DE1614239A1 - Magnetooptischer Schalter - Google Patents

Description

Herbert Schol* Palentanwalt

Anmelder: Ν.γ. phftps'GLoeucmpaniabrieken

Akte No. PHB-51.603
Anmeldung vom! 20. April I967

"Magnetooptischer Schalter",
.-o+Q+o-.-o+O+o-.

Me Erfindung betrifft einen magnetooptischen Schalter, bei dem ein ultrarotes polarisiertes Strahlungsbündel geschaltet wird. Sie beruht auf Untersuchungen hinsichtlich der optischen Eigenschaften ■ sehr .reiner üinkris.talle aus Yttrium-Eisen-aranat, das im ^οηΒίΘΐιβη-ί} den als YI(J bezeichnet wird. Dieses material lässt im sichtbaren Spektrum nahezu kein Lieht durch,"· aber Untersuchungen haben gezeigt, ' dass es für ein tfellenlängenband im ültrarotbereich durchlässig ist, ünu ferner, dass es mCglich ist, innerhalb dieses Bandes einen Einkristall aus YIG den Faraday-Effekt aufweisen zu lassen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im, tfeg des Strahlungsbündels mlridestens ein Block aus YttriuIn-L·isen-'Jranat ange-

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ordnet ist, der in einer Richtung parallel zum Strahlungsbßndel derart magnetisiert ist, dass die Polarisationsebene des Bündels um 45"gedreht

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden.J.m folgenden näher beschrieben« Ea zeigen ■ · Figur 1 die. Ahsorptions-ii/ellenlängen-Kennlinien yon

die Figuren 2 und } Anordnungen zur Erläuterung der magnetopptischen Eigenschaften von YIQ,

die Figuren 4» 5t 6 und 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung, Bei Versuchen, die zur Erfindung geführt haben, wurden dünne, d.h. etwa 50 /U dicke Muster, di» sowohl sichtbare als auch ültrarot-• strahlung hindurchlassen, in magnetooptischer Hinsieht studiert. Bei diesen Mustern war es unter Benutzung des Faraday-Effekts möglich, die Lagnetisieruniroder die Bezirkstfuktur unmittelbar visuell zu beobachten. »Venn dabei ein Auster zwischen einem Polarisator oder einem Analysator angeordnet wurde, stellte es sich heraus, dass die. Polarisationsebene des auf den Kristall fallenden Lichtes durch Zonen gedreht wurde, die eine Magnetisierungskomponente in der liichtung des Lichtbündels hatten, so dass sie eine^Aenderung der Stärke des vom . Analysator durchgelassenen Lichtes herbeiführten.

nenn ein äusseres Magnetfeld angelegt wurde, um das Auster bis zur Sättigung in einer Richtung parallel zum Lichtbündel zu magnetisieren, stellte es sich heraus, dass die Drehung infolge, dee Faraday-Effektes zwischen 1200°/cm bei einer Wellenlänge von.0,6,U und oO°/cm bei einer rtfellenlänge von 5/U varierte. Um pine praktisch brauchbare Vorrichtung zu erhalten, muss der Faraday-Effekt mit einer geringen optischen Absorption einhergehen, und weitere Versuche

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lieferten graphische Darstellungen von der Form nach Figur 1, in der die optische Absorption aufgetragen ist j dig zu einem Avaterialstuok mit einer bestimmten Abmessung gehört, bei dem sicti eine Drehung um 45° ergifct. Aie ersichtlich, 1st eine Drehung um 45* mit sehr geringen Verlustett im Aellenlängenbereich zwischen 1, 2 und5yuerzielbar. Durch Abkühlung des katerial-s auf 80"K kann der durchlässige Bereich etwas in Richtung zum sichtbaren Licht hin erweitert werden, so dass die Emissionslinie eines Kecdya-Lasers bei einer AeIlenläiige von i,06/ü noch in diesen Bereich fällt.

Bei weiteren Versuchen, die. zur Erfindung geführt haben und durch die Figuren 2 und 5 erläutert werden, wurde ein 31ock aus YIG-Einkristallals Lichtpolarisationsschalter verwendet. Ein geechliffener Block G aus YlG wird auf eine derartige Länge gesägt, das eine Umkehrung der-Kagnetisierurig im block eine Drehung der tolarisationsebene des auftretenden Bündels um ^C 'herbeiführt, wie in Figur Z angegeben ist. In dieser Figur entsj-rechen sich die durch ausgezogene Linien angegebenen Pfeile, die sich auf das Magnetfeld H und auf das auftretende Bündel bezieheri, während der mit einer gestrichelten Linie versehene Pfeil, derdie iolarisation des austretenden Bündels angibt, der ebenfalls durch eine gestrichelte Linie angegetenen Richtung des magnetischen Feldes H entspricht-,

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung mit einem äolchen Block in Verbindung mit einem polarisator H» diese Anordnung liefert die optische Entsprechung des Kikrowellenisclatcrs, denn die Drehung, ist nicht umkehrbar, d.h., wenn der Block durch, ein V.ttgnetfeld H in einer Richtung parallel zu derjenigen eii'.es Lich+biindels -FI, das ve η einer xuelle X her durch den Block hindurchgeht, magnetisch gesättigt wird,

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wird für eine bestimmte Magnetisierungsrichtung des Blockes -jedes reflektierte Bündel PR vom Block abermals um 45° in der gleichen Richtung gedreht, so dass es um 90* gedreht den Polarisator erreicht und somit nicht durchgelassen wird und nicht mehr auf die quelle zurückfallt. In Figur 3 sind der Deutlichkeit halber das auffallende Bündel PI und das reflektierte Bündel PR im Abstand voneinander dargestellt, so dass sie sich leicht identifizieren lassen, aber in der Praxis fallen sie selbstverständlich zusammen. Bei dieser Anordnung wird eine Reflexion an einem weiteren Element in einer Vorrichtung, z.B. einem Spiegel- oder einer anderen teilweise reflektierenden FlSehe S, oder an einer ebenen Fläche am Ende des Blocke selber nicht durch-' gelassen und fällt somit nicht auf die quelle X zurück. ^ Bei der in Figur 4 dargestellten AusfUhrungeform der Erfindung bestand "las Prisma K aus einem doppelbrechenden Rutilkristall mit aer brechenden Kante parallel zur optischen Achse, so dass die Ablenkung eines Lichtbündels P durch das Prisma von der Polarisation des Bündels in-bezug auf die optische Achse abhing. Ein Block G aus YIG mit einer derartigen Länge _r dass die Drehung 45" betrug, wurde durch eine %*le E magnetisiert, und der Magnetkreis durch zwei Jochstflcke Y aus Ferrit geschlossen. Im Weg des aus dem Prisma K austretenden Bündels war eine Fläche S angebracht. Diese Anordnung bildete eine Bündelablenkvorrichtung mit zwei Lagen, bei der der Ort des Lichtflecks -auf der Fläche 3 dadurch vom Punkt A zum Punkt B geschaltet werden kann, dass die Magnetisierung im YIG-Block G ungekehrt wurde· Dies erfolgt durch Umkehrung des Stroms durch die Spule E, wodurch rür das aus dem Prisma K tretende Licht zwei rfege,, PA bzw. PB, mffglich sind.

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Per Block G und das Prisma K bilden in dieser.Weise eine digitale Ablenkvorrichtung ΰ. Eine aus einer'Anzahl H solcher richtungen bestehende Folge bildet ein eindimensionales digitales

K ■ *

Ablenksystem mit 2 verschiedenen Stellungen, wenn die JeTisßiertwinkel a so gewählt werden, dass jedes folgende Prima die Ablenkung verdoppelt* Eine zweidimensionaleanordnung ergibt sich-mit. einem zweiten System ■ in iieihe mit dem ersten, wobei das Zweite Systeia das Bündel .in einer Hichtung quer zu derjenigen des ersten ablenkt. Ein.derartiges, elektronisch gesteuertes, digitales Ablenksystem kann bei optischem , Hadar, einem xiadarsystern mit hohem Auflösungsvermögen fur die Raumfahrt, in elektronischen Rechenmaschinen* bei der elektronischen' Erkennung von Buchstaben und Ziffern, b'ei der Herstellung von fcikrcschaltungen, beim Drucken mit hoher ues.chwindigiceit, usw., Anwendung finden.

Bei der experimehtelleRAusführungsfGrm nach Figur 4 war die quelle Ä. ein Helium» Neon- Gaslaser,, tier so betriebeniiwurde, dass er ein Ultrarotbündel mit einer Wellenlänge von 3*39 kikron lieferte. Jas Laserb.iinael war linear .polarisiert, aber dennoch war der irolarisator R, in der Vorrichtung aufgenommen.,; um deren Aufstellung dadurch zu erleichtern, dass die Polarisationsebene etwas ijedreht werden konnte« Bieser Polarisator bestand*..'aU's eiuer recrvteckigen Kalkspatplattet von 1 xl χ v,5 cm_r deren optisci/e Achse in der Ebene der Platte lag. -. .

-.-■ Bas Prisiaa K war aus einem "-. Einkristall aus Mutil. (Ti^/hergestell tv wobei die brechende Kante; parallel zur optischen Achse .. (x in Figur 5} des Kristalls war», Me_; Basis des Prismae,, die Abmessung b in den Figuren 4 und. 5> betrug: 2,4 mni und der Prlsmenwinkel a war 2_k5** Der Äfeßtand zwischen: der Farada^-Üffekt-Vorrichtung: un$ der Achse

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des Prismas K, der in Figur 4 durch c angegeben wird, betrug 8 cm, während der Abstand d zwischen dieser Achse und dem Schirm S 10 cm war. In den Punkten A und B waren lichtempfindliche Detektoren angebracht.

Die Jochglieder Y waren aus polykristallinem YIG-Material gesägt. Ohne dass besondere Mühe auf das Flachschleifen der OberflSchen verwendet war, um etwaige Luftspalte auf ein Mindestmass zu reduzieren, erwiesen sich 25 Amperewindungen (^- Ampere, 50 Windungen) als genügend, um das Muster magnetisch zu sättigen. Die Teile Y waren identisch und hatten eine Dicke von 3 ""»r während die anderen in Figur 4 angegebenen Abmessungen betrugen: e = 6 mm, f » 5 mm» g = 2,5 mm und h « 4 mm. Der Block S war 6 mm lang und hatte einen quadratischen querschnitt mit eizer Seitenlange von 5 mm.

In den Punkten. A und B war der Abstand zwischen den beiden Bündeln 2,8 mm, «a^ einer Ablenkung um einen winkel von 52 Bogenminuten entspricht; für kleine ftinkel istdie. Winkelablenkung proportional dem Prismenwinkel a. Messungen ergaben, dass 2Q5& der Stärke des auffallenden Lichtbündels*infolge von Reflexion an den YIG-OberflSchen verloren ging und weitere 33$ ⁸^¹ *^en Oberflächen des Prismas infolge des hohen Brechungsindex dieser Materialien-(der Brechungsindex von YIG beträgt 2,2 und .derjenige von Rutil 2,4 bis 2_r6), Diese Verluste dürften sich durch Vergütung erheblich herabsetzen lassen.

Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines Ein- / kristallblocks aus YIG als ein sogenanntes elektronisch aktives ^-Schaltelement für einen Ultrarotlaser, ν*.· Schalter wurden benutzt, um bei einem Laser ein impulsförmiges Ausgangssignal grosser Leistung zu erzeugen» Der Gutefaktor Q des Laserhohlraums wird herabgesetzt, ■■■■■■■-- - . . BAD 009827/046Q

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während die Besetzungsumkehrung der für die Laserwirkung wirksamen Ionen aufgebaut wird. Wenn diese Beset zuneBuihkehrung einen Höchstwert erreicht' hat, wird die Diqnpfunfsquelle oder eine andere Quelle, die den niedrigen Gütefaktorκ herbeiführt, schnell beseitigt, wobei ein intenaer Laserstrahlungeimpuls ausgesandt wird.' ' -

Eine experimentelle üusführungsfcrir. einer ^-Schaltvorrichtung nach diesem irinzip ist in Figur 6 dargestellt. Diese Vorrichtung enthSlt zwei 4,>^#-31öcke, von denen einer, G , permanent in Richtung M des Lichtbündels magnetisiert ist. Der andere Block, G ,ist mit einer Schaltqpule und einem kagnetkries mit den Jochstücken Y versehen. Die BlCcke werden zwischen gekreuzten Polarisatoren Hl· und H_? im Laserhohlraum angebracht, der weiter einen Laserstab N und zwei Spiegel k. und lip enthalt, welche die Endpunkte des Lichtweges bilden. Wenn der Block G2 in der gleichen Richtung wie der Block G1 magnetisiert ist,. ermöglicht die Kombination eine verluatfreie Durchlassungj wenn die Magnetisierung des Blocks G2 jedoch umgekehrt wird und zwar in einer Richtung, die derjenigen des Blocks-UI entgegengesetzt ist, wird das Bündel im zweiten Polarisator absorbiert. ..-.. ™

Bei der beschriebenen expericexitellen Ausführur.trsforin nach Figur 6 war der Laser K ein Helium-lieon-Gaslaser, der ein Ultrarotbilndel mit einer AellenlSnge von 3,59 l.ikrcn lieferte. Die Polarisatoren bestanden aus 5 cd dicken Kalkspatplatten, bei denen* die optische Achse in der Ebene der betrefienden Platte lag.. Eine solche Platte ietim Banden ua J,45 Kikron und 4,0 tikron herum wirksam. ..

Die Jechteile X waren aus pclykristallinem i'IG-li.aterial gesSgt. Ohne dass beim Flachschleifen, der OterflSchen,um etwaige Luftspalte im Lacnetkreis auf ein lüindestiriass herabzusetzen, besondere

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Sorgfalt verwendet wurde, stellte es sich heraus, dass 25 Ampere-Windungen (^- .ampere, 50 windungen) genügten, um das Muster magnetisch zu sättigen. Die beiden Teile Y waren identisch und hatten eine Dicke von 3 min, während die anderen in Figur 7 angegebenen Kasse die folgenden Abmessungen hatten: e■ « 6 mm, f ■ 3 jhjd, g « 2,5 mm und h » 4 nun· Die rSlo'cKe G1 und G2 waren 6 mm lang und hatten einen quadratischen querschnitt mit einer Seitenlange von J mm. Für kürzere Wellenlängen können selbstverständlich kürzere Blocken benutzt werden, weil bei einer wellenlänge von 1,2 /U die Drehung infolge des Faraday-Effektes auf 2CC*/cm ansteigt. Der Block G1 wurde mit Hilfe eines Dauermagnets magnetisiert; es wurde gefunden, dass das erforderliche Feld von'der Fcrm des ülucks aching, aber das maximal 2000 Oersted erforderlich war. Auch dieser Block kann mittels einer aus einem Joch und einer Spule bestehenden Vorrichtung magnetisiert werden, genauso wie der Block G2·

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Claims (4)

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   ·· Patentansprüchet

   ( 1 .J i/.ägnetooptischer Schalter, bei dem ein ultrarotes".polarisiertes. Strahlungsbündel geschalte};: wird, dadurch gekennzeichnet,' dass im i<eg des StrahluntiSbündels mindestens gin-Block aus Yttrium-Eisen-Granat angebracht ist, der in einer Richtung parallel zum Strahlungsbiindel derart magnetisiert ist, dass die Polarisationsebene des .Bündelsum 45° gedreht wird. ~ . .
2. 2. ■ kagnetooptischer behälter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass in iieihe mit dem Block aus Yttrium-Msen-G-ranat ein doppelbrechendes Prisma angeordnet ist, dessen optische Achse quer zum. Strahlungsbundel verlauft,, und dass das den Block^vmagnetisierende kagnetfeld Umkehrbar ist. .^: ""'""'
3. J. _v Magnetooptischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich· net, dass mehrere je aus einem Block und einem Prisma_;i bestehende taare in Reihe angeordnet sind. ■■-..'. .--
4. 4. itagnetooptischer Schalter nach Anspruch- 3» dadurch gekennzeichnet y .dass.'in einer ersten Gruppe von taaren das Bünael in einer bestimmten itichtung- un in einer zweiten Gruppe von Paaren in einer anderen Richtung ablenkbar ist, infolge einer geeigneten »ahl der optischen rtchaen der doppeltrechenden Prismen in "bezug.aufeinander» ^: t>* li.agnetooptischer Schalter nach -»-nsprueh 1, dadurch gekennzeichnet,, dass zwei Blöcke aus Yttrium-Eisen-Granat· in Reihe geschaltet sind und dass die liiagnetisierung des einen Blocks umkehrbar ist. ' 6.« Magnetooptischer Schalter nach Anspruch 5» dadurch' gekennzeichnet, daas die iieihenachaltung zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren aufgenommen ist»

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