DE2729890A1

DE2729890A1 - Magnetooptischer ablenker

Info

Publication number: DE2729890A1
Application number: DE19772729890
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Castera; Bernard Desormiere; Georges Hepner
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-07-01
Publication date: 1978-02-09
Also published as: US4143939A; FR2356965B1; FR2356965A1; GB1543485A

Description

Patentanwälte λ.

Dipl -Ing CNpI -Chem Dipl -Ing

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser O 7 ? Q R Q η

tinsbergerslrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 1. Juli 1977

173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 2223

Magnetooptischer Ablenker

Die Erfindung betrifft magnetooptische Ablenker, mittels welchen ein einfallendes Strahlungsenergiebündel unter der Steuerung eines magnetischen Feldes in veränderlicher Weise abgelenkt werden kann. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere in Weitübertragungsanlagen, in denen optische Kreise benutzt werden, von Nutzen.

Es ist bekannt, eine dünne Schicht von gewissen magnetischen Materialien, beispielsweise von Granaten, zu benutzen, um ein Beugungsgitter zu schaffen, das in der Lage ist, ein Lichtbündel abzulenken. Eine solche dünne Schicht kann nämlich in Form von Domänen in parallelen dünnen Streifen

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magnetisiert werden, deren Magnetisierung eine Komponente aufweist, die zu der Schicht senkrecht ist und deren Richtung von einem Streifen zum angrenzenden Streifen abwechselnd verschieden ist. Da das benutzte Material einen Faraday-Effekt aufweist, verhält sich diese Schicht gegenüber einem Bündel polarisierten monochromatischen Lichtes wie ein Beugungsgitter. Ein solches Gitter ist insbesondere in der FR-PS 2 079 014 beschrieben.

Es ist dann versucht worden, diese Vorrichtung zu benutzen, um einen optischen Schalter zu schaffen, wie er beispielsweise in der FR-OS 75.14 873 vorgeschlagen ist. Der Wirkungsgrad eines solchen Schalters ist jedoch ziemlich mäßig, denn der Faraday-Effekt wirkt sich auf das Lichtbündel nur auf einer kleinen Strecke (Dicke der Schicht) aus, wodurch die Drehung der Polarisationsebene und somit der Gesamtwirkungsgrad auf einen kleinen Wert begrenzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetische dünne Schicht zu benutzen, um einen magnetooptischen Ablenker zu schaffen, indem man sie auf ein Strahlungsenergiebündel einwirken läßt, das sich in der Ebene dieser Schicht gerichtet fortpflanzt.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

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Fig. 1 eine beugende magnetische Schicht, und

die Fig. 2a und 2b eine Schnittansicht und eine Draufsicht

auf einen magnetooptischen Ablenker.

Die Erfinder haben festgestellt, daß eine dünne Schicht eines gadoliniutn-und galliumsubstituierten Yttriumeisengranats (YIG), die durch epitaxiales Aufwachsen auf einem Substrat hergestellt wird, welches selbst aus einem Galliumgadoliniumgranat (GGG) besteht, in Domänen aus parallelen dünnen Streifen magnetisiert werden kann, deren Magnetisierung von einem Streifen zum nächsten in der Ebene der Schicht regelmäßig abwechselt. Diese Erscheinung ist besonders deutlich bei einem Material, das die Zusammensetzung Gd ',. ^Y2,55 ^Fe4,2 ^Ga0,8 °12 ^hat·

Fig. 1 zeigt eine auf diese Weise magnetisierte YIG-Schicht, auf der die Richtung des Magnetfeldes in den oberen vier Streifen 1 bis 4 dargestellt ist, wobei sich die Abwechselung für die anderen Streifen fortsetzt. Diese Streifen sind in der Richtung D. orientiert.

Ein Bündel F. parallelen monochromatischen Lichtes wird so zugeführt, daß es sich in der Ebene dieser Schicht gerichtet ausbreitet, und zwar in einer Richtung D_ , die einen Winkel Θ. mit der Richtung D. bildet. Diese gerichtete Ausbreitung erfolgt in einer Weise, die der der Höchstfrequenzwellen in Hohlleitern völlig analog ist und es wird die Polarisationsebene des Bündels F. so festgelegt,

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daß es sich entsprechend einer elektrischen Transversalmode (TE-Mode), um die übliche Hohlleitertenninologie zu gebrauchen, ausbreitet.

Auf das Bündel F, wirkt dann der Faraday-Effekt ein, der bestrebt ist, die TE-Mode in eine magnetische Transversalmode (TM-Mode) umzuwandeln, und zwar in je nach der Magnetisierung des durchquerten Streifens unterschiedlichen Richtungen. Zur besseren Übersichtlichkeit von Fig. 1 ist ein großer Winkel Θ, dargestellt worden, der in der Praxis sehr klein xr.t und in der Größenordnung von 1 liegt. Aufgrund dieser Tatsache,und im Gegensatz zu dem, was in Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Wechselwirkung zwischen einem Strahl des Bündels und einem Streifen sehr lang; was der Mode dieses Strahls gestattet, eine starke TM-Mode zu werden. Deshalb werden sich die Strahlen des Bündels F. von einem Streifen zum anderen entsprechend einer TM-Mode mit Phasen ausbreiten, die aufgrund der unterschiedlichen Richtungen der Magnetisierungen der aneinander angrenzenden Streifen entgegengesetzt sind.

Unter diesen Bedingungen wird die TM-Mode in der Richtung D_ erlöschen und allein der Bruchteil des Bündels F., der in der TE-Mode bleibt, wird die Schicht in dieser Richtung verlassen und das Bündel F. bilden.

Dagegen wird die TM-Mode durch Beugung in dem durch die Streifen gebildeten Gitter ein Bündel F- bilden, das die Schicht in der Richtung D- verlassen wird, welche mit der Richtung D₁ einen Winkel 0„ bildet. Man trifft hier wieder

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auf die Erscheinung der Beugung von Röntgenstrahlen in Kristallen und es wird sich 9 = Θ. ergeben, wenn die Bragg'sehe Bedingung λ = 2 ρ sin θ erfüllt ist.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel sind ein Infrarotbündel mit einer Wellenlänge λ= 1,15 /inn, das sich gut in dem Material mit der weiter oben angegebenen Zusammensetzung ausbreitete, und ein Film mit einer Dicke von 4,4 /Um, der Streifen mit einer Periodizität ρ = 25 .um aufwies, benutzt worden. Die erhaltenen Winkel Θ.. und Θ» waren gleich dem berechneten Wert, also 1,30 $ der Wert wurde in Luft außerhalb der Vorrichtung gemessen.

Es ist zu erkennen, daß in Fig. 1 eine abrupte und sehr begrenzte Ablenkung des Bündels F- dargestellt worden ist, was nicht der physikalischen Erscheinung entspricht, die sich durch eine Krümmung ausdrückt, welche über die Bahn in der Schicht verteilt ist und unmöglich dargestellt werden kann.

Es ist erforderlich, die benutzten Bündel mit der dünnen Schicht zu koppeln« Zu diesem Zweck werden, wie in Fig. 2a dargestellt, Prismen P₁ und P- benutzt, die den Bündeln gestatten, in die Schicht einzutreten und die Schicht zu verlassen, ohne an ihrer Außenfläche eine Totalreflexion zu erfahren.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch einen Ablenker nach der Erfindung auf einem Durchmesser der YIG-Schicht parallel

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zu den magnetisierten Streifen, wobei diese YIG-Schicht auf einem GGG-Substrat angebracht ist. Das Bündel F. tritt in die YIG-Schicht über das Prisma P. ein und breitet sich darin gerichtet in einer Folge von Totalreflexionen auf den Wänden dieser Schicht aus und wird in der gewünschten Weise gebeugt, damit sich die beiden Bündel F- und F-ergeben. Da der Reflexionswinkel sehr klein ist, sind die drei Bündel F. , F- und F- der Einfachheit halber in derselben Schnittebene dargestellt worden.

Die beiden Bündel F- und F- können selbstverständlich getrennt werden, indem der Winkel ausgenutzt wird, den die beiden Richtungen D- und D- miteinander bilden. Da aber dieser Winkel sehr klein ist, ist es leichter, ein Ausgangsprisma P₇ aus doppelbrechendem Material, beispielsweise Rutil, zu benutzen. Da die TE-Mode (für das Bündel F-) und die TM-Mode (für das Bündel F-) gekreuzten Polarisationen dieser Bündel entsprechen, wenn sie in das Prisma P- eintreten, wird dieses sie in der Schnittebene in unterschiedlicher Weise ablenken. Dieser Effekt kann sehr deutlich sein und gestattet, beispielsweise einen Winkel von 20 zwischen den Bündeln F- und F- zu erzielen. Auf diese Weise kann man das nichtabgelenkte und somit unnütze Bündel F- durch einen Schirm E absorbieren, der relativ nahe bei der Ablenkvorrichtung angeordnet ist.

Die Bragg'sehen Bedingungen führen zur Definition eines gemeinsamen und einzigen Wertes (wenn nur eine Ordnung gleichzeitig, hier die erste, betrachtet wird) der Winkel

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θ. und 9j für eine Periodizität der Streifen und eine bestimmte Lichtwellenlänge. Da es sich um Beugungserscheinungen handelt, fällt die gemessene Intensität beim Entfernen von der Richtung D- nämlich nicht sofort auf Null ab, sondern ändert sich gemäß einer bekannten Kurve, die eine zentrale Spitze aufweist, deren Breite bei der halben Intensität unter den Bedingungen des beschriebenen Beispiels ungefähr 0,5 beträgt.

Umgekehrt, wenn unter Konstanthaltung der Richtungen D. und D die Teilung der magnetisierten Streifen der YIG-Schicht geändert wird, wird man sich zwar von dem Bragg'sehen Bedingungen entfernen, man erzielt jedoch eine Änderung der Richtung D_ und somit des Winkels Θ-, der einen Wert von ungefähr 0,5 erreichen kann, wenn man einen Intensitätsabfall des Bündels F- von 50 % akzeptiert. Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 2a dargestellte Vorrichtung, wobei die Winkel Θ, und Θ- übertrieben groß dargestellt sind, um die Figur übersichtlicher zu machen. Das Lichtbündei F. wird hier durch einen Laser S ausgesandt, der in geeigneter Weise so ausgerichtet ist, daß die Polarisation des Bündels F. (Laser senden im allgemeinen ein polarisiertes Licht aus) gestattet, direkt eine Ausbreitung entsprechend der TE-Mode zu erzielen. Man könnte ebenso in dem Fall einer Quelle unpolarisierten Lichtes ein Prisma P. aus doppelbrechendem Material benutzen, wie das Prisma P , indem das Bündel F. gegenüber diesem Prisma so ausgerichtet wird, daß allein einer der Strahlen (beispielsweise der ordentliche Strahl) in die YIG-Schicht ein-

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dringt, während der andere an dieser Schicht eine Totalreflexion erfährt.

Die Veränderung der Teilung der magnetisierten Streifen der YIG-Schicht ergibt daher eine Drehung des Bündels F- und es wird beispielsweise das Bündel F, erzielt, das um einen Winkel ΔΘ gegenüber dem Bündel F. verschoben ist. Dieser Winkel ΔΘ ist in Fig. 2b ebenfalls übertrieben groß dargestellt.

Zur Erzielung einer Änderung der Teilung der Streifen kann ein zu diesen Streifen paralleles Magnetfeld angelegt werden, das mit Hilfe von in der Zeichnung nicht dargestellten Einrichtungen, beispielsweise mit Hilfe .von Helmholtz-Spulen, erzeugt wird. Auf diese Weise konnte mit dem Material, dessen Zusammensetzung weiter oben angegeben ist, eine Änderung der Teilung der Streifen von 8 bis 30 ,um erzielt werden, indem ein äußeres Feld benutzt wurde, das sich zwischen 0 und 10 Oe änderte. Selbstverständlich können in diesem Bereich nur Werte benutzt werden, die keine Ablenkung ergeben, welche größer ist als der Grenzwert, der durch die für das abgelenkte Bündel zulässige maximale Dämpfung gegeben ist.

Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades dieses Ablenkers ist es erforderlich, eine ausreichende Wechselwirkungslänge zwischen den Prismen P. und P- zur Verfügung zu haben. Es ist dagegen nicht erforderlich, die Phasengleichheitsbedingungen zwischen den TE- und TM-Moden einzuhalten. Da

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sich nämlich die Bündel in den TE- und TM-Moden unter der Wirkung der Beugung trennen, besteht keine Gefahr, daß das Bündel in der TM-Mode verschwindet.

Im Rahmen dieses Beispiels ist unter Verwendung eines Abstandes von 1 cm zwischen den Prismen P. und P_ und mit einer Einstellung der äußeren Magnetfeldes, die eine Teilung der Streifen von 25 .um ergab, ein Wirkungsgrad von 15 % für das Bündel F. erzielt worden. Nichts spricht bei der beschriebenen Erscheinung dagegen, einen Wirkungs· grnd von 100 % zu erzielen. Die Differenz zwischen der Theorie und der Erfahrung kann der relativen Inhomogenität der das Beugungsgitter bildenden magnetisierten Streifen zugeschrieben werden.

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Leerseite

Claims

PatenianwäReTHOMSON - CSFDip) -Incj G. Leiser2729890Opt -Ing Dipt -Chem E. Prinz - Dr. G. Hauser1731 Bd. Haussmann1. Juli 1977Ernsbei ger Strosse 19 8 München 6075008 Paris / FrankreichUnser Zeichen: T 2223 PATENTANSPRÜCHE;

1. Magnetooptischer Ablenker zum Ablenken eines eintretenden Strahlungsenergiebündels der Richtung D_ zu wenigstens einem austretenden Bündel, dessen Richtung um eine feste Richtung D- leicht veränderlich ist, gekennzeichnet durch eine dünne Schicht aus in Streifen in einer Richtung D. parallel zu der Schicht und in von einem Streifen zum nächsten entgegengesetzten Richtungen magnetisierbaren Material, durch Einrichtungen zum Anlegen eines Magnetfeldes an die dünne Schicht parallel zu der Richtung D,, wobei die Teilung der Streifen von dem Wert dieses Feldes abhängig ist, und durch Einrichtungen, mittels welchen das eintretende Bündel in die Schicht eingeleitet und das austretende Bündel aus ihr herausgeleitet werden kann.

2. Ablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das eintretende Bündel ein Bündel monochromatischen parallelen Lichtes ist, das in einer Richtung polarisiert ist, die gestattet, am Anfang eine reine Mode gerichteter Ausbreitung in der Schicht zu erzielen, diese Schicht ein

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gadolinium- und galliumsubstituierter Yttriumeisengranat ist.

3. Ablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das eintretende Bündel ein Bündel monochromatischen parallelen Lichtes ist, die Einrichtungen, die das Einleiten des Bündels in die Schicht gestatten, ein doppelbrechendes Eingangsprisma aufweisen, welches gestattet, am Anfang eine reine Mode gerichteter Ausbreitung in der Schicht zu erzielen, wobei diese Schicht ein gadolinium- und galliumsubstituierter Yttriumeisengranat ist.

4. Ablenker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einem Substrat angebracht ist, bei welchem es sich um einen Gadolinium-Galliumgranat handelt, und daß die Zusammensetzung der Schicht im wesentlichen der Formel Gd- . ^ Y- „ Fe. - Ga,. _o O₁ - entspricht.

U,4D /,JJ μ·, ί U, ο LZ

5. Ablenker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht im wesentlichen gleich 4,4 Aim ist.

6. Ablenker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eintretende Bündel ein Infrarotbündel ist, dessen Wellenlänge im wesentlichen gleich 1,15 .um ist.

7. Ablenker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen D und D_ gegenüber der Richtung D. um Winkel von im wesentlichen gleich 1,3 geneigt sind, wobei dieser Wert in Luft außerhalb der Schicht gemessen ist.

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8. Ablenker nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die das Herausleiten des austretenden Bündels aus der Schicht gestatten, ein doppelbrechendes Ausgangsprisma aufweisen, und daß, wenn der Ablenker außerdem ein weiteres, in der Richtung D„ austretendes Bündel liefert, die beiden austretenden Bündel zwei reinen und gekreuzten Moden gerichteter Ausbreitung in der Schicht entsprechen und das Ausgangsprisma gestattet, die austretenden Bündel voneinander zu unterscheiden.

9. Ablenker nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Schirm, der das Auffangen des weiteren austretenden Bündels gestattet.

10. Ablenker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Eintritt des Bündels in die Schicht und seinem Austritt im wesentlichen gleich 1 cm ist.

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