DE2009556A1

DE2009556A1 - Verfahren und Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls

Info

Publication number: DE2009556A1
Application number: DE19702009556
Authority: DE
Inventors: Duane Gregory Bronxville N.Y. Carlson (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-03-03
Filing date: 1970-02-28
Publication date: 1970-09-10
Also published as: FR2034606A1; DE2009556C3; GB1273682A; DE2009556B2; US3633994A; FR2034606B1

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 27. Februar 1970 pr-hl

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl* Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 969 015

Verfahren und Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls durch an einen Halbleiterkörper angelegte elektrische Felder.

Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere auf den Gebieten der Datenübertragung und der Datenverarbeitung werden neuerdings in steigendem Umfang optische Elemente verwendet.. Zu den wichtigsten dieser optischen Elemente gehören die sogenannten Strahl-Ablenker, das sind Anordnungen zur steuerbaren Veränderung der Lage und/oder der Richtung eines Lichtstrahls.

Lichtstrahlen mit steuerbar veränderlicher Lage werden seit langem, beispielsweise in der Fernsehtechnik zur Abtastung eines Bildes durch Nipkowscheiben, Spiegelräder, Kathodenstrahlröhren usw. er- zeugt. In neuerer Zeit wurden elektrooptische Lichtablenker ent wickelt, die beispielsweise aus einer elektrooptischen Anordnung zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines Lichtstrahls und einem dahinterliegenden doppelbrechendem Kristall bestehen,

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der vom abzulenkenden Strahl in Abhängigkeit von der Lage seiner Polarisationsrichtung entweder als ordentlicher oder als außerordentlicher Strahl durchsetzt wird. Durch die beschriebene Anordnung kann ein Lichtstrahl jeweils in eine von zwei verschiedenen Lagen überführt werden. Ist eine größere Anzahl von Lagen erforderlich, so muß die Anzahl der aus jeweils einem elektrooptischen Element zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene und einem doppelbrechendem Kristall von oft erheblicher Länge bestehenden Ablenkstufen entsprechend vergrößert werden. Das hat zur Folge, daß Ablenkanordnungen für eine größere Anzahl von Ablenklagen sehr umfangreich und kostspielig sind. Die an der großen Anzahl von Flächen auftretenden Lichtverluste werden dabei so groß, daß die Anwendbarkeit derartiger Lichtablenker stark eingeschränkt wird.

In der US Patentschrift 3.392.368 wird eine Anordnung beschrieben, bei der in einer Flüssigkeit eine Schallwelle mit Hilfe eines Laserstrahls erzeugt wird. Der Laserstrahl wird von dieser Schallwelle teilweise durchgelassen und teilweise unter dem Braggschen Winkel reflektiert. Eine steuerbare Ablenkung des Lichtstrahles wird in dieser Literaturstelle nicht beschrieben.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei dem der technische Aufwand zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls bei geringen Lichtverlusten relativ klein gehalten werden kann. Auch sollen Strahlen mit sehr hohen Intensitäten abgelenkt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und eine Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls durch an einem Halbleiterkörper angelegte elektrische Felder gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem vom Strahl durchsetzten Halbleiterkörper unter der Wirkung einer elektromagnetischen Strahlung in an sich bekannter Weise eine den Strahl beeinflussende Schallwelle und gleichzeitig ein nach Richtung und/

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oder Stärke veränderbares elektrisches Feld erzeugt wird, dessen Änderungen eine Änderung der Richtung der Schallwelle und somit der Richtung des von ihr beeinflußten abzulenkenden Strahls bewirken.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die den abzulenkenden Strahl . beeinflussende Schallwelle durch den abzulenkenden Strahl selbst erzeugt wird.

Eine andere vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens " ist dadurch gekennzeichnet, daß die den abzulenkenden Strahl beeinflussende Schallwelle von einer anderen Strahlung angeregt wird.

Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls ist gekennzeichnet durch einen durchsichtigen Halbleiterkörper mit an gegenüberliegenden Flächen beiderseits des abzulenkenden Strahls angeordneten Elektroden, Spannungsteilern und Spannungsquellen sowie einer zwischen diesem liegenden veränderlichen weiteren Spannungsquelle zur Erzeugung eines die Fortpflanzungsrichtung des abzulenkenden Strahls kreuzenden elektrischen Feldes ver- j| änderlicher Richtung.

Eine andere vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch an gegenüberliegenden Flächen eines Halbleiterkörpers beiderseits des abzulenkenden Strahls angeordnete Elektroden, Spannungsteiler und veränderliche Spannungsquellen zur Erzeugung eines die Fortpflanzungsrichtung des abzulenkenden Strahls kreuzenden veränderlichen elektrischen Feldes.

Eine andere besonders vorteilhafte AusfUhrungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem piezoelektrischen Halbleitermaterial, beispiels-

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- 4 weise aus CdS, ZnS oder ZnO besteht.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ablenkung des Lichtstrahls durch stimulierte Brillouin-Streuung, im folgenden kurz SBS genannt.

Die SBS erfolgt in der Richtung, in der die gestreute Lichtwelle und die erzeugte Schallwelle ihren maximalen Nettogewinn (Gewinn abzüglich Verluste) haben. Die wesentlichste Gewinnquelle bei der SBS beruht auf parametrischen Kupplung der Schallwelle mit der optischen Welle durch Elektrostriktion. Auf dieser Erscheinung beruht die vorliegende Erfindung. Die steuerbare Änderung der Richtung des gestreuten Lichtstrahles wird dadurch erreicht, daß eine zusätzliche Gewinnquelle vorgesehen wird, die bspw. in einem piezoelektrischen Halbleiterkörper durch ein elektrisches Gleichfeld dargestellt wird. Wird in einem piezoelektrischen Halbleiterkörper durch einen Laserstrahl eine SBS erzeugt, so kann die Richtung der dabei angeregten Schallwelle entweder durch Änderung der Größe des an den Halbleiterkörper gelegten elektrischen Gleichfeldes oder durch Änderung seiner Richtung geändert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt man einen Laserstrahl von

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50 Milliwatt/cm bis 20 Megawatt/cm oder mehr in einen Halbleiterkörper eintreten. Der Laserstrahl erzeugt in diesem Halbleiterkörper eine Schallwelle, die immer unter dem Braggschen Winkel auftritt. Gleichzeitig wird an den Halbleiterkörper ein elektrisches Gleichfeld veränderlicher Stärke gelegt. Durch die Änderung der Stärke dieses Feldes wird die Fortpflanzungsrichtung der Schallwelle geändert, wodurch auch die Richtung des an dieser Welle gestreuten Lichtes geändert wird. Es ist aber auch möglich, die Stärke des angelegten elektrischen Gleichfeldes konstant zu halten und statt dessen seine Richtung zu ändern. Diese Richtungsänderung des angelegten elektrischen Feldes bewirkt eine Änderung der Fortpflanzungsrichtung der

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Schallwelle und somit der Richtung des an dieser Schallwelle gestreuten oder reflektierten Laserlichtstrahls. Der mit diesem Verfahren erreichbare Ablenkwinkel ist um mehrere Größenordnungen größer als die Ablenkwinkel, die mit elektrooptischen Prismen erreicht werden können. Der Anteil des nach diesem Verfahren gestreuten Lichtes ist wesentlich größer als der bei der bekannten Brillouin-Streuung erzielbare Anteil.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem piezoelektrischen Halbleiterkristall,

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung bei sich ändernder Richtung des angelegten elektrischen Feldes,

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung bei einer Änderung der Stärke des angelegten elektrischen Feldes,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der Richtung des Laserstrahls von der Stärke des angelegten elektrischen Feldes,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der akustischen,Verluste im Kristall als Funktion des an den Kristall angelegten elektrischen Feldes.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem aniso-

tropen piezoelektrischen Kristall 2, der beispielsweise aus CdS, ZnS oder ZnO besteht. Der Kristall 2 kann beispielsweise aus einem Kubus mit den Kantenlängen von 1 cm bestehen. An der oberen Fläche 10 des Kristalls ist eine Spannungstellerschaltung

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angeordnet, die aus den Widerständen 6A, 6B bis 6E und den Elektroden 8A, 8B bis 8F besteht. An der unteren Fläche 12 des Kristalls, die zur oberen Fläche 10 parallel verläuft, ist ein ähnliches Netzwerk angeordnet, das aus den Widerständen 1OA bis 1OE und den Elektroden 12A bis 12F besteht.. Mit Hilfe von Spannungsquellen 14 und 16 wird ein durch den Kristall 2 verlaufendes homogenes elektrisches Gleichfeld erzeugt. Weiterhin ist eine veränderliche Spannungsquelle 18 vorgesehen, die zwischen den beiden Spannungsteilerschaltungen liegt. Der in Fig. 1 durch die mit e bezeichneten gestrichelten Linien dargestellte Verlauf ^ des elektrischen Feldes liegt dann vor, wenn die Spannung der ~ veränderlichen Spannungsquelle 18 Null ist. Wenn der vom Laser 22 ausgehende kohärente polarisierte Lichtstrahl 20 in den Kristall 2 eintritt, wird eine Schallwelle 21 erzeugt, deren Fortpflanzungsrichtung etwa mit der Richtung 19 des Gleichfeldes übereinstimmt. Die Richtung des gestreuten Strahles 20 wird durch den Braggschen Winkel definiert.

Der von den entweder kontinuierlich oder im Impulsbetrieb arbeitenden Laser 22 erzeugte Strahl 20 tritt in den Kristall 2 ein und erzeugt darin stimulierte Brillouin-Streuung, d.h. der Strahl 20 erzeugt im Kristall 2 eine Schall-Wanderwelle, die als teildurchlässiger Spiegel wirkt, der einen Teil des ursprünglichen P Laserstrahls durchläßt und den anderen Teil reflektiert oder streut. Die Reflexion erfolgt unter dem Braggschen Winkel, für den der wirksame Gewinn der gestreuten Lichtwelle und der erzeugten Schallwelle ein Maximum ist.

Es sei angenommen, daß bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnungen die Spannungsquellen 14 und 16 eine Spannung von 500 V liefern und daß die Spannung der Spannungsquelle 18 stetig von 0 bis 100 V geändert werden kann. Ist die Spannung der Spannungsquelle 18 100 V, so liegt die Spannung des Punktes P bei 400 V während die Spannung des Punktes Q bei -100 V liegt. Das hat eine Änderung des Verlaufs der Equipotentiallinien zur Folge, die durch die

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gestrichelten Linien e dargestellt sind. In diesem Zustand liegen die Elektroden 8A und 12B auf einem Potential von 400 V, während die Elektroden 8B und 12C auf einem Potential von 300 V usw. liegen. Es ist leicht einzusehen, daß bei einer kontinuierlichen Veränderung der Spannung der Spannungsquelle 18 die Richtung 19 des elektrischen Gleichfeldes um den Winkel φ gedreht wird. Auf diese Weise wird die Ablenkung des Strahles wird durch Änderung des den piezoelektrischen Halbleiterkörper durchsetzenden elek*- trischen Feldes verändert. Durch eine die Änderung der Richtung des elektrischen Feldes bewirkende Änderung· der Richtung der Equipotentiallinien e wird die Richtung der kleinsten akustischen Verluste geändert. Folglich wird bei einem aus einer bestimmten Richtung einfallenden Strahl 20 die durch die stimulierte Brillouin-Streuung angeregte Schallwelle geändert. Da der Braggsche Winkel bei der stimulierten Brillouin-Streuung stets beibehalten wird, ändert sich die Richtung des k-Vektors des Strahles 20. Aus den Fign. 1 und 2 ist zu entnehmen, wie die Richtung eines polarisierten Lichtstrahls durch stimulierte Brillouin-Streuung in einem piezoelektrischen Halbleiterkörper steuerbar geändert werden kann. Diese Richtungsänderung des abzulenkenden Strahles erfolgt durch Änderung der Richtung eines den Halbleiterkörper durchsetzenden elektrischen Feldes, durch die die Richtung der durch stimulierte Brillouin-Streuung erzeugten Schallwelle geändert wird. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird im Gegensatz zu den in den Fign. 1 und 2' dargestellten Anordnungen die Ablenkung des Lichtstrahls durch Veränderung der Stärke des an dem Halbleiterkristall 2 angelegten elektrischen Feldes E bewirkt. Die Richtung der Equipotentiallinien e bleibt dabei unverändert. Die Ablenkung des Strahles 20 im Kristall 2 wird somit durch Erhöhung der von den Spannungsquellen 14 und 16 erzeugten Spannungen bewirkt, die eine Erhöhung des Wertes der Equipotentiallinien e zur Folge hat.

Die Drehung der an der durch den Laserstrahl 20 erzeugten Schall welle gestreuten Strahlung als Folge der Vergrößerung des elek-

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trischen Feldes E wird im Zusammenhang mit den Fign. 4 und 5 erläutert. In Fig. 5 wird die Absorption der Schallenergie während des Fortschreitens der Welle im Halbleiterkörper dargestellt. Das Feld E wächst in Richtung des auf der Abszisse eingezeichneten Pfeiles. Die Verluste werden durch die Ordinaten-Werte dargestellt. Aus der in Fig. 5 wiedergegebenen Kurve C ist ersichtlich daß der maximale Gewinn der durch den Kristall 2 verlaufenden Schallwelle dann vorliegt, wenn das elektrische Feld den Wert E hat. Wird die Energie P der Schallwelle als Funktion der Tiefe ihres Eindringens in den Kristall 2 aufgetragen, so ist P=PO · e~ , wobei PO die ursprüngliche Energie der Schallwelle, L die Länge des Weges im Kristall 2 und α der Absorptionskoeffizient des Kristalls 2 ist.

Der dem Wert E auf der Kurve C entsprechende Wert von α ist

m — * m

negativ, so daß P bei diesem negativen Wert größer ist als PO. Hat das elektrische Feld E einen größeren Wert als E so liegt die Richtung des maximalen Gewinns der Schallwelle nicht mehr in Richtung des elektrischen Feldes E, sondern in Richtung E . Wächst das elektrische Feld über den Wert E , so liegt der maximale Gewinn der Schallwelle in Richtung von E=E cos Θ. Da die Schall-Verluste einen kleinsten Wert α haben, der für einen

bestimmten Wert des elektrischen Feldes eintritt, und zwar für den Wert E , wird bei Anwachsen des angelegten elektrischen Feldes über E der kleinste Verlust nicht mehr in Richtung des elektrischen Feldes, sondern in Richtung θ liegen, wobei E cos θ » E ist. Bei Vergrößerung des Wertes E muß der Wert von θ wachsen, damit E konstant bleibt. Diese sich ändernden Werte

von θ bestimmen somit die Drehung des ursprünglichen Laserstrahls 20 durch die durch ihn erzeugte Schallwelle. In Fig. 4 werden verschiedene Werte von θ für verschiedene Werte E wiedergegeben.

Bei der vorliegenden Erfindung wird von zwei Gewinn- bzw. Verstärkungsursachen Gebrauch gemacht. Durch die Ausnutzung der stimulierten Brillouin-Streuung wird eine Schallwelle erzeugt,

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die immer in Richtung des maximalen Gewinns in einem Halbleiterkörper verläuft, während alle anderen Schallwellen nicht erzeugt werden. Wird die Stärke oder die Richtung eines im Halbleiterkörper verlaufenden elektrischen Feldes geändert, so wird der maximale Gewinn im Halbleiterkörper beibehalten. Die Richtung

dieses maximalen Gewinns jedoch geändert. Das auf der Ausnutzung dieser beiden Gesetzmäßigkeiten beruhende Verfahren ermöglicht eine einfache, schnelle und wirksame steuerbare Ablenkung eines Lichtstrahls. Nachdem eine nach diesem Verfahren arbeitende Anordnung monochromatische kohärente Strahlen, insbesondere auch Laserstrahlen ablenken kann, können auch Strahlen sehr hoher Lichtintensität abgelenkt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung betragen die Steuerwerte für eine Ablenkanordnung mit einem piezoelektrischen Halbleiterkörper 2 von 1 cm jeweils 1500 V für die Spannungsquellen 14 und 16 und einen Bereich von ±100 V für die Spannungsquelle 18. Mit einer derartigen Anordnung kann ein Strahl um ±3,83° gedreht werden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung, bei der das elektrische Feld durch Änderung der Höhe der an den Kristall angelegten Spannungen geändert wird, erzeugen die Spannungsquelle 14 und 16 Spannungen die zwischen 1000 und 1200 V kontinuierlich verändert werden können. Bei derartigen Anordnungen kann ein Ablenkwinkel θ von etwa 4,8° verwirklicht werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls durch
an einen Halbleiterkörper angelegte elektrische Felder, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vom Strahl (20) durchsetzten Halbleiterkörper (2) unter der Wirkung einer elektromagnetischen Strahlung in an sich bekannter Weise eine den
Strahl beeinflussende Schallwelle und gleichzeitig ein nach Richtung und/oder Stärke veränderbares elektrisches Feld erzeugt wird, dessen Änderungen eine Änderung der Richtung der Schallwelle und der Richtung des von ihr beeinflußten abzulenkenden Strahles bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
den abzulenkenden Strahl (20) beeinflussende Schallwelle
durch den abzulenkenden Strahl selbst angeregt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
den abzulenkenden Strahl (20) beeinflussende Schallwelle
von einer anderen Strahlung angeregt wird.
4. Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen durchsichtigen Halbleiterkörper (2) mit an gegenüberliegenden Flächen (10, 12) beiderseits des abzulenkenden
Strahls angeordneten Elektroden (8A bis 8F und 12A bis 12F) Spannungsteilern (6A bis 6E und 1OA bis 1OE) und zwei
Spannungsquellen (14, 16) sowie einer zwischen diesen liegenden veränderbaren Spannungsquelle (18) zur Erzeugung eines
die Fortpflanzungsrichtung des abzulenkenden Strahls (20)
kreuzenden elektrischen Feldes veränderlicher Richtung.
5. Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch

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einen durchsichtigen Halbleiterkörper (2) mit an gegenüberliegenden Flächen (10, 12) beiderseits des abzulenkenden Strahls angeordneten Elektroden (8A bis 8F und 12A bis 12F), Spannungsteilern (6A bis 6E und 1OA bis 10E) und zwei veränderlichen Spannungsquellen (1.4, 16) zur Erzeugung eines die Fortpflanzungsrichtung des abzulenkenden Strahls kreuzenden elektrischen Feldes veränderlicher Stärke.
6. Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus einem piezoelektrischen Halbleitermaterial besteht.
7. Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus CdS besteht.
8. Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls nach den Ansprüchen 1 bis 5,. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus ZnS besteht.
9. Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Strahls nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb- . leiterkörper (.2) aus ZnO besteht.

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