DE2234593C3

DE2234593C3 - Akusto-optisches Filter

Info

Publication number: DE2234593C3
Application number: DE2234593A
Authority: DE
Inventors: Laurence M. Hubby Jun.; John A. San Jose Kusters; David A. Wilson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1971-07-23
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1975-06-26
Also published as: JPS535818B1; CH552223A; CA975059A; US3729250A; DE2234593B2; DE2234593A1

Description

Welle durch den Kristall, um einen TeU des Lieh- Eine solche Beschichtung ist einerseits einfach

tes von einer ersten Polarisationsebene in eine herzustellen, zumal keine bestimmten Schichtdicken

zweite Polarisationsebene zu drehen, dadurch io eingehalten werden müssen. Andererseits werden

gekennzeichnet, daß die Seitenflächen des aber akustische Resonanzen wirksam gedämpft, und

Kristalls (5) mit einem mit Wolframteilchen ver- auch das Streulicht wird durch den Wolframstaub

setzten Epoxyd-Klebstoff beschichtet sind. absorbiert.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungs-

15 beispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung er-

läutert. Es stellt dar

F i g. 1 schematisch ein akustisch-optisches Filter, Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teiles der An-

Die vorliegende Erfindung betrifft ein akusto-opti- Ordnung nach F i g. 1, und zwar längs den Linien 2-2

sches Filter mit einem photoelastischen doppel- ao in Fig. 1,

brechenden Kristall und Einrichtungen zum Hin- Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der An-

durchleiten eines polarisierten Lichtstrahls sowie Ordnung nach F i g. 1 längs den Linien 3-3 und

einer dazu kollinearen akustischen Welle durch den Fig. 4 ein Diagramm der optischen Strahlinten-

Kristall, um einen Teil des Lichtes von einer ersten sität I über der optischen Frequenz /₀ zur Erläute-

Polarisationsebene in eine zweite Polarisationsebene as rung der Bandpaß-Charakteristik des akustisch-opti-

zu drehen. sehen Filters der F i g. 1 mit und ohne akustische

Es sind elektronisch abstimmbare, akustisch-opti- Resonanzen in dem photoelastischen, doppelbre-

sche Filter bekannt, bei denen Licht einer ersten chenden Kristall.

Polarisationsebene kollinear an einer akustischen Gemäß F i g. 1 und 2 ist ein akustisch-optisches

Welle in einem optisch anisotropen Medium, bei- 30 Filter 1 vorgesehen, das weitgehend demjenigen ent-

spielsweise einem photoelastischen, doppelbrech enden spricht, das in dem vorgenannten Aufsatz in »Jour-

Kristall gebeugt wird, um die Polarisationsebene des nal of the Optical Society of America« beschrieben

polarisierten Eingangslichtstrahles bei einer ;iusge- ist. Das Filter 1 weist eine Lichtquelle 2 auf, die

wählten optischen Bandpaß-Frequenz von der ersten einen Lichtstrahl 3 durch einen vertikal und linear

Polarisationsebene in eine zweite orthogonale I'olari- 35 polarisierenden Polarisator 4 auf ein optisch aniso-

sationsebene umzusetzen. Das gebeugte Licht wird tropes, photoelektrisches Medium 5, beispielsweise

dabei bezüglich der Polarisationsebene anaiysiert, um einen Kristall aus LiNbO₃, PbMoO₄ oder Quarz

das Licht der zweiten Polarisationsebene von dem- richtet. Der Lichtstrahl ist gegen eine Eingangsflä-

jenigen der ersten Polarisationsebene zu trennen. Die ehe 6 des Kristalls 5 in einem derartigen Winkel

Bandpaß-Charakteristik des Filters ist elektronisch 40 gerichtet, daß er durch den Kristalls parallel zur

abstimmbar, indem die Frequenz der akustischen y-Achse zwischen den Endflächen 6 und 7 gebeugt

Welle in dem doppelbrechenden Kristall verändert wird. Die y-Achse ist nicht notwendigerweise gleich

wird. Ein derartiges akustisch-optisches Filter ist be- der kristallinen y-Achse.

schrieben in dem Artikel »Acousto-Optic Tunable Die Lichtquelle 2 kann in verschiedener Weise

Filter«, Journal of the Optical Society of America, 45 aufgebaut sein. Beispielsweise kann eine kohärente

Bd. 59, Ni. 6, Juni 1959, S. 744 bis 747, und in dem Lichtquelle wie ein Laser vorgesehen sein, oder es

Aufsatz »Electronically Tunable Acousto-Optic FiI- kann eine breitbandige Lichtquelle mit konstanter

ter«, Applied Physics Letters, Bd. 15, Nr. 10, 15. No- Spektialleistungsdichte im gesamten Frequenzbereich

vember 1969, S. 325 und 326. vorgesehen werden. Der Polarisator 4 dient dazu,

Eines der bei einem solchen akustisch-optischen 50 nur dasjenige Licht von der Quelle 2 hindurchzu-

Filter auftretenden Probleme besteht darin, daß die lassen, welches in der vertikalen Richtung, d. h. in

Reflexion der akustischen Wellen vom Ausgangs- der Z-Richtung polarisiert ist, um einen polarisierten

ende des Kristalls zum Eingangsende stehende aku- Eingangslichtstrahl 3 zu erzeugen. Der Eingangs-

stische Wellen oder akustische Resonanzen in dem lichtstrahl tritt in die Fläche 6 des Kristalls 5 ein

photoelastischen doppelbrechenden Kristall hervor- 55 und breitet sich im allgemeinen entlang der Längs-

ruft. Diese akustischen Resonanzen führen zu einer achse (y-Achse) des Kristalls 5 aus und gelangt

i| Welligkeit in der optischen Bandpaß-Charakteristik durch die gegenüberliegende Endfläche 7 des Kri-

";') des Filters, welche möglichst vermieden werden soll. stalls 5 als Ausgangsstrahl 3.

;i| Aus der US-PS 3 572 897 ist bereits ein optischer Bei einer bestimmten Kombination der Frequen-

^:| Modulator bekannt, der einen Kristall aufweist, wel- 60 zen der Lichtwelle und der akustischen Welle findet

eher mit schall- und lichtabsorbierendem Material eine starke Wechselwirkung zwischen der Lichtquelle

• beschichtet ist. Die Beschichtung ist aus mehreren und der akustischen Welle statt, bei welcher die

Schichten und Viertelwellenplatten mit verschiede- akustische Welle die Lichtwelle von der Polarisa-

nen Eigenschaften aufgebaut und daher kompliziert tionsebene des Eingangsstrahles 3 in eine orthogo-

und aufwendig in der Herstellung. 65 nale Polarisationsebene beugt. Dies führt zu einem

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- schmalen Band von Lichtwellen mit orthogonaler

gründe, ein akusto-optisches Filter der eingangs ge- Polarisation, die mittels eines Polarisationsanalysa-

nannten Gattung derart weiterzubilden, daß bei ver- tors 14, beispielsweise eines Rochon- oder Glan-

Taylor-Prismas aus dem Ausgangsstrahl 3 ausgeschieden werden.

Der Polarisationsanalysator 14 ist derai t ausgerichtet, daß er denjenigen Teil des Ausgangslichtstrahles 3 als Ausgangsstrahl 15 hinc*urchgelangen läßt, der bezüglich der (horizontalen) Polarisationsrichtung des Eingangspolarisators 4 orthogonal polarisiert ist. Der Ausgangsstrahl 15 hat dann ein; Bandpaß-Charakteristik entsprechend Fig.4. Derjenige Teil des Lichtes des Ausgangslichtstrahles 3, welcher die gleiche Polarisationsebene wie der Eingangsstrahl hat, wird als zweiter Ausgangsstrahl 16 durch das die Polarisationsebene analysierende Prisma 14 reflektiert. Der Ausgangsstrahl 16 weist das gesamte vertikal polarisierte Eingangslicht abzüglich derjenigen Lichtmenge auf, die von der vertikalen Polarisationsebene in die horizontale Polarisationsebene umgewandelt worden ist. Daher hat der Ausgangsstrahl 16 eine Bandsperr- oder Kerbfiltercharakteristik.

Dasjenige Licht, welches von der Eingangspolarisationsebene in die orthogonale Polarisationsebene gebeugt worden ist, hat eine optische Frequenz, die mit der Frequenz der akustischen Welle /„ die Gleichung erfüllt:

^h ν\Δη\

dabei bedeutet ψ das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu der akustischen Geschwindigkeit in dem Medium und \An\ den Doppelbrechungsindex des Kristalls 5.

In einem typischen Beispiel wird ein Kristall 5 aus Lithium-Niobat verwendet, und das akustisch-optische Filter 1 ist von 7000 bis 5500 A durchstimmbar, indem die akustische Frequenz von 750 bis 1050 MHz verändert wird. Es wird ein Bandpaß von weniger als 2 A bei einem Ausgangsstrahl 15 erhalten, wenn der Kristall 5 cm lang ist.

Mit den Seiten dieses Kristalls wird ein akustisch absorbierendes Medium gekoppelt, indem der Kristall 5 mit einem akustisch absorbierenden Material 18 gemäß F i g. 3 beschichtet wird. Das akustisch absorbierende Material 18 klebt auf dem Kristalls, so daß eine ausreichende Kopplung zwischen der Beschichtung 18 und dem Kristall 5 hergestellt ist. Es ist günstig, wenn die Beschichtung 18 einen akustischen Widerstand hat, der ungefähr gleich dem akustischen Widerstand des Kristalls 5 ist, so daß eine maximale Übertragung an akustischer Leitung von dem Kristall zu der akustisch absorbierenden Schicht 18 erhalten wird. Das Produkt der Dichte und der akustischen Geschwindigkeit in dem Kristall 5 sollte nUhrungsweise gleich dem Produkt der Dichte und der akustischen Geschwindigkeit in der Schicht 18 sein.

Im vorliegenden Beispiel weist die akustische Absorptionsschicht 18 eine Klebeschicht aus. einem akustisch absorbierenden Epoxydharz niedriger Viskosität (100 bis 50OcP) auf. Dieses Epoxydharz wird zu näherungsweise gleichen Volumteilen rait Wolframstaub, einem Material relativ hoher Dichte, vermischt. Der Staub hat einen Teüchen-Durchmesse? von weniger als 0,05 mm, vorzugsweise von einigen Tausendstel Millimetern. Das derart vermischte Epoxydharz wird auf die gereinigten und aufgerauhten transparenten oder diffus, reflektierenden Seitenflächen des Kristalls 5 aufgebracht, um eine enge Klebeverbindung zwischen dem Klebstoff

ao und dem Kristall zu erreichen. Die akustische Absorptionsschicht 18 hat eine Dicke von etwa 0,5 mm. Ein anderer Vorteil bei der Verwendung von Wolframstaub als akustisches Material 18 besteht darin, daß der Wolframstaub Licht absorbiert. In

»5 der Praxis hat ein akustisch-optisches Filter dieser Art stets Streulicht, das durch Streuung an den verschiedenen Flächen des Eingangspolarisators, des Eingangsprimas und des Eingangsendes des doppelbrechenden Mediums entweder durch unvollkommene Oberflächenbeschaffenheit oder unvollkommene Beschichtungen oder beides hervorgerufen wird. Dieses Streulicht ist im allgemeinen nicht polarisiert und streut in der Ausbreitungsrichtung stark. Wenn solches Licht durch das Ausgangslichtloch des akustisch-optischen Filters gelangt, wiird das allgemeine Signal-Rausch-Verhältnis der Vorrichtung in unerwünschter Weise herabgesetzt. Bisher wurde dieses Streulicht in akustisch-optischen Filtern durch das Ausgangslichtloch der Anordnung auf Grund von Reflexion und/oder diffuser Streuung an den Seitenwänden des doppelbrechenden Mediums gerichtet. Diese Problem wird hier beseitigt, da ein transparenter Epoxydkitt als Träger verwendet werden kann, dessen Brechungsindex demjenigen des doppelbrechenden Mediums viel näher kommt als der Luft, so daß ein wesentlicher Teil des Streulichtes, welches auf die Seitenwände des doppelbrecherden Mediums auftrifft und daher normalerweise reflektiert und/oder gestreut würde, aus dem doppel-

brechenden Medium herausgeführt und durch den Wolframstaub absorbiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

gleichsweise geringem Herstellungsaufwand sowohl

Patentanspruch: akustische Resonanzen als auch Streulicht gedämpft

werden.

Akusto-optisches Filter mit einem photoelasti- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

sehen doppelbrechenden Kristall und Einrichtun- 5 gelöst, daß die Seitenflächen des Kristalls mit einem

gen zum Hindurchleiten eines polarisierten Licht- mit Wolframteilchen versetzten Epoxyd-Klebstoff

Strahls sowie einer dazu kollinearen akustischen beschichtet sind.