellenfelder 29
bzw. 29' die zugehörigen Modulationsfrequenzen f bzw. f'. Die Ausbreitungsrichtungen
der akustischen
Wellenfelder 29 und 29' sind, wie vorher beschrieben,
so gewählt, daß Lichtwellen nacheinander an den akustischen Wellenfeldern 29 bzw.
29' reflektiert werden. Es entstehen beispielsweise positive bzw. negative Verschiebungen
der Frequenz des Lichtes. Aus der Frequenz F des unmodulierten Lichtes entsteht
nach einer derartigen Reflexion die Frequenz Fm = F+f-f' des modulierten Lichtes.
Ist f größer bzw. kleiner als f', so wird die Frequenzdifferenz AS = f-f' positiv
bzw. negativ. Derartige Modllatoren ändern die Frequenz F des Lichtes in dem Frequenzbereich
F+AF.
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Bei Ringinterferometern sind beispielsweise die Modulationsfrequenzen
f und f' annähernd gleich groß. Der Betrag der Frequenzdifferenz AF ist daher klein
gegen den Betrag jeder der Modulationsfrequenzen f bzw. f'. Außerdem wird durch
die akustischen Wellenfelder 29 und 29' beispielsweise eine räumliche Ablenkung
der Lichtwellen erreicht dergestalt, daß eine der Koppelstellen 25 bzw. 26 außerhalb
der Zeichenebene der FIG. 2 liegt. Der mit Hilfe der FIG. 3 beschriebene Lichtwellen
modulierende Bereich 22 ist entweder ein Bestandteil des festen Körpers 20 oder
als selbständiger akustooptischer Modulator ausgebildet, der unabhängig von dem
Körper 20 benutzt werden kann, beispielsweise als selbständiges optisches Bauelement
zur Modulation von Lichtwellen.
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FIG. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
akustooptischen Modulators. Die Bezeichnungen entsprechen denen der FIG. 2 und 3.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Sin- und Auskopplung der Lichtwellen
nur über eine Koppelstelle 25. Die Endfläche 32 des Körpers 20 ist so gestaltet,
beispielsweise verspiegelt, daß sie die modulierten Lichtwellen reflektiert. Es
ist dabei vorteilhaft, wenn lediglich der Bereich 32a verspiegelt
wird,
an dem die Lichtwellen reflektiert werden. Der Körper 20 und der modulierende Bereich
22 sind in ihrer Länge so dimensioniert, daß die reflektierten Lichtwellen annähernd
verlustfrei aus der Koppelstelle 25 austreten. Die Trennung von unmodulierten und
modulierten Lichtwellen erfolgt in der optischen Weiche 33, die beispielsweise ein
symmetrischer Richtkoppler ist und die über den optischen Leiter 34 mit der Koppelstelle
25 des Modulators verbunden ist. Ein optischer Leiter 35 der optischen Weiche 33
dient als Zuleitung der unmodulierten Lichtwellen, während ein optischer Leiter
36 die modulierten Lichtwellen von der optischen Weiche 33 wegleitet.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die optischen
Leiter Lichtleitfasern sind, insbesondere einwellige Lichtleitfasern, wobei die
Koppelstellen so ausgebildet sind, daß die Ein- und Auskopplung der Lichtwellen
nahezu verlustfrei erfolgt.
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Des weiteren kann der Aufbau des Modulators so kompakt ausgeführt
werden, daß er als integriertes Bauelement zwischen Lichtleitfasern, insbesondere
einwelligen Lichtleitfasern, eingefügt werden kann.