DE2253913A1 - Akustische lichtablenkeinrichtung - Google Patents

Description

RCA 65 117 3.November 1972

U.S.Ser.No. 196,046 74 57-72 Dr.v.B/E

Filed: November 5, 1971

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Akustische Lichtablenkeinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine akustische Einrichtung zum Ablenken eines Lichtbündels mit einem akustischoptischen Medium, das in einem vom Lichtbündel durchlaufenen Strahlengang angeordnet ist, und mit mehreren elektromechanischen Wandlern, die mit einer Oberfläche des Mediums in Berührung stehen.

Eine bekannte akustische Lichtablenkeinrichtung enthält ein akustisch-optisches Medium, wie Glas oder Bleimolybdat, das im Strahlengang eines von einem Laser erzeugten Lichtbündels angeordnet ist. Auf der einen Seite des akustischoptischen Mediums ist ein elektromechanischer Wandler angeordnet, um eine mechanische Spannungswelle zu erzeugen, die sich durch das Medium ausbreitet und in diesem eine Art i?on Beugungsgittern erzeugt. Das Lichtbündel wird durch dieses Beugungsgitter gebeugt, und der Winkel zwischen dem ungebeugten Bündel und dem gebeugten oder Ausgangs1ichtbündel hängt von der Periode der mechanischen Spannungswelle (akustischen Welle) ab, also letztlich von der Frequenz des dem elektromechanischen

309819/0872

Wandler zugeführten elektrischen Signals.

Nachteilig an den bekannten akustischen Lichtablenkeinrichtungen ist ihr sehr begrenzter Ablenkbereich. Die vom ankommenden Lichtbündel gebeugte Lichtmenge ist nämlich nur dann maximal, wenn das ankommende Lichtbündel genau im Bragg-Winkel zur Ausbreitungsrichtung der das Beugungsgitter bildenden akustischen Schwingung im akustisch-optischen Medium bildet. Wenn die Schallfrequenz erhöht wird, um den Ablenkwinkel des gebeugten Lichtes zu vergrößern, nimmt der Anteil des gebeugten Lichtes ab, da das ankommende Licht bei größeren Ablenkwinkeln unter einem anderen Winkel einfallen müßte, um der Bragg -Bedingung zu genügen. Der Winkelbereich, in den ein Lichtbündel gebeugt (abgelenkt) werden kann, ist daher bei den bekannten Einrichtungen auf einen Bereich von etwa 5 Milliradian begrenzt, wenn ein vernünftiger Beugungswirkungsgrad gewährleistet sein soll.

Es ist jedoch auch schon bekannt, daß der Ablenkbereich dadurch vergrößert werden kann, daß man die Ausbreitungsrichtung der Schallenergie im akustisch-optischen Medium mit der Frequenz des dem Wandler zugeführten elektrischen Stg-r nales ändert. Eine Einrichtung, bei der die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle so geändert wird, daß sie für die verschiedenen Ablenkrichtungen jeweils der Bragg-Bedingung genügt, ist aus der US-PS 3 502 879 bekannt. Diese Ablenkeinrichtung enthält mehrere Wandler, die in einer Reihe angeordnet sind und mit einer Oberfläche des akustisch^optischen Mediums in Berührung stehen. Bei Änderungen der Signalfrequenz kann die Ausbreitungsrichtung der akustischen Schwingungen durch Änderung der Phasenbeziehungen der den verschiedenen Wandlern zugeführten elektrischen Signale um einen vorgegebenen Betrag geändert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-3098 19/0872

grunde, akustische Lichtablenkeinrichtungen der oben angegebenen Art hinsichtlich des erzielbaren Ablenkbereiches weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine akustische Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst/ die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wandler entsprechende leitende Dünnschichtelektroden, die in einer ersten Reihe angeordnet sind und mit einer Oberfläche des Mediums in innigem" Kontakt stehen, ferner ein piezoelektrisches Kristallplättchen, dessen eine Seite mit den Dünnschichtelektroden verbunden ist, und weiterhin eine zweite Reihe von Elektroden, die mit einer der genannten Seite entgegengesetzten Seite des Kristallplättchens verbunden sind, enthalten und daß die Elektroden der ersten Reihe bezüglich der der zweiten Reihe gestaffelt und sie überlappend angeordnet sind. ·

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und im folgenden erläutert.

Der Erfindungsgedanke und seine Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer akustischen Lichtablenkeinrichtung mit gegenüber entsprechenden bekannten Einrichtungen vergrößertem Ablenkbereich, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles de.s Wandlers der Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 Diagramme, auf die zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1 Bezug genommen werden wird.

309819/0872

Die in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Einrichtung enthält ein akustisch-optisches Medium 10, das aus Hasser, Glas, Quarz oder irgend einem anderen geeigneten photoelastischen Material bestehen kann, das für das abzulenkende Licht durchlässig ist und eine effektive Ausbreitung von akustischen Schwingungen oder Spannungswellen gewährleistet. Ein Ende des Mediums 10 ist mit einer elektromechanischen Wandleranordnung 12 versehen, um Schallschwingungen zu erzeugen, die sich durch das Medium 10 zu einem akustischen Abschluß 13 durchlaufen. Die Wandleranordnung 12 besteht aus einer ersten Reihe diskreter Elektroden 14, 15, 16 und 17, einem piezoelektrischen Plättchen 20 und einer zweiten Reihe diskreter Elektroden 22, 23 und 24. Die Endelektroden 14 und 17 sind durch Leitungen 26 und 27 mit einer frequenzveränderlichen elektrischen Spannungsquelle 28 verbunden.

Die erste Reihe von Elektroden 14, 15, 16 und ist bezüglich der zweiten Reihe von Elektroden 22, 23 und 24 gestaffelt und sie überlappend angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine Reihenanordnung von effektiv diskreten Wandlerelementen, die jeweils aus überlappenden Teilen von Elektroden der ersten und zweiten Reihe sowie dem dazwischen liegenden Volumen des z.B. aus einem Kristall bestehenden piezoelektrischen Plättchens 20 bestehen. Z.B. bilden die überlappenden Teile der Elektroden 14 und 22 ein'erstes Wandlerelement 30. Die überlappenden Teile der Elektroden 50 und 22 bilden ein zweites Wandlerelement 31. Wenn die Endelektroden 14 und 17 mit der Spannungsquelle 28 verbunden sind, wird jedes zweite Wandlerelement 30 in einer räumlichen Phase und die dazwischen liegenden Wandlerelemente 31 in der entgegengesetzten Phase erregt. Bei einem bestimmten Momentanwert der Wechselspannung kann z.B. also das elektrische Feld in den Wandlerelementen 30 in der Zeichnung nach unten gerichtet sein, während dann gleichzeitig das elektrische Feld in den dazwischenliegenden Wandlerelementen 31 nach oben gerichtet ist. Die Schallwellen 38 breiten sich daher durch das Medium 10 in einer Richtung

30981 9/0872

aus, deren Winkel von der Frequenz der von der Spannungsquelle 28 erzeugten Spannung abhängt.

Bei der Herstellung der am einen Ende des akustisch-optischen Mediums 10 angeordneten Mehrelement-Wandleranordnung 12 kann man folgendermaßen vorgehen: Man stellt ein großes Plättchen 20 aus einem Stück eines piezoelektrischen Kristalls, z.B. Lithiumniobat, mit einer glatt geläppten Oberfläche her, die auf eine glatt geläppte Endfläche des akustischoptischen Mediums paßt. Das Medium 10 und das Plättchen 20 werden dann mit ausgerichteten Masken, die die gewünschte erste Reihe von Elektroden 14 bis 17 definieren, in einer Vakuumkammer angeordnet. Die einander zugeordneten Flächen werden beide mit Gold und Chrom in einer Dicke von wenigen tausend Angström-Einheiten metallisiert und dann mit einer etwa gleich dicken Indiumschicht überzogen. Nun werden das Medium 10 und das aus dem piezoelektrischen Kristall bestehende Plättchen 20 miteinander verbunden, indem man die mit Indium überzogenen Oberflächen im Vakuum für einige Minuten mit einer Kraft von etwa 280

2
bis 350 kp/cm zusammendrückt. Auf diese Weise wird also die erste Reihe von Elektroden der Mehrelement-Wandleranordnung 12 und eine gut schallübertragende Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Material und dem akustischen Medium gebildet. Das am Medium angebrachte piezoelektrische Material kann dann durch Schleifen und Läppen auf eine gewünschte Dicke entsprechend den vorgesehenen Schallschwingungsfrequenzen gebracht werden. Für Frequenzen in der Größen-Ordnung von 150 MHz kann die Dicke etwa 25 ym betragen.

Nachdem die endgültige Dicke des piezoelektrischen Plättchens erreicht ist, wird die zweite Reihe von Elektroden 22, 23 und 24 in versetzter Anordnung bezüglich der ersten Reihe von Elektroden, wie dargestellt, durch Metallisierung auf der freiliegenden Oberfläche gebildet. An den Endelektroden werden dann durch Löten, Silberpaste oder Druckverbindung Drähte angebracht,, die die Leitung in 26 und 27 bilden.

3098 1 9/0872

Die Abmessungen der Mehrelement-Wandleranordnung werden so bemessen, daß Gleichlauf zv/ischen dem Winkel der Ausbreitungsrichtung des einen aus den Schallwellen 38 bestehenden Bündels erster Ordnung im Medium 10 und dem Winkel zwischen dem ankommenden Lichtbündel und dem Schallwellenbündel, der für die Erfüllung der Bragg-Bedingung und eine wirksame Ablenkung in einem großen Bereich von Lichtbündelablenkv/inkeln erforderlich ist, gewährleistet wird. Zu Beginn wird eine Bragg-Bezugsfrequenz f festgesetzt, bei der der Gleichlauf mit dem SiaLlwellenbündel beginnen soll. Durch diese Bragg-Bezugsfrequenz v/ird der Einrichtwinkel α= γ- f bestimmt, wobei λ die Wellenlänge des Lichts und ν die Schallgeschwindigkeit im akustisch-optischen Medium sind. Die Dicke des Wandlers bzw. Kristallplättchens wird so gewählt, daß seine Resonanz bei einer Frequenz f. , die größer als f ist, liegt. Die Abmessung d (Fig. 2) jedes Paares von Wandlerelementen ist durch die Formel

f -f

gegeben, wobei λ = v/f die Schallwellenlänge im akustischoptischen Medium bei der Bezugsfrequenz ist.

Der Ablenkwinkelbereich U in Radian ist bei dispersionslosen Verhältnissen durch die Formel

gegeben, wobei w die Länge der Reihe von Wandlerelementen ist, Je kleiner die Länge w ist, umso größer ist der

3098 1 9/0872

Winkelbereich und umso kleiner ist aber auch der Wirkungsgrad der Lichtbeugung. Es ist zweckmäßig, \i so zu wählen, daß sich ein Wirkungsgrad von etwa 50% ergibt. Für eine hochfrequente Steuerleistung in der Größenordnung von 0,5 bis 1 Watt im Frequenzbereich zwischen 60 und 500 MHz kann w im Bereich von 6 bis 12 mm liegen.

Im Betrieb der Einrichtung gemäß Fig. 1 läßt man ein ankommendes Lichtbündel, z.B. von einem nichtdargestellten Laser, längs eines Strahlenganges 34 durch das akustisch-optische Medium 10 fallen, aus dem das Lichtbündel normalerweise längs eines Strahleng?mges 36 "nullter Ordnung" austritt. Wenn die Spannungsquelle 68 ein Signal vorgegebener Frequenz über die Leitungen 26 und 27 an die Elektroden 14 und 17 der Wandler anordnuxj 12 liefert, erzeugt die Wandleranordnung akustische Schwingungen, die sich durch das akustisch-optische Medium 10 zum Abschluß 13 ausbreiten. Die das Medium 10 durchlaufenden Schallschwingungen 38 sind in Fig. 1 durch parallele Linien dargestellt, die Wellenfronten lioher mechanischer Spannuna zu einem vorgegebenen Zeitpunkt entsprechen. Die dargestellten Schallschwingunqen haben eine solche Äusbreitungsrichtung, daß die sich ausbreitenden Wellenfronten parallel zu einer Bezugsgeraden 40 verlaufen.

Der Strahlengang 34 des ankommenden Lichtbündels bildet bei der Darstellung in Fig. 1 den Winkel α mit der Bezugsgeraden 40, wobei der. Winkel α der Bragg-Winkel ist, bei dem sich ein Maximum an Beugung erster Ordnung ergibt. Das gebeugte Ausgangslxchtbündel erster Ordnung verläuft längs eines Stralileng^nges 42, der einen Winkel β mit der Bezugsgeradeh bildet. Der Winkel 3 ist gleich dem Braggwinkel ά. Solange also die Wandleranordnung 20 durch die Spannungsquelle 28 nicht erregt wird, verläuft das ankommende Lichtbündel 34 längs des -~rahlenganges 36 nullter Ordnung. Wenn jedoch die Handleranorar-m-r 20 mit einer Spannung vorgegebener Frequenz von der

309819/0872

Spannungsauelle 28 erregt wird, wird das längs des Strahlenganges 34 ankommende Lichtbündel auf dem Strahlengang 36 nullter Ordnung in den Strahlengang 42 erster Ordnung und weitere Ausgangsstrahlengänge höherer Ordnung, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, gebeugt. Das Kippen der Richtung der Schallausbreitung im akustisch-optischen Medium IO wird durch die Auslöschung und Verstärkung der von den einzelnen Wandlerelementen 30, 31 abgestrahlten Schallwellen bewirkt.

Im folgenden wird nun auf das Diagramm gemäß Fig. 3 Bezug genommen, in dem die Richtungen der sich im akustischoptischen Medium 10 ausbreitenden Schallwellen in Polarkoordinaten angegeben sind. Die Amplitude und Richtung der Schallwellen 38 in Fig. 1 sind in Fig. 3 durch das gleiche Bezügszeichen bezeichnet. Das aus den Schallwellen 38 bestehende Bündel erster Ordnung bildet in Fig. 3 einen Winkel φ. mit der Bezugsrichtung 44 des Schallwellenbündels nullter Ordnung. Ein zweites, nicht benutztes Schallwellenbündel erster Ordnung ist bei 46 dargestellt. Das im Strahlengang 34 verlaufende ankommende Lichtbündel wird durch das aus den Schallwellen 38 bestehende Schallwellenbündel erster Ordnung gebeut, wobei ein längs des Strahlenganges 42 verlaufendes gebeugtes Ausgangslictfcbündel erster Ordnung entsteht. Das ankommende Lichtbündel im Strahlengang 34 bildet den Winkel α_χ mit der Bezugsgeraden 40, die die Richtung der Wellenfronten der Schallwellen 38 darstellt. Der Strahlengang 42 des gebeugten Ausgangslichtbündels bildet den Winkel 3. mit der Bezugsgeraden 40, wobei S₁ gleich dem Bragg-Winkel α. ist. Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die Arbeitsweise der Lichtablenkeinrichtung gemäß Fig. 1 für den Fall, daß die Spannungsquelle 28 eine Spannung vorgegebener Frequenz f. liefert, die einen Ablenkweinkel e^ erzeugt.

Das Diagramm gemäß Fig. 4 entspricht dem der Fig. 3 und zeigt die Arbeitsweise der Lichtablenkeinrichtung gemäß Fig. 1, wenn die Spannungsquelle 28 eine Spannung höherer Fre-

30981 9/0872

quenz f₂ liefert, um das längs des Strahlenganges 34 ankommende Lichtbündel um einen größeren Winkel e₂ abzulenken. Die Frequenz der von der Spannungsquelle 28 gelieferten Spannung kann innerhalb einer Oktave, z.B. zwischen 100 und 2ßO MHz veränderbar sein. Bei Fig. 4 bildet der Strahlengang 34 des ankommenden Lichtbündels den gleichen Winkel C mit einer Basisbezugslinie wie bei Fig. 3. In Fig. 4 hat die höhere Frequenz f₂ der Spannung von der Spannungsquelle 28 zur Folge, daß das Schallwellenbündel 38' erster Ordnung im Medium 10 einen Winkel Θ- mit der Bezugsgeraden 44 bildet, der kleiner ist als der sich bei der Frequenz f, ergebende Winkel φ, in Fig. 3. Wegen der anderen Richtung des Schallwellenbündels 38' bilden die zu einer Bezugslinie 40' parallelen Wellenfronten einen Winkel α mit dem Strahlengang 34 des ankommenden Lichtbündels, der größer ist als der Winkel al in Fig. 3. Dieser größere Winkel a₂ in Fig. ist der Bragg-Winkel, der erforderlich ist, um das Ausgangslichtbündel 42' mit gutem Wirkungsgrad um einen größeren Ablenkwinkel e₂ als der Ablenkwinkel e_x in Fig. 3 zu beugen. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Winkel sind zwar für die Erläuterung stark übertrieben, der Bereich der Ablenkwinkel der Ausgangslichtbündel zwischen den Winkeln e, und e₂ ist jedoch bei der vorliegenden Einrichtung viel größer als bei einer Lichtablenkeinrichtung ohne die Mehrelement-Wandleranordnung 12.

Die Mehrelement-Wandleranordnung 12 ist so konstruiert, daß das Schallwellenbündel erster Ordnung, das sich durch das Medium 10 ausbreitet, jeweils Richtungen folgt, die denjenigen Richtungen entsprechen, die für die Erfüllung der Bragg-Bedingung und damit für eine wirkungsvolle Ablenkung des Lichtbündels in einem Ausgangslichtbündel-Winkelbereich zwischen ej und e₂ erfordrlich sind. Der Mit- oder Gleichlauf wird durch die beschriebene Konstruktion gewährMstet, die bewirkt, daß sich der Schallwellenbeugungswinkel φ mit der gleichen Geschwindigkeit ändert, wie der Bragg-Winkel α bei der

30 9819/0872

sich eine Lichtbeugung mit gutem Wirkungsgrad ergibt. Die Konstruktion ist sehr effektiv, da das Bündel nullter Ordnung und die Bündel geradzahliger höherer Ordnungen unterdrückt werden und etwa 82% der Energie des ankommenden Bündels auf die Bündel erster Ordnung"konzentriert werden. Dies bedeutet, daß das verwendete Bündel erster Ordnung etwa 41% der ankommenden Lichtenergie enthält. Die beschriebene Konstuktion hat ferner den Vorteil, daß die Intensität des Lichtbündels erster Ordnung konstant bleibt, wenn der Ablenkwinkel durch Änderung der Frequenz der Spannungsquelle 28 geändert wird.

3098 1 9/0872

Claims (3)

1. Patentansprüche

   1!Akustische Einrichtung zum Ablenken eines Lichtbündels mit einem akustisch-optischen Medium, das in dem vom Lichtbündel durchlaufenen Strahlengang angeordnet ist, und mit mehreren elektromechanischen Wandlern, die mit einer Oberfläche des Mediums in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (30, 31) entsprechende leitende Dünnschichtelektroden (14 bis 17), die in einer ersten Reihe angeordnet sind und mit einer Oberfläche des Mediums (10) in innigem Kontakt stehen, ein piezoelektrisches Kristallplättchen (20), dessen eine Seite mit den Dünnschicht-Elektroden verbunden ist, und weiterhin eine zweite Reihe von Elektroden (22 bis 24), die mit einer der genannten Seite entgegengesetzten Seite des Kristallplättchens verbunden sind, enthalten und daß die Elektroden (14 bis 17) der ersten Reihe bezüglich der Elektroden (22 bis 24) der zweiten Reihe gestaffelt und sie überlappend angeordnet sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, . daß die überlappenden Teile der Elektroden (14 bis 17; 22 bis 24) der ersten und zweiten Reihe sowie der zwischen ihnen liegende piezoelektrische Kristall effektiv eine Mehrzahl individueller Wandlerelemente (30,31) bilden und daß eine Anordnung (26, 27) vorgesehen ist, um die jeweils am Ende befindlichen Elektroden (14, 17) mit einer frequenz veränderlichen Spannungsquelle; (28) zu verbinden, so daß ein über das andere Wandlerelement (30) in einer räumlichen Phase und die dazwischenliegenden Wandlerelernente (31) in der entgegengesetzten Phase erregt werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch

   gekennz eichnet, daß die Wandlerelemente (30, 31) so bemessen sind, daß die Ausbreitungsrichtung eines Schall-".rcllenbündels erster Ordnung im Medium (10) sich mit der Fre-

   309 8 19/087 2

   quenz der Spannungsquelle (28) derart ändert, daß sie fortlaufend mit Richtung übereinstimmt, die in einem^usgedehnten Bereich von Lichtablenkwinkeln eine Erfüllung der Bragg-Bedingung und eine effiziente Ablenkung des Lichtbündels gewährleistet.

   309819/0872

   Leerseite