DE2234838C3 - Akusto-Optische Fiteranordnung - Google Patents
Akusto-Optische FiteranordnungInfo
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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, eine 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)
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,
Applications Claiming Priority (2)
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US16511271A | 1971-07-22 | 1971-07-22 | |
US16511271 | 1971-07-22 |
Publications (3)
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DE2234838A1 DE2234838A1 (de) | 1973-02-01 |
DE2234838B2 DE2234838B2 (de) | 1976-09-30 |
DE2234838C3 true DE2234838C3 (de) | 1977-05-12 |
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