DE2109904A1

DE2109904A1 - Lichtablenker

Info

Publication number: DE2109904A1
Application number: DE19712109904
Authority: DE
Inventors: Eric Gung Hwa Mahopac Pole Robert Vladimir Yorktown Heights Tseng Samuel Chin Chong Ossing N Y Lean (V S A ) GOIn21 48
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-03-04
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1971-09-30
Also published as: JPS5333856B1; GB1314798A; FR2083893A5; US3633996A

Description

Böblingen, 26. Februar 1971
pr-fr/sz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Aratl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 969 084

Lichtablenker

(Zusatzanmeldung zu Patentanmeldung P 21 05 345.2)

Die Erfindung betrifft Lichtablenker mit einem einen Strahl
steuerbar ablenkenden steuerbar beeinflußbaren flächenförmigen
Bereich nach Patentanmeldung P 21 05 345.2.

Es sind Anordnungen zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahls bekannt, bei denen der Lichtstrahl auf steuerbar beweglich angeordnete Spiegel mit möglichst kleiner Masse folgt und als
Funktion der jeweiligen Winkellage dieser Spiegel abgelenkt wird. Derartige Anordnungen werden beispielsweise als Schleifenoszillographen verwendet. Zur Erhöhung der Ablenkgeschwindigkeit wurden Anordnungen gebaut, bei denen die Spiegel nicht wie bei den oben erwähnten Schleifenoszillographen durch beweglich angeordnete
stromdurchflossene Spulen oder Schleifen, sondern durch piezoelektrische Elemente bewegt werden. Auch die Ablenkgeschwindigkeit der zuletzt genannten Anordnungen ist relativ gering, da piezoelektrische. Elemente eine bestimmte Grenzfrequenz haben und insbesondere irn Bereich der Resonanzfrequenz anstelle der gewünschten Einstellbewegung oder Einstellbewegungen eine ganze Reihe von Schwingungen ausführen, die die Verwendung diesar Anordnungen in den raeisten Fällen ausschließen.

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In den US Patentschriften 3 297 876 und 3 174 044 werden Anordnungen beschrieben, bei denen ein Lichtstrahl an einer im Inneren eines Körpers oder einer Flüssigkeit verlaufenden Welle gestreut wird, um entweder moduliert oder abgelenkt zu werden. Diese Anordnungen sind kompliziert und erlauben die Ablenkung eines Lichtstrahls nur in einer Dimension. Da das die Ablenkung des Strahls bewirkende Welle im Innern weiterleitende Element relativ viel Raum beansprucht und daher auch eine relativ große Masse hat, sind die Ablenkgeschwindigkeiten derartiger Anordnungen relativ klein. Darüber hinaus sind diese Anordnungen, bedingt durch ihren großen Raumbedarf, für viele Anforderungen, insbesondere zur Verwendung im Innern oder zur Begrenzung des Resonators eines Lasers nur bedingt geeignet.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine einfache Anordnung mit kurzer Ansprechzeit und geringen Abmessungen anzugeben, durch die die oben genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die in der Hauptanmeldung beschriebene Anordnung vereinfacht werden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Lichtablenker mit einem einen Strahl steuerbar ablenkenden steuerbar beeinflußbaren flächenförmigen Bereich nach Patentanmeldung P 21 05 345.2 gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen den den abzulenkenden Strahl beeinflussenden, vorzugsweise teilspiegelnden oder spiegelnden Bereich tragenden und zumindest in diesem Bereich zu Oberflächenwellen anregbaren und elektrisch beeinflußbaren Körper, durch mindestens einen Wandler zur steuerbaren Eingabe von dem den Strahl beeinflussenden Bereich Gittereigenschaften verleihenden Oberflächenwellen, deren Länge die Ablenkung des Strahls in einer Dimension bestimmt, und durch Elektroden zur Erzeugung eines einen Gradienten aufweisenden elektrischen Feldes zur Erzeugung eines Elastizitätsgradienten in dem zu Oberflächenwellen anregbaren Körper, deren Richtung zwecks Bestimmung der Ablenkung des Strahls in einer zweiten Dimension als Funktion der Größe und der Sichtung des Elastizitätsgradienten steuerbar veränderlich ist.

BAD ORIGINAL

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die das einen Gradienten aufweisende elektrische Feld erzeugenden Elektroden an gegenüberliegenden Flächen eines piezoelektrischen, zu Oberflächenwellen anregbaren Körpers angeordnet sind.

Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die das einen Gradieten aufweisende elektrische Feld erzeugenden Elektroden verschieden groß sind. Eine andere Ausfuhrungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der die Elektroden tragenden Flächen des zu Oberflächenwellen anregbaren Körpers einen spitzen Winkel einschließen.

Eine andere Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu Oberflächenwellen anregbare Körper ein Quader ist.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fign. 1 und 2 schematische Darstellungen von Anordnungen zur

Erzeugung eines Elastizitätsgradienten in einem durch ein elektrisches Feld beeinflußbaren Körper,

Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Es ist bekannt, daß ein an einer Fläche eines piezoelektrischen Kristalls angeordneter Wandler zur Erzeugung von Schallwellen an dieser Fläche Oberflächenwellen erzeugt, die eine periodische Deformation der Kristallfläche verursachen. Fällt ein Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, auf diese periodisch veränderte Fläche, so wirkt sie als Phasengitter, das den Strahl um einen Winkel ablenkt, der eine Funktion der Länge der Oberflächenwellen

,, : :, 4 0 984Π/1 1 7 1 Docket YO 969 084

bzw. der Frequenz der den Wandler anregenden Signalquelle ist. Die Ablenkung erfolgt in der Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwellen unter einem Winkel, der eine Funktion der Länge der Oberflächenwellen ist.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen in einem elastischen Körper ist proportional der Quadratwurzel seiner Dehnungsgröße. Wird ein piezoelektrisches Kristall als elastisches Medium verwendet, dann verändert ein angelegtes elektrisches Feld die Dehnungsgröße des Kristalls als Funktion der Feldstärke. Die Veränderungen der Dehnungsgröße des Kristalls haben eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwelle zur Folge.

In Fig. 1 ist ein Kristall 10 dargestellt, dessen Dicke sich von links nach rechts linear verändert. Eine erste Elektrode 12 ist an der oberen Fläche und eine zweite Elektrode 14 an der unteren Fläche des Kristalls 10 angeordnet. Die Elektroden 12 und 14 sind mit einer Spannungswelle 16 verbunden, die die zur Veränderung der Dehnungsgröße erforderliche Spannung liefert. Wegen dem Dickenunterschied zwischen der linken und der rechten Seite des Kristalls 10 ist auch der Betrag der Änderung der Dehnungsgröße an der einen Seite des Kristalls von der Änderung des Betrags der Dehnungsgröße an der anderen Seite des Kristalls verschieden. Pflanzt sich eine Schallwelle von der Breite L an der oberen Seite des Kristalls 10 senkrecht zur Zeichnungsebene fort, so wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle im Bereich der Dicke t.. größer sein als im Bereich der Dicke t„.

In Fig. 2 ist ein anderes Verfahren zur Erzeugung einer uneinheitlichen elektrischen Feldverteilung innerhalb eines piezoelektrischen Kristalls veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kristall 18 mit konstanter Dicke an seiner oberen Seite mit einer Elektrode 20 versehen, die größer ist als die an der unteren Seite des Kristalls angeordnete Elektrode 22. Eine sich an der oberen Fläche des Kristalls 18 fortpflanzende Oberflächen-

schallwelle ist an der die Elektrode 22 aufweisenden Seite des Kristalls schneller oder langsamer als an der gegenüberliegenden Seite, je nach dem, in welcher Richtung das mit Hilfe der Spannungsquelle 16 angelegte elektrische Feld verläuft.

Die Kristalle 10 und 18 können beispielsweise aus Lithiumniobat, Zinkoxyd, Cadmiumsulfid, Wismutgermaniumoxyd oder dergl. bestehen.

Die Elektroden 12, 14, -20 und 22 können für Anordnungen, bei denen das abgelenkte Licht reflektiert wird, aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Für Anordnungen, bei denen das durchtretende Licht abgelenkt wird, können Elektroden auf Zinnoxyd verwendet werden.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung zur zweidimensionalen Ablenkung eines Lichtstrahls enthält einen Kristall 10, dessen Dicke sich von links nach rechts verändert. Auf der oberen Fläche des Kristalls ist ein aus zwei ineinander verschachtelten Leitergruppen bestehender Wandler 24 befestigt, der mit einer Signalquelle 26 verbunden ist. Durch die von der Signalquelle 26 erzeugten Signale wird der Wandler 24 erregt und erzeugt Schallwellen, die sich an der oberen Fläche des Kristalls 10 in Richtung ζ fortpflanzen. An der oberen Fläche des Kristalls ist eine Elektrode 12 und an der unteren Fläche des Kristalls eine nicht dargestellte Elektrode 14 befestigt. Ein von einer Lichtquelle in Richtung der x-Achse senkrecht zum Kristall 10 verlaufender Strahl 28 fällt auf die Elektrode 12 und durchsetzt den Kristall. Liegt an den Elektroden 12 und 14 keine Spannung, so erzeugen in z-Richtung verlaufende akustische Oberflächenwellen eine Deformation des Kristalls, so daß dieser als Beugungsgitter wirkt. Der Laserstrahl 28 wird bei seinem Durchtritt durch den Kristall um einen in der x-z-Ebene liegenden Winkel abgelenkt. Der Ablenkwinkel hängt von der Länge der Schallwellen an der Oberfläche des Kristalls ab, deren Länge ihrerseits von der Frequenz der durch die Signalquelle 26 erzeugten Signale abhängt. Wird durch die Spannungsquelle eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 14 erzeugt, so wird der Dehnungswert des Kristalls 10 in

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Abhängigkeit von dessen Dicke verändert, was zur Folge hat, daß die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle an der dünneren Seite des Kristalls größer ist als an seiner dickeren Seite. Bekanntlich überholt der eine höhere Fortpflanzungsrichtung aufweisende Teil einer Wellenfront den eine langsamere Fortpflanzungsrichtung aufweisenden Teil, so daß eine Schwenkung oder Drehung der Wellenfront in Richtung auf die dicke Seite des Kristalls 10 erfolgt, so daß sich die Wellenfront nicht mehr in z-Richtung fortpflanzt. Das hat weiterhin zur Folge, daß der Laserstrahl 28 nicht mehr in der x-z-Ebene abgelenkt wird, sondern in der Fortpflanzungsrichtung der Schallwellenfront, die jetzt nicht mehr mit der z-Richtung zusammenfällt. Der Betrag, um den der Strahl aus der x-z-Ebene abgelenkt wird, hängt von der Amplitude der Spannungsquelle 16 ab. Die Polarität der an die Elektroden 12 und 14 gelegten Spannung bestimmt, ob der Dehnungswert des Kristalls 10 erhöht oder erniedrigt wird, was weiterhin zur Folge hat, daß die Schallwellenfront in bezug auf die z-Achse nach links oder nach rechts abgelenkt wird.

In der Darstellung nach Fig. 3 wird der Strahl 28 zu einem Punkt 32 abgelenkt. Das wird durch eine Ablenkung des Strahls um einen Winkel φ von der x-Achse als Funktion der Wellenlänge der Schallwellen und um einen Winkel θ von der z-Achse als Funktion der Größe der durch die Quelle 16 erzeugten Spannung bewirkt. Der Ablenkwinkel θ , das ist der Winkel der radialen Ablenkung des Strahles 28, der durch das die Fortpflanzungsrichtung der Wellenfront bestimmende elektrische Feld definiert ist, wird durch folgenden Ausdruck beschrieben:

Dabei ist: η die Anzahl der sich fortpflanzenden Wellenlängen, λ und ν die Wellenlänge und die Phasengeschwindigkeit der Schallwellen im Kristall ohne angelegtes elektrisches Feld, L die Breite

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der Wellenfront, t. und t₂ die Dicken des Kristalls an den beiden Seiten des durch L definierten Bereiches und Δν die Abweichung der Geschwindigkeit von ν . Der Winkel für die Ablenkung des Strahls 28 aufgrund der Oberflächenveränderung durch die Schallwelle wird durch folgenden Ausdruck definiert:

λ
= m j

Dabei ist: m die ganzzahlige BeugungsOrdnung, λ die Wellenlänge des Lichtes, λ die Wellenlänge der Schallwelle bei angelegtem elektrischen Feld.

Durch die oben besprochenen Ausdrücke wird angegeben, wie der Strahl 28 bei einer vorgegebenen konstanten Frequenz der Signalquelle 26 und einer konstanten Spannung der Spannungswelle 16 zu einem bestimmten Punkt abgelenkt wird. Es ist aber auch möglich, den Strahl 28 einen bestimmten Bereich abtasten zu lassen, beispielsweise den in Fig. 3 mit 34 bezeichneten Bereich. Zu diesem Zweck wird die Frequenz des von der Quelle 26 erzeugten Signals und die Spannung der Quelle 16 geändert. Wird also durch die Quelle 26 ein frequenzmoduliertes Signal und durch die Quelle 16 eine Spannung veränderliche Größe und Polarität, beispielsweise eine bipolare Sägezahnspannung erzeugt, so wird der Strahl 28 kontinuierlich innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, beispielsweise des durch die Winkel Δφ und 2θ definierten Bereiches 34 abgelenkt.

Durch die in Fig. 3 dargestellte Anordnung wird ein Lichtstrahl in zwei Richtungen abgelenkt. Die Ablenkung in der ersten Richtung erfolgt durch die periodische Deformation einer Kristallfläche mittels Oberflächenschallwellen, während die Ablenkung in der zweiten Richtung durch eine Änderung der Fortpflanzungsrichtung dieser Oberflächenschallwellen durch Anlegen eines einen Gradienten aufweisenden elektrischen Feldes erfolgt.

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In diesem Ausführungsbeispiel wird der den Kristall durchsetzende Strahl abgelenkt. Es ist aber auch möglich, den abzulenkenden Strahl an der die Oberflächenschallwellen fortleitenden Fläche reflektieren zu lassen und durch die Länge und Richtung der Oberflächenschallwellen die Reflexionsrichtung des abzulenkenden Strahles zu bestimmen. Der erfindungsgemäße Lichtablenker kann auch innerhalb des Resonators eines Lasers angeordnet oder als eines der den Resonator begrenzenden Elemente verwendet werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Lichtablenker mit einem einen Strahl steuerbar ablenkenden steuerbar beeinflußbaren flächenförmigen Bereich nach Patentanmeldung P 21 05 345.2, gekennzeichnet durch einen den den abzulenkenden Strahl (28) beeinflussenden, vorzugsweise teilspiegelnden oder spiegelnden Bereich tragenden und zumindest in diesem Bereich zu Oberflächenschallwellen anregbaren und elektrisch beeinflußbaren Körper (10), durch mindestens einen Wandler (24) zur steuerbaren Eingabe von dem den Strahl beeinflussenden Bereich Gittereigenschaften verleihenden Oberflächenschallwellen, deren Länge die Ablenkung des Strahls in einer Dimension bestimmt, und durch Elektroden (12, 14) zur Erzeugung eines einen Gradienten aufweisenden elektrischen Feldes zur Erzeugung eines Gradienten der Dehnungsgröße des zu .Oberflächenschallwellen anregbaren Körpers (10), deren Richtung zwecks Bestimmung der Ablenkung des Strahls in einer zweiten Dimension als Funktion der Größe und Richtung des Gradienten der Dehnungsgröße steuerbar veränderlich ist.

2. Lichtablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das einen Gradienten aufweisende elektrische Feld erzeugenden Elektroden (12, 14) an gegenüberliegenden Flächen eines piezoelektrischen, zu Oberflächenschallwellen anregbaren Körpers (10) angeordnet sind.

3. Lichtablenker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12, 14) verschieden groß sind.

4. Lichtablenker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der die Elektroden (12, 14) tragenden Flächen des zu Oberflächenschallwellen anregbaren Körpers (10) einen spitzen Winkel einschließen.

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5. Lichtablenker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Oberflächenschallwellen anregbare Körper (10) als Dreikantprisma ausgebildet ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Oberflächenschallwellen anregbare Körper (10) als Vierkantprisma ausgebildet ist.

7. Lichtablenker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Oberflächenschallwellen anregbare Körper (10) als Quader ausgebildet ist.

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