DE2009556C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Ablenkung eines Lichtstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahls in einem durchsichtigen piezoelektrischen, einkristallinen Halbleiterkörper durch Verändern eines am Halbleiterkörper anliegenden elektrischen Feldes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben.

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. erzeugt. In neuerer Zeit wurden elektrooptische Lichtablenker entwickelt, die beispielsweise aus einer elektrooptischen Anordnung zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines Lichtstrahls und einem dahinterliegenden doppelbrechendem Kristall bestehen, der vom abzulenkenden Strahl in Abhängigkeit von der Lage seiner Polärisätiönsriehtung 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 entspre chend 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 Anwend barkeit derartiger Lichtablenker stark eingeschränkt wird.

In der US-Patentschrift 33 92 368 wird eine Anordnung beschrieben, bei der in einer Flüssigkeit eine Schallwelle mit Hilfe eines Laserstrahls erzeugt wird.

Der Laserstrahl wird von dieser Schallwelle teilweise ungebeugt durchgelassen und teilweise unter dem Braggschen Winkel reflektiert. Eine steuerbare Ablenkung des Lichtstrahles wird in dieser Literaturstelle nicht beschrieben.

In der englischen Patentschrift 10 60 954 wird eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls beschrieben, die aus einem oder mehreren, zwischen zwei Hohlspiegeln und zwei Linsen angeordneten elektrooptisch aktiven Körpern und einer zu ihrer Anregung dienenden, eine periodisch sich ändernde Spannung erzeugenden Spannungsquelle besteht. Die Anordnung ist so getroffen, daß ein zwischen den beiden Hohlspiegeln mehrfach reflektierter Lichtstrahl bei jedem Durchgang durch den oder die elektrooptisch

e,5 aktiven Körper jeweils um einen Winkel abgelenkt wird, der größer als der Ablenkwinkel beim vorherigen Durchgang ist. Bedingt durch die Fokussierung des abzulenkenden Lichtstrahls auf die Flächen der

Hohlspiegel können mit dieser Vorrichtung nur Lichtstrahlen mit relativ geringen Intensitäten abgelenkt werden. Darüber hinaus ist mit der beschriebenen Vorrichtung die Ablenkung eines Lichtstrahls auf einen beliebigen Punkt nicht möglich, da, wie leicht einzusehen, nur eine periodische Ablenkung eines Lichtstrahls entlang einer Geraden oder entlang einer Schar konzentrischer Kreise möglich ist Ein weiterer schwerwiegender Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die zur Steuerung eines elektrooptisch aktiven Kristalls erforderlichen Spannungen in der Größenordnung von mehreren 1000 Volt liegen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem der technische Auf- |5 wand zum Steuern der Ablenkung eines Lichtstrahls bei geringen Lichtverlusten relativ klein gehalten werden kann, mit dem der Lichtstrahl unter Verwendung wesentlich niedrigerer Spannungen wahlweise steuerbar auf eine Vielzahl von Punkten gerichtet werden kann und mit dem auch Strahlen mit sehr hohen Intensitäten um große Winkel abgelenkt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Ablenkung des Lichtstrahles erfolgt also durch stimulierte Brillouin-Streuung, im folgenden kurz SBS genannt

Durch die Erfindung werden die bei den bekannten elektrooptischen Ablenkvorrichtungen erforderlichen, in größeren Stücken sehr schwer herzustelleirden und auch störanfälligen elektrooptisch aktiven Einkristalle durch piezoelektrische Einkristalle ersetzt, die einfacher herzustellen sind und mit wesentlich niedrigeren Spannungen gesteuert werden können. Darüber hinaus ist es mit einer Ablenkeinheit gemäß der Erfindung möglich, einen Lichtstrahl um eine sehr große Anzahl von Winkeln abzulenken. Als weiterer wesentlicher Vorteil ist die Tatsache zu betrachten, daß der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren maximal mögliche Ablenkwinkel um 10er Potenzen größer als die mit den bisher bekannten elektrooptischen Vorrichtungen erzieibaren Ablenkwinkel ist.

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 der parametrischen Kopplung 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 beispielsweise in einem piezoelektrischen Halbleiterkörper durch ein elektrisches Gleichfeld gebildet wird. Wird in einem piezoelektrischen Halbleiterkörper durch einen Laserstrahl eine SBS erzeugt, so kann die Richtung der dabsi angeregten Schallwelle entweder durch Änderung der Größe des an den Halbleiterkörper gelegten elektrischen Gleichfeldes oder durch Änderung seiner Richtung geändert werden.

Man läßt einen Laserstrahl von 50 Milliwatt/cm² bis 20 Megawatt/cm² 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. Die Richtungsänderung des angelegten elektrischen Feldes bewirkt eine Änderung der Fortpflanzungsrichtung der Schallwelle und somit der Richtung des an dieser Schallwelle gestreuten oder reflektierten Laserlichtstrahles. 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 zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem piezoelektrischen Halbleiterkristall,

F i g. 2 tine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 wiedergeg,·.Denen Anordnung bei sich ändernder Richtung des angelegtun 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,

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

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

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem anisotropen 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 Spannungsteilei schaltung 4 angeordnet, die aus den Widerständen 6A,6flbis 6£und den Elektroden 8A 8ß 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 10-4 bis 10£und den Elektroden 12/4 bis 12Fbesteht. 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 F i g. 1 durch die mit / bezeichneten gestrichelten Linien dargestellte Verlauf der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes liegt dann vor, wenn die Spannung der veränderlichen Spannungsquelle 18 Null ¹Jt. Wenn der vom Laser 22 ausgehende kohärente polarisierte Lichtstrahl 20 in den Kristall 2 eintritt, wird eine Schallwelle 2i erzeugt, deren Fortpflarczungsrichtung etwa mit der Richtung 19 des Gleichfeldes übereinstimmt. Die Richtung des gestreuten Strahles 20 wird durch den Braggschen Winkel definiert.

Der von dem 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 Laserstrahls durchläßt und den anderen Teil reflektiert oder streut. Die Reflexion erfolgt unter dem Braggschen

zu

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 Anordnung die Spannungsquellen 14 und 16 eine Spannung von 500 V liefern und daß die Spannung der Spannungsquelle 18 stetig von O 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 Äquipotentiallinien zur Folge, die durch die gestrichelten Linien /dargestellt werden. In diesem Zustand liegen die Elektroden SA und 12ß auf einem Potential von 400 V, während die Elektroden 8ß und 12Cauf 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 wiiii. Auf uiesc Weise wild liie Auieiikuiig lies Siiallies /u 20 durch Änderung des den piezoelektrischen Halbleiterkörper durchsetzenden elektrischen Feldes verändert. Durch eine die Änderung der Richtung des elektrischen Feldes bewirkende Änderung der Richtung der Equipotentiallinien /wird die Richtung der kleinsten akustischen Verluste geändert. Folglich wird bei einem aus einer bestimmten Richtung einfallenden Strahl 20 die durch die stimulierte Brilloin-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 F i g. 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 Riehtungsänderung des abzulenkenden Strahles erfolgt durch Änderung der Richtung eines den Halbleiterkörper durchsetzenden elektrischen Feldes, durch die die Richtung der bei Erzeugung der stimulierten Brillouin-Streuung auftretenden Schallwelle geändert wird. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird im Gegensatz zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen die Ablenkung des Lichtstrahls durch Veränderung der Stärke des an dem Halbleiterkristall 2 angelegten elektrischen Feldes £bewirkt. Die Richtung der Äquipotentiallinien / 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 der Dichte der Equipotentiallinien /zur Folge hat.

Die Drehung der an der durch den Laserstrahl 20 erzeugten Schal'welle gestreuten Strahlung als Folge der Vergrößerung des elektrischen Feldes £ wird im Zusammenhang mit den F i g. 4 und 5 erläutert In F i g. 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 F i g. 5 wiedergegebenen Kurve CTist ersichtlich, daß der maximale Gewinn der durch den Kristall 2 verlaufenden Schallwelle dann vorliegt, wenn das elektrische Feld den Wert E_n, hat Wird die Energie P der Schallwelle als Funktion der Tiefe ihres Eindringens in den Kristall 2 aufgetragen, so ist

P= P₀ ■ e

-rtl.

wobei Po die ursprüngliche Energie der Schallwelle, L die Länge des Weges im Kristall 2 und λ der Absorptionskoeffizient des Kristalls 2 ist.

Der dem Wert E_m auf der Kurve £ entsprechende Wert von «_m ist negativ, so daß P bei diesem negativer Wert größer ist als Po. Hat das elektrische Feld feinen größeren Wert als £"_m so liegt die Richtung des maximalen Gewinns der Schallwelle nicht mehr in Richtung des elektrischen Feldes £, sondern in Richtung E_n* Wächst das elektrische Feld über den Wert E-, so liegt der maximale Gewinn der Schallwelle in Richtung von E_m— £cos Θ. Da die Schall-Verluste einen kleinsten Wert <xm haben, der für einen bestimmten Wert des elektrischen Feldes eintritt, und zwar für den Wert E_n wird bei Anwachsen des angelegten elektrischen Feldes über E_n, der kleinste Verlust nicht mehr in Richtung des elektrischen Feldes, sondern in Richtung θ liegen, wobei

E cos θ = E_n,

ist. Bei Vergrößerung des Wertes £muß der Wert von 6 wachsen, damit E_n, konstant bleibt. Diese sich ändernden Werte von θ bestimmen somit die Drehung des ursprünglichen Laserstrahls 20 durch die durch ihr erzeug-e Schallwelle. In Fig. 4 werden verschiedene Werte von θ für verschiedene Werte £wiedergegeben.

Bei der vorliegenden Erfindung wird von zwei Gewinn- bzw. V^rstärkungsuriachen Gebrauch gemacht. Durch die Ausnutzung der stimulierten Brillouin-Streuung wird eine Schallwelle erzeugt, 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 beruhen de 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 F i g. 2 dargestellten Anordnung betragen die Steuerwerte für eine Ablenkanordnung mit einem piezoelektrischen Halbleiterkörper 2 von 1 cm³ jeweils 1500V 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 1200V kontinuierlich verändert werden können. Bei derartigen Anordnungen kann ein Ablenkwinkel von θ von etwa 4,8° verwirklicht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahls in einem durchsichtigen piezoelektrischen, einkristallinen Halbleiterkörper durch Verändern eines am Halbleiterkörper anliegenden elektrischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den vom Lichtstrahl (20) durchsetzten Halbleiterkörper (2) eine Laserstrahlung einer solchen Strahlungsdichte einwirken IaBt, daß eine eine stimulierte Brillouinstreuung bewirkende Schallwelle erzeugt wird, und daß durch Änderung der Richtung und/oder der Stärke des anliegenden elektrischen Feldes die Richtung der maximalen Verstärkung der Schallwelle und der an ihr gestreuten Lichtwelle im Halbleiterkörper geändert wird.

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. Vorrichtung zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahls zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen durchsichtigen, piezoelektrischen, einkristallinen Halbleiterkörper (2) mit jeweils mehreren, an gegenüberliegenden Flächen (10, 12) beiderseits des abzulenkenden Strahles

angeordneten Elektrolyten (BA bis 8Fund 12/1 bis \2F% jeweils zwischen den auf einer Seite angeordneten Elektroden befindlichen Spannungsteilern (6A bis 6£und 1OA bis iQE) und je einer mit den Enden der Spannungsteilerkette verbundenen Spannungsquelle (14, 16) sowie durch eine zwischen diesen beiden Stromkreisen liegende veränderbare Spannungsquelle (18).

5. Vorrichtung zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahles zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen durchsichtigen, piezoelektrischen, einkristallinen Halbleiterkörper (2) mit jeweils mehreren, an gegenüberliegenden Flächen (10, 12) beiderseits des abzulenkenden Strahls angeordneten Elektroden (SA bis SF und t2A bis 12F) und jeweils zwischen den auf einer Seite angeordneten Elektroden befindlichen Spannungsteilern (6Λ bis 6£"und 10Λ bis XQE), und durch je eine mit den Enden der Spannungsteilerkette verbundene, veränderliche Spannungsquelle (14,16).

6. Vorrichtung zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahls nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus CdS besteht.

7. Vorrichtung zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahls nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper^) aus ZnS besteht

8. Vorrichtung zum Steuern der Ablenkung eines monochromatischen Lichtstrahls nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus ZnO besteht.