DE4116550A1 - Optisch modulierbare oberschwingungslichtquelle und diese lichtquelle verwendende optische informationsverarbeitungsvorrichtung - Google Patents

Optisch modulierbare oberschwingungslichtquelle und diese lichtquelle verwendende optische informationsverarbeitungsvorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, deren Wellenlänge unter Verwendung der zweiten Ober­ schwingung, einer Summen-Frequenzmischung und einer Dif­ ferenz-Frequenzmischung verkürzt wird, und eine diese Lichtquelle verwendende optische Informationsverarbei­ tungsvorrichtung wie etwa ein Gerät zum Lesen und Be­ schreiben einer optischen Platte, einen Laserdrucker oder dergleichen.
Als Laserlichtquelle des Standes der Technik ist bei­ spielsweise aus dem Artikel "Optics Letters", Bd. 13, Nr. 10, B. 805-807, 1988, eine kohärente Lichtquelle be­ kannt, in der ein nichtlinearer optischer Kristall KTP (Kaliumtitanatphosphat) verwendet und die Erzeugung einer zweiten Oberschwingung oder zweiten Harmonischen ausge­ nutzt wird. In diesem Artikel wird berichtet, daß von der Lichtquelle als zweite Harmonische eines YAG-Lasers, der mit einem Halbleiterlaser optisch gepumpt wird, grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm stabil erhalten wird.
Wenn eine solche kohärente Lichtquelle eines Typs mit kurzer Wellenlänge, die verhältnismäßig kleine Abmessun­ gen besitzt und einfach gehandhabt wird, beispielsweise als Lichtquelle zum Lesen und Beschreiben einer optischen Platte benutzt wird, ist es möglich, die Informations­ speicherungsdichte in großem Umfang zu verbessern. Wie wohlbekannt ist, liegt der Grund hierfür darin, daß die Speicherungsdichte der optischen Platte umgekehrt propor­ tional zum Quadrat des Lichtfleckdurchmessers ansteigt und der Lichtfleckdurchmesser proportional zur Lichtwel­ lenlänge abnimmt.
Darüber hinaus ist die kohärente Lichtquelle, die die zweite Oberschwingung verwendet, auch als Lichtquelle für einen Laserdrucker verwendbar. Der Grund hierfür besteht darin, daß durch die Verkürzung der Wellenlänge der Fleckdurchmesser auf einer lichtempfindlichen Trommel klein ausgebildet werden kann, so daß die Auflösung des Druckers verbessert werden kann.
Im obenbeschriebenen Stand der Technik ist es jedoch un­ möglich, die zweite Oberschwingung entsprechend der In­ tensität eines Informationssignals zu modulieren. Das heißt, daß in einer optischen Informationsverarbeitungs­ vorrichtung wie etwa einem Gerät zum Lesen und Beschrei­ ben einer optischen Platte oder einem Laserdrucker die Aufnahme der Information beziehungsweise der Druckvorgang nur insoweit ausgeführt werden können, als die Intensität des Laserstrahls nicht mit einer bestimmten Information in Form eines digitalen oder eines analogen Signals modu­ liert wird. Daher ist es in dem Fall, in dem die Laser­ lichtquelle selbst nicht direkt moduliert werden kann, erforderlich, einen Lichtintensitätsmodulator, der einen akustooptischen Effekt (A/O) oder einen elektrooptischen Effekt (E/O) ausnutzt, extern vorzusehen. Dies hat den Nachteil zur Folge, daß ein solcher Aufbau zu einer Ver­ größerung der optischen Informationsverarbeitungsvorrich­ tung, zu einer Verkomplizierung der Einstellung und zu einem Anstieg der Kosten führt.
Der Grund, warum der Laserstrahl nicht direkt moduliert werden kann, besteht darin, daß die Halbwertszeit des oberen Energieniveaus des oben erwähnten Festkörperlasers wie etwa eines Nd : YAG-Lasers (Neodymium : Yttrium-, Alu­ minium-, Galium-Laser) lang ist, so daß der Frequenzbe­ reich, der der Modulation folgen kann, selbst dann, wenn die Intensität des vom Pump-Halbleiterlaser emittierten Laserstrahls moduliert wird, nur bis 20 kHz reicht; daher ist es unmöglich, für das Gerät zum Lesen und Beschreiben der optischen Platte oder für den Laserdrucker die Modu­ lation bei einer Frequenz wenigstens im MHz-Band, vor­ zugsweise höher als ungefähr 20 MHz, auszuführen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulierbare Laserlichtquelle eines Typs mit kurzer Wel­ lenlänge zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Informationsverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, die eine solche optisch modulierbare Licht­ quelle verwendet.
Diese Aufgaben werden bei einer Lichtquelle der gattungs­ gemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruches 1 und bei einer optischen Informationsverarbeitungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 6 gelöst.
Für die Erzeugung der zweiten Oberschwingung oder zweiten Harmonischen ist ein ferroelektrisches Kristall oder ein organisches Kristall mit nichtlinearen optischen Eigen­ schaften wesentlich; wenn auf einen solchen Kristall eine Grundschwingung angelegt wird, wird eine zweite Ober­ schwingung der Grundschwingung erzeugt.
Andererseits kann ein solcher ferroelektrischer Kristall oder organischer Kristall eine elektrooptische Schwingung erzeugen. Das heißt, daß in einem sogenannten akustoopti­ schen Element ein Umformer am ferroelektrischen Kristall wie etwa TeO2 (Tellurdioxid) oder PbMoO4 (Bleimolybdänoxid) befestigt wird und eine Wechselspan­ nung mit einer Frequenz im MHz-Bereich oder höher ange­ legt wird, wodurch eine Ultraschallwelle erzeugt wird. Eine von einer solchen Ultraschallwelle erzeugte Elasti­ zitätsschwingung kann als im Kristall erzeugtes Beugungs­ gitter angesehen werden. Wenn ein solches Beugungsgitter im Kristall vorhanden ist, wird der einfallende Laser­ strahl einer Beugung unterworfen, so daß der Lichtweg ge­ krümmt wird. In einem solchen Verfahren ist es möglich, die Intensität des auf den Kristall angelegten Laser­ strahls zu modulieren.
Wenn die Ultraschallwelle im Kristall nicht vorhanden ist, breitet sich die zweite Oberschwingung entlang der optischen Achse aus, so daß die gesamte Lichtintensität auf der optischen Achse vorhanden ist. Wenn jedoch im Kristall die Ultraschallwelle vorhanden ist, ist nicht die gesamte Lichtintensität auf der optischen Achse, da die Ausbreitungsrichtung der zweiten Oberschwingung durch das Lichtbeugungsphänomen gekrümmt ist. In diesem Fall wird der gekrümmte Lichtstrahl durch eine Abschirmplatte oder Blende blockiert.
Außerdem werden in einem elektrooptischen Element die Phasenanpassungsbedingungen zerstört, indem durch das An­ legen einer geeigneten Spannung an den Kristall eine Ver­ formung desselben bewirkt wird, wodurch die Erzeugung der zweiten Oberschwingung verhindert wird. Im Ergebnis ist es möglich, die zweite Oberschwingung zu modulieren.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren der akustooptischen Lichtmodulation oder der elektrooptischen Lichtmodula­ tion, wie es oben beschrieben worden ist, auf den nicht­ linearen optischen Kristall selbst angewendet, um die zweite Harmonische zu erzeugen. Wenn an einem KTP- Kri­ stall ein Umformer angebracht ist und an diesen Kristall eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, wird in diesem KTP-Kristall eine Ultraschallwelle erzeugt. Eine solche Ultraschallwelle dient dazu, die Ausbreitungsrichtung der Grundschwingung des einfallenden Laserstrahls oder die Ausbreitungsrichtung der zweiten Oberschwingung zu krüm­ men. Wenn daher die Ultraschallwelle ein- oder ausge­ schaltet wird oder wenn die Amplitude der Ultraschall­ welle verändert wird, ist es möglich, die Intensität der Grundschwingung oder ihrer zweiten Oberschwingung zu mo­ dulieren.
Darüber hinaus ist es möglich, im Festkörperlasermedium selbst, das heißt in einem Nd : YAG, LNP oder Nd : YVO-Kri­ stall, eine Ultraschallwelle zu erzeugen, wodurch der er­ zeugte Laserstrahl moduliert wird.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß die Intensität des Lichts durch die Anwendung des elektrooptischen Ef­ fekts auf den Kristall moduliert. Der elektrooptische Ef­ fekt besitzt den Vorteil, daß mit ihm im Vergleich zum akustooptischen Effekt eine höhere Modulationsgeschwin­ digkeit erzielt werden kann.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf besondere Aus­ führungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, ange­ geben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu­ tert; es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des Aufbaus einer Laserlicht­ quelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung des Aufbaus der Laserlichtquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;
Fig. 3 eine Darstellung des Aufbaus eines erfindungsge­ mäßen, die modulierbare Lichtquelle verwendenden Geräts zum Lesen und Beschreiben einer optischen Platte;
Fig. 4 eine Darstellung des Aufbaus eines Geräts zum Le­ sen und Beschreiben einer optischen Platte, in dem die erfindungsgemäße Lichtquelle mit einer optischen Ablenkvorrichtung in Form eines akusto­ optischen Elementes kombiniert ist;
Fig. 5 eine Darstellung des Aufbaus eines Laserdruckers, der eine erfindungsgemäße Lichtquelle verwendet; und
Fig. 6 eine Darstellung des Aufbaus einer weiteren Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsform 1
Nun wird mit Bezug auf Fig. 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Laserstrahl, der von einem Halbleiterlaser 1 mit hoher Ausgangslei­ stung emittiert wird, wird durch eine Linse 2 gebündelt und auf eine Stirnseite eines Nd : YAG-Kristalls 3 gerich­ tet. Der im Kristall 3 absorbierte Strahl dient als soge­ nannter Pump-Lichtstrahl für den YAG-Laser. Zwischen ei­ ner Einfalls-Stirnseite 4 und einem Spiegel 5 wird ein Plankonkav-Resonator geschaffen, so daß eine Laseroszil­ lation mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder 946 nm aus­ geführt wird. An einen nichtlinearen optischen Kristall 6 wie etwa KTP oder KNbO3, an dem ein Umformer 7 angebracht ist und der im Resonator angeordnet ist, wird eine Wech­ selspannung 8 angelegt. Im Ergebnis wird im nichtlinearen optischen Kristall 6 eine Ultraschallwelle 9 erzeugt, so daß das einfallende Licht 10 gebeugt wird, wodurch die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts aus einer Richtung 10 in eine Richtung 11 abgelenkt wird. Wenn an einer Stelle, an der sich das gebeugte Licht ausbreitet, eine Blende 12 angeordnet wird, wird das gebeugte Licht durch die Blende 12 blockiert. Dies hat zur Folge, daß auf der optischen Achse die Lichtintensität moduliert wird. Der Beugungswinkel des Lichts ist durch den folgen­ den Ausdruck gegeben:
2×d×sinR=m×λ,
wobei m eine ganze Zahl ist, λ die Wellenlänge des Laser­ strahls ist und d die Wellenlänge der Ultraschallwelle darstellt. Nun erzeugt der nichtlineare optische Kristall 6 eine zweite Oberschwingung oder eine die Wellenlänge ändernde Schwingung einer höheren Oberschwingung, so daß es möglich ist, eine modulierbare Lichtquelle mit kurzer Wellenlänge zu verwirklichen.
Außerdem ist kürzlich die Erzeugung von Oberschwingungen untersucht worden, bei der sich bei organischen Materia­ len wie etwa MNA oder Xanthon mit großen Abmessungen ein großer nichtlinearer optischer Effekt zeigt. Daher kann allmählich ein großer organischer Kristall erhalten wer­ den. Entsprechend kann erfindungsgemäß die Lichtintensi­ tät durch die Erzeugung einer Ultraschallwelle in einem solchen organischen Kristall moduliert werden.
Ausführungsform 2
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform ist so auf­ gebaut, daß die im Zusammenhang mit der ersten Ausfüh­ rungsform beschriebene Ultraschallwelle in einem als La­ seroszillationsmedium dienenden Nd : YAG-Kristall erzeugt wird. Ein von einem Halbleiterlaser 1 emittierter ko­ härenter Lichtstrahl wird durch eine Linse 2 gebündelt und an einen Nd : YAG-Kristall 3 angelegt. Zwischen einer Einfalls-Stirnseite 4 des Kristalls und einem Spiegel 5 wird ein Resonator ausgebildet, so daß ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder 946 nm erzeugt wird. Im Resonator ist ein Oberschwingungs-Erzeugungsele­ ment 6, das aus einem nichtlinearen optischen Material wie etwa KTP, KNbO3 oder einem organischen Kristall her­ gestellt ist, angeordnet. Mit diesem Aufbau wird eine Oberschwingung vom Typ eines internen Resonators erzeugt. Dabei wird an den Nd : YAG-Kristall 3, an dem ein Umformer 7 angebracht ist, eine Hochfrequenzspannung 8 angelegt. Dadurch wird im Kristall eine Ultraschallwelle 9 erzeugt, durch die ein Beugungsgitter erzeugt wird, welches die Ausbreitungsrichtung des Laseroszillationsstrahls in eine Richtung 10 oder 11 ablenkt. Das gebeugte Licht wird durch eine Blende 12 blockiert. In dem obigen Aufbau kann durch Ein- oder Ausschalten der Ultraschallwelle im Kri­ stall die Lichtintensität auf der optischen Achse modu­ liert werden. In dieser Hinsicht ist es auch möglich, ei­ nem Material wie etwa einem Nd:YAG-Kristall (Neodynium: Yttrium-, Aluminium-, Bor-Kristall), der ein Lasermedium darstellt und nichtlineare optische Eigenschaften be­ sitzt, die Fähigkeit der erfindungsgemäßen optischen Mo­ dulation mittels einer Ultraschallwelle zu verleihen.
Ausführungsform 3
In Fig. 3 ist ein Gerät zum Lesen und Beschreiben einer optischen Platte gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Genauer wird ein modu­ lierbarer und mittels eines Strahlteilers 14 konzentrier­ ter Lichtstrahl von einer Lichtquelle 13 mit kurzer Wel­ lenlänge SHG (zweite Oberschwingung) auf eine optische Platte 15 angelegt, um auf der Platte 15 einen Lichtfleck auszubilden. Das reflektierte Licht, das durch das Signal auf der optischen Platte moduliert wird, wird durch die Strahlteiler 14 und 16 an Photodetektoren 17 und 18 zu­ rückgeschickt, um dort ein Spursignal, ein Autofokussie­ rungssignal und ein Informationssignal zu erzeugen. Ande­ rerseits wird während der Aufnahme- oder Schreiboperatio­ nen in der modulierbaren Lichtquelle 13 erfingungsgemäß eine Wechselspannungsquelle mittels eines aus einem In­ formationssignal 19 erzeugten Hochfrequenzsignals 20 be­ trieben, um einen Umformer 7 zu betätigen. Somit wird die Lichtintensitätsmodulation über einige Hundert MHz mit­ tels eines Laserstrahl-Modulationssignals 21 ausgeführt, wodurch auf die optische Platte 15 ein gewünschtes Signal aufgezeichnet wird.
Ausführungsform 4
In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform ist in dem die Lichtquelle 13 und die optische Platte 15 enthal­ tenden Aufbau ein akustooptisches Element 22 zur Spurver­ folgung angeordnet, um eine Zugriffsoperation, die mit sehr hoher Geschwindigkeit auszuführen ist, zu ermögli­ chen. Durch die Kombination der direkt modulierbaren Lichtquelle mit kurzer Wellenlänge mit dem akustoopti­ schen Element zum Spurzugriff ist es möglich, ein Gerät zum Lesen und Beschreiben einer optischen Platte zu kon­ struieren, bei dem die Aufzeichnungsdichte erhöht und die Datenübertragungszeit abgekürzt werden kann. Diejenigen Elemente, die mit Bezug auf die vierte Ausführungsform nicht beschrieben worden sind, gleichen den in Zusammen­ hang mit der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsform beschriebenen Elementen.
Ausführungsform 5
In Fig. 5 ist eine fünfte Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform ist so auf­ gebaut, daß eine erfindungsgemäße direkt modulierbare Lichtquelle 13 mit kurzer Wellenlänge als in einem Laser­ drucker verwendete Lichtquelle Anwendung findet. Ein von der Lichtquelle 13 emittierter Strahl wird durch einen Drehpolygonspiegel 23 gestreut, damit er durch eine FR- Linse 24 hindurch die Oberfläche einer lichtempfindlichen Trommel 25 abtastet. Der mittels eines Informationssi­ gnals direkt modulierte Strahl der Lichtquelle 13 wird auf die lichtempfindliche Trommel 25 angelegt, um für den Druckvorgang auf ein Aufnahmepapier übertragen zu werden. Somit wird der Druckvorgang mit einer Auflösung ausge­ führt, die beträchtlich höher als im Stand der Technik ist.
Das Verfahren zum Modulieren des Laserstrahls ist in al­ len Einzelheiten gleich dem Verfahren, wie es im Zusam­ menhang mit der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungs­ form beschrieben worden ist.
Ausführungsform 6
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. Hierbei sind die Elemente, die den in Fig. 1 gezeigten Elementen entsprechen, mit den glei­ chen Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre Beschrei­ bung um der Kürze der Erläuterung willen weggelassen. In der vorliegenden Ausführungsform wird zur Modulation des Laserstrahls eine geeignete Spannung über den Elektroden 26 des nichtlinearen optischen Kristalls 6 angelegt, um die Phasenanpassungsbedingungen für die Erzeugung der zweiten Oberschwingungen zu stören, wodurch die Erzeugung der zweiten Oberschwingungen verhindert wird. Dies hat zur Folge, daß die Modulation ohne ein- oder ausschalten der zweiten Oberschwingungen ausgeführt werden kann.
Wie oben erwähnt, kann erfindungsgemäß die Laser­ strahlmodulation, die für die Systemanwendungen wesent­ lich ist, in der Lichtquelle mit kurzer Wellenlänge selbst ausgeführt werden. Dies hat den großen Vorteil, daß die Lichtwelle mit kurzer Wellenlänge auf eine kom­ pakte Größe miniaturisiert werden kann und daß die Kosten zur Verbesserung der Aufzeichnungsdichte der optischen Platte zur Steigerung der Druckauflösung eines Laserdruc­ kers verringert werden können.

Claims (8)

1. Oberschwingungslichtquelle, mit
einer Laserlichtquelle (1) zum Aussenden eines Pump-Laserstrahls;
einem laseraktivem Medium (3), das durch den Emp­ fang des Laserstrahls von der Laserlichtquelle (1) eine Laseroszillation ausführt; und
einem Resonator, der das laseraktive Medium (3) enthält, gekennzeichnet durch
ein Oberschwingungs-Erzeugungsmedium (6), das im Resonator vorgesehen ist und der Erzeugung von Ober­ schwingungen dient; und
ein Mittel (7, 8; 26, 8) zum Anlegen einer Ultra­ schallwelle oder eines elektrischen Feldes auf das la­ seraktive Medium (3) oder das Oberschwingungs-Erzeugungs­ medium (6) .
2. Oberschwingungslichtquelle gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Anwenden der Ul­ traschallwelle einen entweder am laseraktivem Medium (3) oder am Oberschwingungs-Erzeugungsmedium (6) angebrachten Umformer (7) und eine Leistungsquelle (8) zum Anlegen ei­ ner Wechselspannung an den Umformer (7) aufweist.
3. Oberschwingungslichtquelle gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Anlegen des elektrischen Feldes am laseraktivem Medium (3) oder am Oberschwingungs-Erzeugungsmedium (6) angebrachte Elek­ troden (26) und eine Leistungsquelle (8) zum Anlegen ei­ ner Wechselspannung über den Elektroden (26) aufweist.
4. Oberschwingungslichtquelle gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Einfalls- Stirnfläche (4) des laseraktivem Mediums (3) und eine re­ flektierende Oberfläche (5) zum Reflektieren der Ober­ schwingungen umfaßt.
5. Oberschwingungslichtquelle gemäß Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch eine im Resonator vorgesehene Blende (12), mit der das von der angelegten Ultraschallwelle ge­ beugte Licht abgeschirmt wird.
6. Optische Informationsverarbeitungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Oberschwingungslichtquelle (13) gemäß An­ spruch 1;
ein Mittel (7) zum Steuern einer Ultraschallwelle gemäß einem Informationssignal; und
ein optisches System (14, 15, 16, 17, 18; 23, 24, 25) zum Anlegen von von der Oberschwingungslichtquelle (13) ausgesandtem Licht auf ein Aufnahmemedium (15, 25).
7. Optische Informationsverarbeitungsvorrichtung ge­ mäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahme­ medium eine optische Platte (15) ist.
8. Optische Informationssverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnah­ memedium eine photoempfindliche Trommel (25) ist.
DE4116550A 1990-05-25 1991-05-21 Optisch modulierbare oberschwingungslichtquelle und diese lichtquelle verwendende optische informationsverarbeitungsvorrichtung Ceased DE4116550A1 (de)

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