DE2234838C3 - Akusto-Optische Fiteranordnung - Google Patents

Description

wobei θι der Winkel zwischen der akustischen Achse und der Flächennormale zur Eingangsfläche (12) des doppelbrechenden Mediums (4) ist.

4. Filteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenmedium (9) den Raum zwischen Prisma (2) und doppelbrechendem Medium (4) ausfüllt.

5. Filteranordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenmedium (9) eine Flüssigkeit und das doppelbrechende Medium (4) ein Kristall ist.

6. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsund Ausgangsflächen (8, 11) des Prismas (2) und die Eingangsfläche (12) der doppelbrechenden Mediums (4) mit einer optisch nichtreflektierenden Beschichtung versehen sind.

7. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem doppelbrechenden Medium (11) im Lichtstrahlenweg ein zweites Prisma (3) angeordnet ist, dessen Eingangsfläche (16) im wesentlichen parallel zur Ausgangsfläche (15) des doppelbrechenden Mediums (4) und in deren Nähe verläuft, und desser Ausgangsfläche (24) im wesentlichen senkrecht zur optisch-akustischen Längsachse des doppelbrechen- fts den Mediums (4) verläuft.

8. Filteranordnung nach Anspruch 7, dadurch Gekennzeichnet, daß ein bezüglich des Brechungsindex abgestimmtes Zwischenmedium (9) in dem Raum zwischen der Ausgangsfläche (15) des doppelbrechenden Mediums (4) und der Eingangsfläche (16) des Ausgangsprismas (3) zur Venrinderung der Reflexion des optischen Strahles angeordnet ist

9. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (8) für das Licht in das doppelbrechende Medium (4) senkrecht zur Richtung des Lichtstrahles im doppelbrechenden Medium (4) steht, und daß der der Eintrittsfläche (8) benachbarte Endabschnitt (2) des doppelbrechenden Mediums mit einem Schlitz (21) versehen ist, der zur Richtung des Lichtstrahles geneigt ist, so aaß der Abschnitt des doppelbrechenden Mediums (4) zwischen Eintrittsfläche (8) und Schlitz ein Prisma (2) bildet.

10. Filteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsfläche (24) für das Licht aus dem doppelbrechenden Medium (4) im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Lichtstrahles im doppelbrechenden Medium (4) steht, und daß der der Austrittsfläche (24) benachbarte Endabschnitt des doppelbrechenden Mediums (4) mit einem zweiten Schlitz (22) versehen ist, der zur Richtung des Lichtstrahles geneigt ist, so daß der Abschnitt des doppelbrechenden Mediums (4) zwischen Austrittsfläche und zweitem Schlitz ein zweites Prisma (3) bildet.

U. Filteranordnung nach Anspruch 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Schlitze (21, 22) zur Richtung des Lichtstrahles im Brewster-Winkel geneigt ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine akusto-optische Filteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das allgemeine Prinzip akusto-optischer Filter ist bekannt aus »Journal of the Optical Society of America« (1969), S. 744 bis 747 und »Applied Physics Letters« (1970), S. 223 bis 225. Wenn die Eingangsfläche des Kristalls zur Reflexion der akustischen Welle geneigt ist, ergibt sich bei den bekannten Vorrichtungen das Problem, daU der einfallende Lichtstrahl in einem beträchtlichen Winkel zur Längsachse des Kristalls geneigt werden muß, damit er entlang der Längsachse des Kristalls gebeugt wird. Die Neigung des einfallenden Lichtstrahles gegenüber der Kristallachse vermindert die wirksame optische Apertur und damit die Lichtmenge, die durch das Filter übertragen werden kann. Dieser Effekt ist als »Vignettieren« der optischen Apertur bekannt. Ein ähnlicher Effekt tritt an der Ausgangsfläche des Kristalls auf, die vorzugsweise im Brewster-Winkel zur Längsachse des Kristalls geneigt ist, um die Reflexion des Lichtstrahles an der Ausgangsfläche des photo-elastischen Materialcs herabzusetzen.

Gemäß der obengenannten Veröffentlichung in »Applied Physics Letters« wird zur brmöglichung einer kollinearen Ausbreitung von Licht und akustischer Welle im Kristall der letztere in ein ölbad eingebracht. Hierbei wird zwar auch der Einfallswinkel des Lichtstrahls in das System verkleinert; eine optimale Apertur für das Filter ergibt sich jedoch nicht.

In der älteren DTPS 21 64 311 wird vorgeschlagen.

Ijl

inen akusto-optischen Kristall in einem Flüssigkeitsbad !„zuordnen, um dadurch die Apertur zu erhöhen, per vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe runde, _ei_ne weitere akusto-optisch^ Filteranordnung der eingangs genannten Art mit einer vergrößerten ntischen Apertur zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildun- der Erfindung sind in den Unteranspriichen gekennzeichnet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeiniele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar

pig 1 schematisch ein akustisch-optisches Filter nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Seitenansicht eines Teiles der Anordnung nach F i g-1 längs der Linien 2-2,

pjg 3 einen vergrößerten Ausschnitt des durch die Linien 3-3 der F i g. 1 eingeschlossenen Teiles,

pig.4 eine vergrößerte Ansicht des durch die Linien 4.4 in F i g- 2 eingeschlossenen Teiles.

Gemäß F i g. 1 und 2 ist ein akustisch-optisches Filter 1 vorgesehen, welches sich von dem genannten, in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America« beschriebenen Filter vor allem dadurch unterscheidet, daß ein Eingangsprisma 2 und ein Ausgangsprisma 3 an riegenüberliegenden Enden des doppelbrechenden photoelastischen Kristalls 4 zur Vergrößerung der Stahlapertur des akustisch-optischen Filters 1 vorgesehen sind.

Das Filter 1 weist eine Lichtquelle 5 auf. die einen Lichtstrahl 6 durch einen Polarisator 7 und dann durch ein Prisma 2 mit einer Eingangsfläche 8 und einer Ausgangsfläche 11 schickt. Der Polarisator 7 polarisiert das Licht vertikal und linear. Zwischen der Ausgangsfläche 11 des Prismas 2 und der Eingangsfläche 12 des photoelastischen, doppelbrechenden Kristalls 4 ist ein Medium mit abgestimmtem Brechungsindex angeordnet. Das Prisma 2 und das Medium 9 bewirken, daß der Lichtstrahl 6 in den Kristall 4 längs der Y'-Achse des Kristalls 4 gebeugt wird. Die V-Achse braucht jedoch nicht notwendigerweise mit der kristallinen V-Achse zusammenzufallen.

Die Eingangifläche 12 des Kristalls 4 ist derart in einem Winkel zur V-Achse geneigt, daß eine akustische Schubwellu Si, die in den Kristall 4 mittels eines akustischen Eingangsübertragers 13 erzeugt wird, als Schubwelle S₂ von der Innenseite der Eingangsfläche 12 des Kristalls 4 in einer im allgemeinen zur V-Achse parallelen Richtung reflektiert wird. Daher breitet sich die Schubwelle S₂ parallel zu dem optischen Strahi 6 aus. um den Lichtstrahl 6 an der akustischen Schubwelle S₂ kollinear zu beugen. Der akustische Übertrager 13 wird mit Hochfrequenzenergie gespeist, die von einem nichtdargestellten abstimmbaren Hochfrequenzoszillator abgeleitet ist.

Bei einer bestimmten Kombination der Frequenzen der Lichtwcllc und der akustischen Welle ergibt sich 2\ne starke Wechselwirkung zwischen dem Licht und der akustischen Welle, wobei die akustische Welle das Licht von der ersten Polarisation des Eingangslichtstrahles 6 in eine dazu orthogonale zweite Polarisation umsetzt. Dies ergibt ein schmales Band von Lichtwellen mit der zweiten Polarisationsebene in dem Lichtstrahl mit der ersten Polarisationsebene.

Die Beugung in die zweite orthogonale Polarisationsebene erfolgt über eine photoelastische Konstante des Kristalls 4. Im Falle eines Kristalls 4 aus Lithium-Niob;r ist die photoelastische Konstante P41, und eine derartige Beugung tritt nur für ein schmales Band optischer Frequenzen f₀ auf, die mit der akustischen Frequenz /ä über folgende Gleichung in Beziehung stehen:

^CL

l'¹' ίπΓ

(D

ίο Dabei bedeutet el V das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu der akustischen Geschwindigkeit des Mediums und \ Δ η [ der Doppelbrechungsindex des Kristalls.

Im Falle von Lithium-Niobat ist das akustisch-opti-S sehe Filter 1 von 7000 bis 5500 A durchstimmbar, indem die akustische Frequenz von 750 bis 1050 MHz geändert wird. Es wird ein Bandpaü von weniger als 2 A für das Band optischer Frequenzen erhalten, das von der Eingangspolarisation in die orthogonale Polarisation bei einem 5 cm langen Kristall gebeugt wird.

Der kollinear gebeugte Lichtstrahl 6 gelangt aus dem Kristall 4 durch eine geneigte Ausgangsfläche 15 (Fig. 2) heraus und dann durch eine zweite Schicht eines Mediums 9 mit einem abgestimmten Brechungsindex durch das Ausgangsprisma 3 zu einem Polarisationsanalysator 17. Der Polarisationsanalysator. beispielsweise ein Rochon- oder Glan-Tayior-Prisma 3 trennt das Licht in dem Strahl 6 in Licht der ersten und Licht der zweiten orthogonalen Polarisationsebene. Licht mit einer /ti der linearen Polarisationsebene des Eingangslichtes orthogonalen Polarisationsebene, d. h. also in X-Richtung polarisiertes Licht gelangt durch den Polarisationsanalysator 17 als Ausgangsstrahl 18. Der Ausgangsstrahl 18 hat die typische Bandpaßcharakteristik, wogegen das Licht in dem Strahl 6 mit der gleichen Polarisationsebene wie der Eingangslichtstrahl von dem Polarisationsanalysator als Ausgangsstrahl 19 reflektiert wird. Der Ausgangsstrahl 19 hat die typische Charakteristik eines Bandsperrfilters, wobei das Sperrband den Anteil des Eingangslichtes bildet, der von der ersten Eingangspolarisationsebene in die orthogonale Polarisation umgesetzt wurde und durch den Polarisationsanalysator als Ausgangsstrahl 18 gelangt.

Die Flächennormale der Kristallausgangsfläche 15 4- liegt in der A"-V-Ebene, wogegen die Flächcnnormale der Eingangsfläche 12 in der Z- > Ebene liegt. Diese Drehung der Ebene der Eingangsfläche 12 bezüglich der Ausgangsfläche 15 des photoelastischen Kristalls 4 um 90° wird verwendet, um den Abstand /wischen den Enden 12 und 15 des Kristalls 4 unterschiedlich zu machen und die Ebene der reflektierten Wellen um %^: gegenüber den einfallenden W eilen zu verschieben, um die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer stehenden akustischen Welle in den; photoclastischen Kristall 4 minimal zu machen. Eine stehende akustische Welle würde den Betrieb eines akustisch-optischen Filters 1 stören.

Insbesondere ergibt eine stehende Welle einen Resonan/effekt bei der knilinearen Beugung bei f>,, optischen Frequenzen, die einer akustischen Frequenz des Kristalls entsprechen. Wenn die akustische Welle des akustisch-optischen I-'ilters durch eine akustische Resonanzfrequenz des Kristalls hindurch verändert u. ird, ergibt sich eine Zunahme der von der Eingangspo-(,s larisationsebene in die orthogonale Polarisationsebene umgesetzten Lichtmenge, so daß die Intensität des Ausgangslichtstrahles frequenzabhängig ist. Diese frequenzabhängige Intensitäi des Ausgan^sstrahles ist in

manchen Fällen unerwünscht und wird herabgesetzt, indem die Ausbildung stehender akustischer Wellen in dem photoelastischen Kristall 4 verhindert wird.

Gemäß Fig. 3 und 4 werden die Eingangs- und Ausgangsprismen 2 und 3 und ihre Wirkung auf die optische Apertur im einzelnen erläutert. Die Eingangsund Ausgangsprismen 2 und 3 können in einfacher Weise ausgebildet werden, indem die gegenüberliegenden Enden des photoelastischen, doppelbrechenden Kristalls 4 mit geneigten Schlitzen 21 und 22 versehen werden, die in den Kristall 4 eingebracht sind. Auf diese Weise begrenzen die Schlitze 21 und 22 das Eingangsprisma 2 und das Ausgangsprisnna 3 an gegenüberliegenden Enden des photoelastischen Kristalls 4.

Dieses Schlitzverfahren stellt sicher, daß die Prismen is

2 und 3 aus identischem Material wie der Kristall bestehen und daß die optische Achse der Prismen 2 und

3 und der Kristallkörper 4 in geeigneter Weise ausgerichtet werden.

Die Eingangs- und Ausgangsprismen 2 und 3 mit den senkrechten Eingangs- und Ausgangsflächen 8 bzw. 24 und den geneigten Ausgangs- und Eingangsflächen 11 bzw. 16 parallel zu den anliegenden Flächen 12 und 15 des Kristalls 4 stellen sicher, daß der Lichtstrahl 6 in den Kristall und aus dem Kristall heraus längs eines Weges :s parallel zu dessen Längsachse und rechtwinklig zu den Eingangs- und Ausgangsflächen 8 bzw. 24 der Prismen 2 und 3 gebeugt wird.

Der Eingangsschlitz 21 ist in einem Winkel geneigt, um die akustische Welle Si in den Weg längs der w V-Achse des Kristalls 4 zu reflektieren. Im Falle eines doppelbrechenden photoelastischen Kristalls 4 auf CaMoOi beträgt der richtige Winkel für die Eingangsfläche 12 und damit den Schlitz 21 45^: bezogen auf die V-Achse des Kristalls 4. is

Der Brechungsindex r>2 für das Medium 9 ergibt sich dann aus dcrUleichung:

= «, tan

(21 so daß an der akustischen Fläche 12 des Kristalls 4 ein. akustische Diskontinuität im Reflexionsvermögen auf tritt und im wesentlichen die gesamte akustisch! Energie von der Innenfläche 12 entlang der Längsachsi bzw. K- Achse des Kristalls 4 reflektiert wird.

An der Ausgangsfläche 15 des Kristalls 4 wird eir Schlitz 22 im Brewster-Winkel eingeschnitten, der in Falle eines Kristalls aus CaMoO4 mit der K-Achse einer Winkel von 53% bildet, so daß im wesentlichen keir Licht aus dem Strahl von der Ausgangsfläche 15 de; Kristalls 4 reflektiert wird. Der Brechungsindex dei Flüssigkeit 9 an der Außenfläche wird dann aus dei Gleichung (2) bestimmt, wobei Θ, der Winkel zwischer dem Lichtstrahl in den Kristall ('K-Achse) und dei Ausgangsfläche 15 ist. Die Ausgangsfläche 24 de; Ausgangsprismas 3 wird vorzugsweise mit einer die Reflexion verhindernden Beschichtung versehen, urr Lichtverluste des Strahles infolge von Reflexion beirr Durchgang durch das Prisma 3 zu verhindern.

In einem typischen Beispiel ist der Kristall 4 6 cm lang und hat eine Breite und eine Tiefe von 8 mm und eine optische Apertur von 6 mm Durchmesser, die sich durch die Öffnung der Dichtungseinsätze 23 ergibt. Das Medium besteht aus verfestigtem Kitt und die Flächen 12 und 15 sind in den Winkeln gemäß Fig. 3 und 4 geneigt. Die Schlitze 21 und 22 haben eine Breite von 0.51 mm und der akustische Übertrager 13 weist einen Kristall aus LiNbCh auf, der Schubschwingungen im Bereich von 30 bis 60 MHz bei einer Leistung von 1 W ausführt. Der Ausgangsstrahl 18 ist von 5500 Ä bis 6300 Ä durchstimmbar.

Durch die Verwendung von Eingangs- und Ausgangsprismen 2 und 3 wird eine Vergrößerung der Apertur für den Strahl erzielt. In einigen Fällen muß die Eingangsfläche 12 des Kristalls in einem solchen Winkel \ geschnitten werden, daß λ den kritischen Winke! von

cos

wobei /?i der Brechungsindex des .Kristalls 4 und das Eingangsprisma und θι der Winkel zwischen der Achse der akustischen Welle 5Ί (der >-Achse) und der Flächennormale 25 /ur Eingangsflache 12 des doppelbrechenden Mediums 4 ist. In einem t\pischen Beispiel hat ein Kristall 4 aus CaMoO₄ einen Brechungsindex \on ungefähr 2.0. und ein geeignetes Medium 9 weist einen optischen Kitt mit einem Brechungsindex n₂= 1.567 auf. In diesem Beispiel ist 2.0 ein guter Brechungsindex für /?;>. Diese Fehlanpassung führt dabei /u einer Reflexion von nur 1.6% des Lichtes.

Auf den Eingangs- und Ausgangsflächen 8 und 11 des Prismas 2 und auf der Eingangsfläche 12 des photoclastischen Kristalls 4 können rcflexionsverhindcrnde Schichten vorgesehen werden, um unerwünschte Strahlcnrcflexion von diesen Flächen und entsprechende Lichtveriuste zu vermeiden.

Wenn das bezüglich des Brechungsindexes abgestimmte Medium eine Flüssigkeit ist. wird in dem Schlitz 21 zur Aufnahme der Flüssigkeit ein geeigneter Dichtungscinsatz 23. beispielsweise aus Fluor-Silikon-Gummi vorgesehen. Der Dichtungseinsatz 23 kann auch bei festen Medien 9, beispielsweise einem optischen Kitt vorgesehen werden, um den flüssigen Kitt aufzunehmen, bis er erhärtet. Die Medien 9 sollten optisch transparent sein und gegenüber dem Kristall 4 einen im wesentlichen unterschiedlichen akustischen Widerstand haben.

überschreitet, und in diesem Fall sind die Prismen 2 und 3 und die Flüssigkeil 9 erforderlich, um den Lichtstrahl ₄ς durch den Kristall 4 gelangen zu lassen.

Die Endprismen 2 und 3 und/oder die Medien 9 können derart gewählt werden, daß sie Transparenzbereichc haben, die von denen des photoelastischen Mediums 4 verschieden sind, um ein Sperrfilter zu so bilden. Bei einer anderen Ausführungsform können die Materialien für die Endprismen derart gewählt werden, daß sie Brechungsindizes haben, die sich von denen des photoelastischen Mediums um einen bestimmten Betrag unterscheiden und eines oder beide Prismen können in ss bestimmten Winkeln geschnitten werden, um einen gewünschten Betrag an »Vor- und/oder Nachstreuung« des optischen Strahls 6 zu ergeben.

Eine oder beide Flächen 12 und 15 des Kristalls, durch

den der optische Strahl gelangt, können gekrümmt ausgebildet werden, und eines oder beide Endprismen können gekrümmte Flächen haben, um eine gewisse erwünschte Fokussierung zu ergeben.

Bei einer anderen Ausführungsform werden die Brechungsindizes der Medien 9 derart gewählt, daß sie hs den Durchgang des optischen Strahles durch eine oder alle mit der Flüssigkeit gebildeten Zwischenflächen beim Brewster-Winkel erlauben, um unerwünschte Reflexionen herabzusetzen.

lid oiner anderen Ausführungsform werden die akustischen Eigenschaften der Medien 9 gewählt, um das akustische Strahlenmuster in einer gewünschten Weise zu ändern, d. h. die akustische Verlustleistung in den Medien im Schlitz 22 wird bei den verwendeten akustischen Frequenzen bewußt hochge akustische Wellen /u absorbieren, die son; Ausgangsfläche 15 /um Übertrager 13 zurücl würden und eine unerwünschte stehende Welle in dem Kristall 4 ergäben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Akusto-optische Filteranordnung mit einem optisch doppelbrechenden Medium, durch das ein Lichtstrahl hindurchgeschickt wird, und mit einem akustischen Übertrager zur Erzeugung einer akustischen Welle in dem doppelbrechenden Medium, die von innen so gegen eine Grenzfläche des doppelbrechenden Mediums gerichtet ist, daß sich die an der Grenzfläche reflektierte akustische Welle kollinear zum Lichtstrahl ausbreitet, mit einem im Lichtweg vor dem doppelbrechenden Medium angeordneten weiteren lichtbrechenden Medium, dessen L'chtausganpsfläche parallel zur Eingangsfläche des doppelbrechenden Mediums ist, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere lichtbrechende Medium ein Prisma (2) ist, dessen Eingangsfläche (8) senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl (6) und dessen Ausgangsfläche (11) in der Nähe der Eingangsfläche (12) des doppelbrechenden Mediums (4) verläuft.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen der Ausgangsfläche (11) des Prismas (2) und der Eingangsfläche (12) des doppelbrechenden Mediums (4) zur Herabsetzung der Lichtreflexion ein bezüglich des Brechungsindex abgestimmtes Zwischenmedium (9) angeordnet ist.

3. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Prismas (2) und der des doppelbrechenden Mediums (4) im wesentlichen gleich sind und einem ersten Brechungsindex ri\ entsprechen und der Brechungsindex ri2 des Zwischenmediums (9) mit dem ersten Brechungsindex /7| im wesentlichen in der Beziehung steht:

02 = Πι tan6i,