DE2158286A1 - Akustooptischer Lichtmodulator - Google Patents

Description

Akustooptischer Lichtmodulator

Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Lichtmodulator.

Es ist bisher wenig bekannt über die Lösung des schwieri- f

gen Problems der schnellen Modulation von Licht. Eine
derartige Modulation ist erförderlich sowohl für Signalzwecke als auch für das Q-Schalten von Lasern, Man hat sich bisher auf die Verwendung von Kristallen unter Ausnutzung eines elektrooptischen Effekts oder auf die Verwendung von Drehprismen zum Q-Schalten beschränkt. Dreh-

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prismen sind deutlich in ihrer erreichbaren Drehzahl beschränkt, so daß es nicht möglich ist, sie für eine schnelle Lichtmodulation durch ein Signal einzusetzen.

Es sind bereits Lichtmodulatoren entwickelt worden, die aus einer piezoelektrischen Einrichtung bestehen, die auf einem geschmolzenen Quarzblock montiert ist. Derartige Modulatoren haben verschiedene Nachteile, insbesondere einen geringen Wirkungsgrad.

Durch die Erfindung wird ein Lichtmodulator angegeben, der aufweist einen dichten Flintglasblock mit mindestens einem von ihm getragenen piezoelektrischen Signaloder Meßumformer und eine Einrichtung zur Erregung des piezoelektrischen Signalumformers mit Hochfrequenz, so daß im Glas ein Bündel von akustischen oder .Schallwellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts erzeugt wird, wodurch Brechungsindexänderungen mit der Periodizität der Schallwelle von einem solchen Betrag entstehen, daß Licht durch die Brechungsindexänderungen, gebeugt werden kann.

Erfindungsgemäß ist ein Glas mit großem Brechungsindex notwendig. Der Wirkungsgrad wird dann beträchtlich gegenüber dem bisher mit geschmolzenem Quarz erhaltenen erhöht; z.B. kann mit besonders dichtem Flintglas die erforderliche Schalleistung um eine Zehnerpotenz verringert werden. Derartige Glassorten haben einen hohen Schallwiderstand und sind daher besser akustisch hochleistungsfähigen Signalumformerwerkstoffen angepaßt. . Diese Glassorten ergeben einen Beugungswirkungsgrad, der bedeutend geringer von der Polarisation des Lichtbündels als im Fall von Quarz abhängt.

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Die Erfindung benötigt auch Signalumformer von hoher Schallimpedanz und hohem Kopplungskoeffizienten, um eine leistungsfähigere Umsetzung von elektrischer in Schallenergie zu erreichen. Derartige Signalumformer sind mit integrierten Schaltungen verträglich, wenn die Leistungsaufnahme gering ist. Typische Werkstoffe für derartige Signalumformer sind Bleizirkon(o)-Titanate, Lithiumniobat und Wolframbronze-Ferroelektrika. Vorzugsweise werden die * Signalumformer mit dem Glas durch Gold- und Indiumschichten von solchen Abmessungen anhaftend verbunden, daß die Gesamtschallbandbreite der Einrichtung hoch ist, so daß ein schnelles Lichtmodulieren und -schalten erreicht werden kann. "

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den optischen Weg zu verkürzen und die Schallwellenlänge so weit zu erhöhen, daß die Beugung durch die Raman-Nath-Theorie anstatt nach Bragg beschrieben werden kann. In diesem Fall findet eine Beugung, in viele Ordnungen mit einem hohen Wirkungsgrad der Modulation des ungebeugten Bündels statt. Auch dies verringert die Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung der Schallwellen in bezug auf das Lichtbündel.

■Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. |

Es zeigt: , ■ .

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen akustooptischen Q-Schalter gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Q-Schalters;

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Pig.3 einen Querschnitt in Draufsicht eines Lasers mit dem Q-Schalter gemäß Fig. 1; und

Pig. 4a das Schaltbild einer Ansteuerschaltung für den Q-Schalter von Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein insgesamt rechteckiger Block 1 aus dichtem Flintglas wie SP6/SF4-Schottglas auf die Abmessungen 41 * 7 * 9 mm zugeschnitten. Die beiden kleinsten Flächen 3 und 5 sind eben und parallel poliert, um optische Fenster zu bilden. Vier Bleizirkono-Titanat-Slgnalumformer 7, 9, 11, 13, die jeweils die Abmessungen 9 · 2,7 · 0,1 mm haben, sind entlang einer Schmalseite 15 des Blocks unter Verwendung von Gold- und Indiumschichten zur anhaftenden Verbindung angeordnet. Die

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Fläche/gegenüber der Fläche 15 ist etwas gegen die Fläche 15 geneigt, damit die durch die Signalumformer Y, 9> H und 13 erzeugten Schallwellen nicht in derselben^re-^tuns flektiert werden, in der sie ausgesendet wurden. Das vermeidet die Entstehung einer Stehwellenverteilung, die eine unerwünschte Beugung bewirken würde.

Die Signalumformer 7* 9* H und 13 sind in Reihe in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung geschaltet. Diese Schaltung ermöglicht die Erregung der Signalumformer 1,9» 11 und 13 mit Hochfrequenz bei einer Gesamtleistung von 250 mW.

Der Q-Schalter arbeitet wie folgt. Wenn die Signalumformer 7* 9> il und 13 mit Hochfrequenz erregt werden, breiten sich vier Bündel von Schallwellen im Glas aus (ein Bündel von jedem Signalumformer). Der spezielle Typ

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des Signalumformers und die Dichte des Glases sind so gewählt, daß sie eine gute gegenseitige Anpassung ergeben. Die Bündel der Schallwellen verursachen dann Brechungsindexänderungen mit der Periodizität der Schallwelle, und zwar von einem solchen Betrag, daß Licht, das in den Block 1 in Richtung senkrecht zu einer der kleinsten Flächen 3* 5 eintritt, durch die Brechungsindexänderungen gebeugt wird.

Die Schaltgeschwindigkeit des Q-Schalters hängt unter anderem von der Durchlaufzeit der Schallwelle durch das optische Bündel ab. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen und einen symmetrischeren Einfluß auf das Bündel auszuüben,kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, eine verbesserte Geometrie wie in Fig. 2 gezeigt zu benutzen, wo der Querschnitt eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Q-Schalters zu sehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat ein Prisma 21 aus dichtem Flintglas einen Querschnitt in Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die beiden (nicht gezeigten) Endflächen sind eben und parallel poliert, um optische Fenster zu bilden. Die drei Seitenflächen 23, 25 und 27 tragen jeweils mindestens einen Bleizlrkono-Titanat-Signalumformer 29, 351 bzw. 33· An den zu den Flächen 23, 25, entgegengesetzten Kanten 35, 37 bzw. 39 sind akustische Absorber oder Dämpfungsglieder 41, 43 bzw, 45 montiert. Ansonsten ist das Ausführungsbeispiel von Flg. 2 identisch mit dem von Flg. 1.

Der Betrieb des Q-Schalters stimmt mit dem des Q-Schalters von Flg. 1 bis auf die Ausnahme überein, daß in diesem Fall Schallwellen Im Block entlang drei verschiedenen

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Linien oder Richtungen sich ausbreiten.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht in Draufsicht eines Lasers mit dem Q-Schalter von Pig, 1. Ein mit Neodym dotierter Yttriumaluminiuragranat-Laserstab 51 ist auf einer Brennlinie eines hohlelliptischen reflektierenden Hohlraums 53 mit einer Lampe 55 auf der anderen Brennlinie montiert. Der Stab 51 liegt in Reihe mit einem Q-Schalter 57 zwischen zwei Spiegeln 59 und 61, von denen der Spiegel 61 halbdurchlässig ist.

Der Laser arbeitet wie folgt» Bei Einspeisung von Hochfrequenzenergie in den Q-Schalter 57 hat der Laserresonanzraum, der durch die Spiegel 59 und 61 begrenzt ist, keine so große Verstärkung, daß der Laser einen Lichtimpuls emittieren könnte. Daher wird durch die Energie von der Lampe 55 der Laserstab 51 weiter gepumpt. Sobald die Hochfrequenzenergie vom Q-Schalter abgeschaltet wird, wird er ein guter Lichtsender, und der Laser kann einen Lichtimpuls emittieren. Ein derartiger Lichtimpuls hat eine hohe Energie wegen des zusätzlichen Pumpens durch die Lampe 55 während der Zeit, als der Q-Schalter 57 erregt war.

Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer Ansteuerschaltung für den Q-Schalter von Pig. 1. Eine übliche Einheit 71 aus einem frei schwingenden Multivibrator und einem Verstärker in integrierter Schaltungsbauweise hat zwei übliche integrierte Schaltungen SN741ON und SN74H00N einschließlich ihrer Verbindungen und Stromversorgungen. Ein Anschluß TP ermöglicht das Unterbrechen der Schwingun-

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gen durch Anlegen einer geeigneten Spannung. Die Multivibrator/Verstärker-Einheit 71 wird durch eine Frequenzabstiiranschaltung 73 gesteuert und beaufschlagt die Basis eines BFY50-npn-Transistors Jl über einen 1000 pF-Kondensator Cl. Die Basis des Transistors Jl ist für eine + 9 V-Stromversorgung über einen 3*3 kJl-Widerstand Rl vorgespannt, während sein Emitter geerdet ist.

Die vier in Reihe geschalteten Signalumformer 7* 9> 11 und 13 in Fig. 1 (in Fig. 4 durch ein Bauelement T angedeutet) sind durch eine 0,5 /UH-Spule Ll überbrückt, um ihre große kapazitive Reaktanz auszuglei- f chen. Die Gesamtimpedanz der Kombination ist dann weitgehend ohmisch und beträgt etwa 10051. Die Parallelkombination Ll, T ist zwischen den Kollektor des Transistors Jl und einen Anschluß einer 3 /uH-Spule L2 geschaltet, deren anderer Anschluß mit der + 9 V-Stromversorgung verbunden ist. Der zur + 9 V-Stromversorgung entgegengesetzte Anschluß der Spule L2 ist über einen 0,01 /UF-Koridensator C2 geerdet.

Eine geregelte 5,5 V-Stromversorgung wird vom Emitter eines BFY50-npn-Transistors J2 erhalten, dessen Kollek-

tor mit der + 9 V-Stromversorgung und dessen Basis g

mit Erde über eine in Sperrichtung vorgespannte CV7070-Diode Dl und mit der + 9 V-Stromversorgung über einen 220.Ω--Widerstand R2 verbunden ist.

Die Schaltung von Fig. 4 arbeitet wie folgt. Die Multivibrator/Verstärker-Einheit 71 kann frei mit der

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Frequenz schwingen, die durch die Frequenzabstimmschaltung 73 bestimmt ist, und die erzeugten Schwingungen werden durch den Transistor Jl weiter verstärkt. Auf diese Weise werden die Signalumformer ¹J, 9* H und 13 von Fig. 1 erregt. Ein in den Anschluß TPl eingespeister Steuerimpuls hält (kurzzeitig) den MuI-tivibrator an und ermöglicht das Zünden des Lasers.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.7Lichtmodulator rait einem Block aus transparentem Werkstoff, der mindestens einen piezoelektrischen Signalumformer trägt, und mit einer Einrichtung zur. Erregung des piezoelektrischen Signalumformers mit Hochfrequenz, so daß im transparenten Merkstoff ein Bündel von Schallwellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts erzeugt wird, wodurch Brechungsindexänderungen mit der Periodizität der Schallwellen und von einem solchen Betrag auftreten, daß Licht durch ä

die Brechungsindexänderungen streubar 1st, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Werkstoff dichtes Flintglas ist.

2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Signalumformer eine · hohe Schallimpedanz und einen hohen Kopplungskoeffizienten hat.

3· Lichtmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des piezoelektrischen Signaluraformers ein Bleizirkono-Titanat, Lithiumniobat oder ein Wolframbronze-Perroelektrikum ist.

4. Lichtmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasblock (1) zwei planparallele gegenüberliegende Flächen (J, 4) hat, die einen optischen Weg begrenzen, eine dritte Fläche (15), von der die piezoelektrischen Signalum-

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former (7, 9, H, Ij5) getragen sind, und keine Fläche, die parallel zu der dritten Flachen dieser gegenüberliegt.

5· Lichtmodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasblock (1) ein trapezförmiges Prisma ist, von dem die parallelen Seiten (3, 5) des Querschnittstrapezes die beiden planparallelen, gegenüberliegenden Flächen bilden.

6. Lichtmodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ölasblock (1) ein Dreieckprisma (21) mit planparallelen Enden ist (Fig. 2).

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