DE3417140A1

DE3417140A1 - Akusto-optische einrichtung

Info

Publication number: DE3417140A1
Application number: DE19843417140
Authority: DE
Inventors: John David Jackson; John Harlow Essex Moroz
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1983-05-11
Filing date: 1984-05-09
Publication date: 1984-11-15
Also published as: GB2139842A; JPS59212822A

Description

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Akusto-optisehe Einrichtung

Die Erfindung geht aus von einer akusto-optischen Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es ist bekannt, daß ein Lichtstrahl, der ein transparentes Material durchdringt, durch akustische Wellen, die sich im transparenten Material fortpflanzen, abgelenkt wird. Durch die akustischen Wellen wird der Brechungsindex des transparenten Materials verändert, so daß in Abhängigkeit von die akustischen Wellen auslösenden elektrischen Eingangssignalen eine lineare Ablenkung des optischen Strahls erzielt werden kann. Als transparentes akusto-optisches Material wird im allgemeinen Lithium Niobat (LiNbO,) verwendet. Die akustische Welle kann entweder eine Körperwelle oder eine Oberflächenwelle sein. Das Licht kann gebündelt oder ungebündelt sein. Die akustischen Wellen werden durch elektro-akustische Wandler erzeugt, die am oder auf dem transparenten Material angeordnet sind. Die Art und Weise der Ausbildung der Einrichtung hängt vom jeweiligen Verwendungsfall ab. Jedoch sind zwei Parameter von allgemeiner Bedeutung. Der erste ist der Winkelbereich, innerhalb dessen der Lichtstrahl abgelenkt werden kann. Er wird bestimmt durch die

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zulässige Bandbreite der elektrischen Signale, mit denen der θ lektro-akustisehe Wandler zur Erzeugung der akustischen Wellen erregt wird. Der zweite ist die Schärfe bzw. Bündelung des Lichtstrahls im Einwirkungsbereich auf das transparente Material. Diese beiden Parameter bestimmen das Auflösungsvermögen der Einrichtung. Je nach dem Anwendungszweck kann einer der beiden Parameter unabhängig voneinander von größerer Bedeutung sein. Das optische Auflösungsvermögen, d.h. die Anzahl der EinzeILichtpunkte, ei— gibt sich aus dem Schwenkwinkel geteilt durch den Winkelbereich, über den sich ein Lichtpunkt erstreckt.

Es gibt zwei bekannte Ausführungen, den zulässigen Ablenkungsbereich des Lichtstrahls (optischer Winkelbereich) durch Erhöhung der Bandbreite der elektrischen Steuersignale zu erweitern und damit auch das Auflösungsvermögen zu erhöhen. Bei der einen Ausführung werden mehrere schräg zueinander versetzt angeordnete Wandler, nachfolgend als Versatzwandlerbereich bezeichnet, verwendet. Die andere Ausführung verwendet einen phasengesteuerten Wandlerbereich, wie in "Guided-Wave Acousto-Optic Fundamentals and Wideband applications" von Chen S.Tsai, SPIE, Vol. 139, Guided Wave Optical Systems and Devices (1978), Seiten 132 bis 143 besch ri eben.

Bei den Ausführungen mit herkömmlichen Versatzwandlerbereichen ist der Lichtstrahl mehreren Ablenkungen durch eine Anzahl elektro-akustischer Wandler unterworfen. Die Wandler sind schräg und versetzt zueinander angeordnet. Die durch die einzelnen Wandler erzeugten akustischen Wellen haben unterschiedliche Wellenlängen und dienen dazu, einen Teil eines einfallenden Lichtstrahls abzulenken. Das heißt,

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daß die durch den zweiten Wandler erzeugte akustsche WeLLe auf den Teil des einfaLLenden Lichtstrahls einwirkt, der durch den ersten Wandler nicht beeinfLußt wurde. Die akustische WeLLe des dritten Wanlers wirkt auf den Teil des Lichtstrahls, der durch die akustische Welle des ersten und zweiten WandLers nicht beeinflußt wurde u.s.w.

Bei den Ausführungen mit einem herkömmlichen phasengesteuerten Wardlerberei ch sind die e lekt ro-akust i sehen Wandler parallel zueinander aber stufenförmig versetzt angeordnet. Die Ansteuerung erfolgt bei allen mit der gleichen Frequenz. Durch den stufenförmigen Versatz tritt zwischen benachbarten WandLern eine Phasenverschiebung auf, so als ob die Frequenzen von-einander abweichen wurden.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer gegebenen Wandlerzahl eine große Ablenkung des Lichtstrahls möglich ist. Die neue Einrichtung kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, die Frequenz eines elektrischen Signals zu ermitteln.

Anhand eines AusfuhrungsbeispieLs und von AnwendungsbeispieLen wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend naher erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 in schematischer DarsteLLung eine akustooptische Einrichtung, mit einem einfaLLenden LichtstrahL und dessen AbLenkung.

Figur 2 in schematischer DarsteLLung eine bekannte akusto-optisehe Einrichtung mit einem Ver

satzwand Lerberei eh.

Figur 3 in einer PrinzipdarsteL Lung die MehrfachabLenkung eines LichtstrahLs gemäß der Erfindung.

Figur 4 in schematischer DarsteLLung eine akustooptische Einrichtung mit im Versatz angeordneten WandLern gemäß der Erfindung.

Figur 5 in einer BLockdarsteLLung einen SignaLkanaLisierer, bei dem die MehrfachabLenkung eines LichtstrahLs gemäß der Erfindung ver

wendet ist.

Figur 6 ein Prinz ipschaLtbiLd eines Hochfrequenzgenerators, bei dem die MehrfachabLenkung eines LichtstrahLs gemäß der Erfindung zur FrequenzvervieLfachung verwendet wird.

Figur 1 zeigt eine akusto-optisehe Einrichtung 1, die einen pLan- paraLLeLen Träger aus einem akusto-optischen MateriaL, vorzugsweise Lithium Niobat (LiNbO-,) hat, der mit einer Schicht versehen ist, die einen höheren Lichtbrechungsindex aLs das Trägermateria L hat und zur We LLenführung dient. Die Schicht kann durch Diffusion oder IonenimpLantation

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erzeugt sein. Durch einen eLektro-aku-

stischen WandLer 3, der einen elektrischen Eingang E hat,, wird eine akustische WeLLe erzeugt. Der WandLer 3 kann z.B. ein SAW (surface acoustic wave)-Wandler sein, der eine interdigitale Metallelektrode hat, die auf der Oberfläche des Trägers oder der Schicht befestigt ist. Die akustische Welle 2 breitet sich über die gesamte Oberfläche der Einrichtung 1 bis zu einem akustischen Absorber 4 aus. Ein einfallender Lichtstrahl 5, der ein paralleler Planarstrahl I

mit der Breite einer Blendenöffnung ist, ist unter einem Einfallwinkel θ.] auf die Einrichtung 1 gerichtet. Innerhalb eines bestimmten Einfallwinkels + 0_ wird ein Teil des einfallenden Strahls I abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung hängt von der akustischen und optischen Wellenlänge ab. Der Winkel 0_ wird als Bragg-Winkel bezeichnet und ergibt sich aus:

wobei A₁ die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls und λ., die Wellenlänge der akustischen Welle ist. In Abhängigkeit von der Frequenz der dem Wandler 3 zugeführten elektrischen Signale ändert sich die Wellenlänge der akustischen Welle und damit auch der Grad der Strahlablenkung. Position 6 zeigt zwei abgelenkte Strahlen, Position 7 zeigt den nicht abgelenkten Strahlenanteil.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine bekannte Ausführung einer akusto-optischen Einrichtung mit einem Versatzwandlerbereich. Letzterer besteht aus vier interdigitalen SAW-Wandlern 8, 9, 10 und 11, die durch Signale unterse hie dl icher Frequenz f*, f ^/ f? und f, zur Abgabe von

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akustischen Wellen veranlaßt werden, die auf einen Absorber 12 gerichtet sind. Die Wandler 8 bis 11 und der Absoi— ber 12 sind auf einer Auflage 13 zur Wellenführung angeordnet, auf die ein Lichtstrahl 14 gerichtet ist. Durch
Einwirken der akustischen Wellen auf den einfallenden

Lichtstrahl 14 werden eine entsprechende Anzahl von unterschiedlich abgelenkten Lichtstrahlen 15, 16, 17 und erzeugt.

Im Gegensatz zu dieser bekannten Ablenkeinrichtung, bei
der jede akustische Welle einen Strahl vom einfallenden
Lichtstrahl ablenkt, erfolgt bei der neuen Einrichtung,
abgesehen von der ersten Ablenkung, jeweils eine Ablenkung eines abgelenkten Strahls.

Figur 3 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Mehrfacheblenkung eines Lichtstrahls. Ein einfallender Lichtstrahl I wird durch eine erste akustische Welle 20 beeinflußt, wodurch ein abgelenkter Strahl I₁ erzeugt wird. Dieser
einmal abgelenkte Strahl I₁ wird durch eine weitere akustische Welle 21 beeinflußt, so daß ein zweiter Strahl entsteht, der eine zweifache Ablenkusig erfahren hat. Auf diese Weise wird der Lichtstrahl durch die nachfolgenden akustischen Wellen immer stärker abgelenkt. Diese Anordnung ermöglicht eine Erweiterung des optischen Winkelbereichs und damit eine Erhöhung des Auflösungsvermögens
ohne die elektrische Bandbreite zu erhöhen.

Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine akusto-optische Einrichtung mit im Versatz angeordneten Wandlern, bei der das vorbeschriebene Prinzip angewendet wird. Die

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Blöcke 22, 23 und 24 stellen eine oder mehrere etektroakustische Wandler dar, die je einen Signaleingang E₁, E₂ bzw. E₃ haben. Die Blöcke 22, 23 und 24 sind vorzugsweise SAW-Wandler, die zusammen mit einem akustischen Absorber 25 auf der Oberfläche einer für akustische Wellen leitfähigen Schicht 26 angeordnet sind. Ein einfallender Lichtstrahl I wird erstmals durch den Wandler-

block 22 abgelenkt. Der dadurch erzeugte, abgelenkte Strahl I, wird sodann durch den Wandlerblock 23 abgelenkt. Der dadurch erzeugte, abgelenkte Strahl I- wird durch den Wandlerblock 24 wiederum abgelenkt und es entsteht dabei der Strahl I,, so daß insgesamt dreimal eine Ablenkung erfolgte.

Somit kann mit η herkömmlichen Wandlern, die nacheinander zur Erzeugung einer akustischen Welle in einer entsprechenden Richtung veranlaßt werden, eine entsprechend starke Strahlenablenkung veranlaßt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Zugriffszeit, in der eine akustische Welle den Beleuchtungsbereich passiert, bei einer Anzahl von η Wandlergruppen nur etwas über der eines einzelnen Wandlers liegt.

Die vorbeschriebene hochauflösende akusto-optisehe Einrichtung bietet verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Z. B. kann sie als Festkörperablenkeinrichtung für einen Laser-Drucker oder -Kopierer verwendet werden. Ein Laser-Drucker ist ein Hochgeschwindigkeitsdrucker, der Mittel zum Umwandeln von abzudruckenden Eingabedaten in einen geeigneten seriellen Datenfluß hat, sowie eine Steuerung für die Strahlablenkung, z. B. eine Sägezahnspannung für die Zeilenabtastung, die im Synchronismus mit dem seriellen DatenfIuO erzeugt wird. Weiterhin ist erforderlich ein Laser-

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Modulationsschaltung, die die Logikimpul se des serieLLen DatenfLueses ingeeignete Spannungs- und Stromwerte umwandelt/ um entweder einen Modulator für einen Dauerstrich-Laser oder die Modulation eines Halbleiter-Lasers direkt zu steuern. Darüberhinaus hat er eine Zei lenab lenkeinrichtung, die durch die vorerwähnte Zeilenab lenkspanung gesteuert wird, und eine optische Einrichtung zum fokussieren des abgelenkten Laserstrahls auf eine phcto-sensitive Oberfläche/ wie z.B. eine rotierende Selentrommel/ auf der z.B. ein elektrostatisches Ladungsbild der Aufzeichnung erzeugt wird. Die Trommel nimmt an den Stellen des Ladungsbildes Farbpulver auf/ das anschließend unter Druck auf ein Blatt Papier übertragen wird.

Bei einem derartigen Drucker ist eine akusto-optisehe Einrichtung als optische Strahlsteuerung zwischen der Läse ι— quelle und der photo-sensitiven Oberfläche unter Verwendung einer geeigneten Optik und Koppeleinrichtung angeordnet. Die vorbeschriebene Technik der Mehrfachablenkung gestattet eine Vergrößerung des Abtastwinkels im Vergleich zu bekannten akusto-optischen Einrichtungen und somit eine Erhöhung der Anzahl der Einzel I ichtpunkte bei gleicher elektrischer Bandbreite und gleichem Beleuchtungsbereich/ die, wie vorstehend erläutert/ die maximale Auflösung bestimmen. Den Wandlern müssen entsprechende HF-Signale in richtiger Folge zugeführt werden/ um die gewünschte Ablenkung des Abtast st rah Is zu erreichen.

Akusto-optisehe Einrichtungen werden auch zum Bestimmen der Frequenz von elektrischen Signalen verwendet, die ihrem elektrischen Eingang zugeführt werden. Dieser wird durch eine Art Detektor, vorzugsweise eine Fotodiodenreihe ei—

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mittelt, über die die AusLenkung des LichtstrahLs angezeigt wird. Durch die vorbeschriebene Mehrfachablenkung ist der erfaßbare Frequenzbereich größer als mit akusto-optischen Einrichtungen herkömmlichef Ausführung. Darüber hinaus besteht der zusätzliche Vorteil, daß die Zugriffszeit nur ge ringfügig langer ist, wobei die Erhöhung geringer als ein Prozent ist, um die Frequenz zu bestimmen. Das bedeutet eine Verbesserung um einige hundert Prozent.

Figur 5 zeigt in Form einer BlockdarstelLung einen Signal-

kanalisierer, bei der die vorbeschriebene Mehrfachablenkung Anwendung findet. Der Kanalisierer hat eine Laserquelle 30, die einen Lichtstrahl erzeugt, der über eine Dehnungsoptik 31,zur Erzielung eines brei ten parallelen StrahLs, einer akusto-optischen Einrichtung 32 mit MehrfachabLenkung zuge führt wird. Die Einrichtung 32 hat Wandler 33, an die eine zu bestimmende Signalfrequenz über'einen Eingang 34 ange-Legt werden kann. Der durch die Einrichtung 32 abgelenkte Lichtstrahl fällt auf eine optische Anordnung 35, die den Strahl bündelt und auf eine der Signa Lfrequenz zugeordnete Fotodiode einer Diodenreihe 36 richtet, die eine Vielzahl von Ausgängen 37 hat. Pro Kanal können eine oder mehrere Fotodioden vorgesehen sein. Diese Einrichtung ist nicht in der Lage, zwei gleichzeitig angelegte Signalfrequenzen zu trennen und den Fotozellen zuzuordnen. Dieses ist nur mög lieh, wenn sie nacheinander auftreten. Derartige Kanalisie rer können auf dem Gebiet des Frequenzmultiplex-Verkehrs und bei MuItiplex-Radarübertragung verwendet werden. Auch in diesen Fällen läßt die vorbeschriebene MehrfachabLenkung eine höhere Frquenz zu bei einer gegebenen Zugriffszeit, als es herkömmliche Anordnungen gestatten.

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Eine weitere AnwendungsmögLichkeit der beschriebenen Mehl— fachablenkung besteht bei der übertragung von HF-Signalen über einen Lichtleiter. In diesem Fall erfährt der Lichtstrahl durch den akusto-optischen Vorgang eine Frequenzumtastung auf die Frequenz der akustischen Welle. So kann z.B. ein Lichtstrahl, der einer zehnfachen Ablenkung unterworfen wird und bei der die akustische Welle eine Frequenz von 500 MHz hat, auf eine Frequenz von 5 GHz umgetastet werden.

Figur 6 zeigt einen derartigen HF-Generator. Der Lichtstrahl einer Laserquelle 41 wird am Verzweigungspunkt 42 durch einen optischen Teiler (nicht dargestellt) in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Der eine Teilstrahl erfährt durch eine akusto-optische Einrichtung 43 die besagte Frequenzumtastung. Der in der Frequenz angehobene Teilstrahl wird im Punkt 44 wieder mit dem anderen, nicht umgetasteten Teilstrahl vei— einigt und gelangt über eine Übertragungsstrecke, z.B. ein Lichtleiterkabel 46, auf einen am anderen Ende der Übertragungsstrecke befindlichen Fotodetektor 45, dessen Ausgangs-Signalfrequenz 5 GHz beträgt und gleich der Frequenzdifferenz der beiden Teilstrahlen ist. Auf diese Weise wurde ein 5 GHz-Signal erzeugt, unter ausschließlicher Verwendung einer Elektronik, deren Erregungsfrequenz nicht höher als 500 MHz ist.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

3417U0 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION NEW YORK W.D.Jackson - J.Moroz 7-4 Patentansprüche

1. Akusto-optisehe Einrichtung mit mehreren elektroakustischen Wandlern, die in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls in dieser Einrichtung akustische Wellen abgeben, und bei der der Lichtstrahl infolge der Wechselwirkung mit der akustischen Welle abgelenkt wird, dadurch gekennz e i c h η e t, daß die akustischen Wellen nacheinander den Lichtstrahl ablenken und daß der Lichtstrahl durch jede akustische Welle in derselben Weise wie durch die jeweils vorhergehende akustische Welle abgelenkt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die die akustischen Wellen erzeugenden Wandler (22, 23, 24) derart zueinander angeordnet sind, daß derselbe Lichtstrahl durch die Wechselwirkung mit der akustischen Welle des ersten Wandlers (22) um einen ersten Winkel und durch die Wechselwirkung der akustischen Wellen der weiteren Wandler um weitere Winkel abgelenkt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die akustische Welle und der Licht-

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strahl in einem piezoelektrischen Substrat ausbreiten, auf dessen Oberfläche die e lektro-akustisehen Wandler (22, 23, 24) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche '1 bis 3,. dadurch ge-

kennzeichnet, daß die e lektro-akustisehen Wandler (22, 23, 24) interdigitale Wandler sind, und daß auf der den Wandlern (22, 23, 24) gegenüberliegenden Sei te des Substrats akustische Absorbermittel (25) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Ansteuersignale für die elektro-akustisehen Wandler (23, 24, 25) entsprechend der gewünschten Auslenkung des Lichtstrahls (I) gewählt i st.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Frequenz der An-Steuersignale die Ablenkung des Lichtstrahls (Io) gemessen wird und daß aus der der Frequenz proportionalen Ablenkung die Frequenz der Ansteuersignale ermittelt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausgangsseite der akusto-optischen Einrichtung eine Fotodiodenreihe (36) angeordnet ist und daß jeder Fotodiode ein bestimmter Ablenkwinkel zugeordnet ist.

8. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Erzeugung eines zur übertragung über einen optischen Träger vorgesehenen hochfrequenten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch diese Einrichtung

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abgelenkter Lichtstrahl., der durch jede Wechselwirkung mit den akustischen Wellen frequenzverschoben wird, einem nicht abgelenkten Strahl überlagert wird, und daß dieser durch die überlagerung erzeugte Lichtstrahl dem optischen Übertragungsmedium zugeführt wird.

9. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Erzeugung eines hochfrequenten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Einrichtung abgelenkter Lichtstrahl, der durch die Wechselwirkung mit mindestens einer akustischen Wellenfrequenz verschoben ist, einem nicht abgelenkten Strahl überlagert wird, und daß dieser durch die überlagerung entstandene Lichtstrahl einem optisch/e lektrisehen Wandler zugeführt wird.