DE2431976C3 - Akustooptisches Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein akustooptisches Filter, basierend auf der akustooptischen aniso^fropen Braggschen Beugung in einem TeOa-Einkristall, in den

in über einen an einer der Kristailflächen angebrachten Wandler transversale Ultraschallwellen und nicht-kollinear zu diesen das zu filternde Licht einstrahlbar ist.

Akustooptische Filter können in zwei Klassen unterteilt werden, deren eine als die der Kollinearfilter und deren andere als die der nicht-kollinearen Filter zu bezeichnen ist. Beim Kollinearfilter handelt es sich um ein akustooptisches Filter, das auf der Verwendung eines optisch anisotropen Mediums beruht, in dem das Licht und die Ultraschallwellen sich in der gleichen

ι« Richtung ausbreiten, so daß es zu einer Wechselwirkung kommt. Beim nicht-kollinearen Hiter handelt es sich um ein akustooptisches Filter, das aus einem isotropen oder anisotropen Medium besteht, in dem sich die Ultraschallwellen eines hohen Frequenzbereiches oberhalb

_>-, einiger hundert Megahertz fast senkrecht zum einfallenden Licht ausbreiten, wodurch eine Wechselwirkung eintritt.

Der Typ des Kollincarfilters soll beispielhaft anhand der Fig. 1 erläutert werden. In F i g. 1 ist ein

in sogenanntes optisches Durchlaßfilter 1 dargestellt, bestehend aus einem akustooptischen Medium 2 und einem piezoelektrischen Oszillator oder Wandler 3. In dem piezoelektrischen Wandler 3 wird ein elektrisches Signal 10 in ein akustisches Signal umgewandelt. Die so

Γι erzeugten Ultraschallwellen 4 breiten sich in dem akustooptischen Medium 2 aus. werden an einer Endfläche Il reflektiert und in Ultraschalliransversalwcllcn 5 umgeformt, die sich in dem Medium 2 fortpflanzen. Ein Linfallslichtritrahl ό wird in einem

in Polarisator 13 linear polarisiert und an der Mcdicnflache gebrochen, so daß man einen Lichtstrahl 7 erhält.

der sich in dem Medium 2 entlang der gleichen Geraden foripflanzt wie die Uliraschalllransvcrsalwcllcn 5.

Falls für IJItraschalltransversjlwcllcn mit einer

ii Frequenz f., und einer akustischen Geschwindigkeit 1. die sich entlang der gleichen Geraden fortpflanzen wie ein Lichtstrahl der Wellenlange /. im Vakuum, die durch die folgende Gleichung (I) ausgedrückte Beziehung gilt und falls es eine piezoelektrische Konstante gibt.

>ii welche die beiden Arten von Wellen miteinander verknüpft, so wird ein Bcugungsliehtstrahl erzeugt, dcscn Polarisation gegenüber der des einfallenden Lichtes um 90 gedreht ist.

/„

worin 11, und /),/ die Brechungsindi/es für den Linfalls- und den Ucugungslichtstrahl bezeichnen.

Der an einer Knufliiche 12 antretende Lichtstrahl teilt sich in einen gebeugten Strahl 9 und einen nichtgcbcugten Strahl 8 auf. Der nichtgebeugte Strahl 8 wird in einem Analysator 14 absorbiert, der rechtwinklig zu dem Polarisator 13 angeordnet ist. Der Analysator 14 läßt also nur den Bcugungslichtstrahl 9 durch.

Wie aus Gleichung (I) zu entnehmen ist. erfolgt bei einer Änderung der Frequenz f., der Ultraschallwellen eine Abstimmung auf Licht einer clcmentsprcchenden

Wellenlänge. Dadurch kann beispielsweise aus den Strahlen des weißen Lichtes ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge herausgefiltert werden.

Bei akustooptischen Filtern dieser Art erhält man eine maximale Helligkeit des Beugungslichtes bei einer Ultraschallwellenleistung P₃ ma» ausgedrückt durch

, = λ¹- /1/(2 -L- -Mc)

worin A die Wellenlänge des Lichtes im Vakuum bezeichnet, während mit L diejenige Länge bezeichnet sei, in der es zu einer Wechselwirkung zwischen Licht und Ultraschallwellen kommt, mit A die Querschnittsfläche des UltraschallwellenHusses bei der Ausbreitung in dem Fortpflanzungsmedium und mit Me die Güteziffer, welche ein Maß für die Beugungsleistung und vorzugsweise so groß wie möglich ist und die je nach den verwendeten akustooptischen Medien sehr unterschiedlich sein kann. So belaufen sich beispielsweise die Werte für das in akustooptischen Filtern am häufigs'en benutzte Calciummolybdat (CaMoOi) und für Quarz auf 2,0 bzw. 0,15 χ 10-'⁸secVg. Die Ultraschallwellenleistung Pi„u\ hat also für diese beiden Kristalle die hohen Werte 1 w/mm und 13,3 w/mm. falls L= 1 cm und A = 6328 A. Ein Wert für P.,„,._n in dieser Höhe kann zu einer starken Wärmeentwicklung und zu einer Beschädigung der Bauelemente führen, und es ist darüber hinaus auch eine starke Steuerleistungsquelle erforderlich. Bei einer für die Praxis gedachten Vorrichtung ist dies ungünstig.

Die Spektralbandbreitc SWdes Beugungslichtstrahls läßt sich im Fall der Lichtfilicrung mit Ultraschallwellen einer einzigen Frequenz annähernd durch die Gleichung

HU'

l/( lii · /.)

seiner Gesamtheit nicht mit einem einzigen piezoelektrischen Wandler durchgefahren werden. Auch liegt dieses Frequenzband der Ultraschallwellen für andere Kristalle sehr hoch, so beispielsweise für Lithiumniobat

-, (LiNbOj) oder Bleimolybdat (PbMoO₄), nämlich über einigen hundert Megahertz. In einem solchen Fall bereitet die Herstellung der Steuerleistungsquelle und des Wandlers Schwierigkeiten.

Dagegen bedient man sich bei einem bekannten

in nicht-kollinearen akustooptischen Filter der eingangs genannten Art (IEEE OSA Conference on Laser Engineering and Applications 1973, Artikel 7.4) der Tatsache, daß das Frequenzband bei einem festliegenden Einfallswinkel θα der Lichtstrahlen infoige der

r, Abweichung vom Braggschen Winkel bei einer bestimmten Wellenlänge A₀ des einfallenden Lichtes im Bereich hoher Frequenzen schmal wird, wie dies die Gleichung (4) ausdrückt, und daß eine Frequenz f\ der Ultraschallwellen, für die der Braggsche Winkel mit

.'ti dem Einfallswinkel übereinstimmt. ;ür eine andere LichtwelienlängeAi unterschiedlich ausrai-¹..

ausdrücken. Mit anderen Worten, die Spektralbandbreite ist der Doppelbrechung An und der beiderseitigen Interferenzlänge /.umgekehrt proportionional. Für das obenerwähnte Caleiummolybdat oder für Quarz liegt die .Spcklralbandbrcite bei einem etwa 3 cm langen Kristall bei ungefähr IO A. Will man die Spekiralbandbreilc ändern, so gibt es nur die Mög'ichkcil. die Lange des Kristalls anders zu wählen. Die Fiilcrcigcnschaften sind mithin bei einem akustooptischen Filier vom Kollincarlyp festgelegt. Soll beispielsweise also aus einem Strahl weißen Lichtes mühelos ein heller Ueugungslichtstrahl entnommen werden können, obwohl die Spekiralbandbreiie weil sein kann, so muß der Krislall in der Länge verkürzt werden. Wie aus der Gleichung (2) hervorgehl, muß die akustische Fingangsleistung, d. h. lctzlich also die eleklrische Eingangslcislung bei einer Verkürzung der Länge des Kristalls im Verhältnis umgekehrter Proportionalität zur Krislallängc erhöht werden.

Andererseits wird ein großer Krislall hcnötigt, wenn die SpcktralbanJbrcitc auf elwa I A begrenzt werden soll. Graue Kristalle mil guten optischen Eigenschaften sind indessen nur schwer erhältlich. Hier liegt einer der Mängel des optischen Kollinearfiltcrs.

Im Fall der Wahl einer beliebigen Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichtes (0.4 bis 0.7 (im) ist für diese beiden Kristalle ein breites Frequenzband der Ultraschallwellen von 24 bis 90MHz oder von 50 bis 94 MHz erforderlich. Wegen der liandbcgrenziing des Wandlers selbst kann das gewünschte Frequenzband in

5: 1.8 /I₁, Γ" COS «„//„ Vn

sin Μ

Vn =

Zn, ■ r

■ Vi ·

Mit Hi, /7| und /Ό, i\ sind hier die Brechungsindizes des Fortpflanzungsmediums bei den Lichtwellenlängen A₀ und Ai bzw. die Ultraschallwellenfrequenzen bezeichnet, die bei diesen Wellenlängen dem Braggschen Winkel θη entsprechen.

Die Spcktralbbreite des durchgelasscncn Lichtstrahls wird schmaler und die Farbreinheit besser, wenn Af kleiner wird. Das Fortpflanzungsmediui.i sol' also vorzugsweise einen kleineren Brechungsindex haben und die akustische Geschwindigkeit soll vorzugsweise ger.nger sein. Bei dem bekannten akustooptischen Filter rindert sich beispielsweise im Fall der Benutzung der Richtung der geringsten akustischen Geschwindigkeit in dem TeO₂- oder Paratcllurit-Einkristall bei einer Änderung der Ultraschallwellcnfrcqucnz von 300 MHz auf etwa 400 MHz die gewählte Lichiwcllcnlängc von 6328 A auf 4880 A, wobei sich die Spektralbandbreitc bei 6328 A auf 30 A belauft. Der Wert für Af beträgt hierbei 0.8 MH/. bei 300 MHz.

Obgleich das bekannte nicht-kollinearc dkustooptisehe Filier einen Paratcllurit-Einkristall verwendet, bei dem sich die akustische Geschwindigkeit nur auf ein Dritte! bis ein Fünftel derjenigen üblicher Materialien beläuft, ist eine Durchstcucrung mit Ultraschallwellen hoher Frequenz ei forderlich, die etwa über 300 MHz liegt. Die Herstellung einer Steucrlcistungsqucllc und des piezoelektrischen Wandlers bereitet daher .Schwierigkeiten. Auch i; t die Dämpfung der Ultraschallwellen bei so hohen Frequenzen stark und belauft sich beispielsweise auf etwa JdD/tm bei 100 MHz und auf 27 dB/cm bei 300 MHz. Es ergeben sich mithin in der Praxis erhebliche Unzulänglichkeiten etwa hinsichtlich der Wärmeerzeugung in einem solchen Bauelement und hinsichtlich der Notwendigkeit der Begrenzung des Strahldurchmcsscrs des Lichtstrahls.

Wie den obigen Ausführungen zu entnehmen ist, ist also das bekannte nicht-kollinearc akustooptische Filter noch mit zahlreichen Mängeln behaftet.

Der Paratelltirit-Einkristall ist für seine hohe Güteziffer von 793 :< 10"^lesecVg bekannt, wenn sich eine Ultraschalltransversalwelle mit der Verschiebungsrichtung (Ϊ10) entlang der (110)-Richtung und ein einfallender Lichtstrahl entlang der (OOt)-Richtung ausbreitet, und es ist weiter bekannt, daß es sich um einen optisch aktiven Kristall mit ausgepritgter optischer Aktivität für Lichtstrahlen mit Ausbreitung entlang der (OOI)-Richtung handelt. Falls andererseits für die Richtung senkrecht zur akustischen Wellenfront zwei unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten des Lichtes bestehen, wird durch die Ultraschalltransversalwcllc eine anisotrope Braggsche Beugung hervorgerufen. cl;i F.infalls- und Beugungswinkel des Lichtes unterschiedlich sind. Die Mindestfrequenz für die Herbeiführung dieser Erscheinung ist Λ in Gleichung (I). An diesem Punkt sind der Einfalls- und der Beugungswinkel des

Lichte? (P b?/¹.!" 5U'f d'P ' lltrasrhallwrllenfrnnt 90" "nil

-9O'\ Es ist bekannt, daß sich diese Winkel bei einer Erhöhung der Frequenz in der in Fig. 2 gezeigten Weise ändern. In F i g. 2 ist die Frequenz /öder durch

/η = _; [2H₁(II₁

gegebene Wert. Bei dieser Frequenz, erreicht der Einfallswinkel ein Minimum. Das bekannte nicht-kollineare akustooptische Filter verwendet diesen Minimalwinkel, bei dem der Einfallswinkel in bezug auf die Ultraschallwellenfront bei etwa einigen Grad liegt, was der achsnahen anisotropen Braggschcn Beugung entspricht.

Es ist zwar bekannt (Canadian Journsil of Physics, 47 [1969], 2719-2725), daß das Phänomen der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung in einem Quarzkristall beobachtet werden kann, falls sich eine Ultraschalllongitudinalwelle senkrecht zu seiner optischen Achse ausbreitet. Ausgehend von der in anisotropen Kristallen vorhandenen Abhängigkeit des Brechungsindex für den auLJeroraentiicnen strani von dessen Ausbreitungsricntung relativ zur optischen Achse gibt diese Schrift zunächst eine theoretische Erklärung für das Auftreten von achsnaher und achsferner anisotroper Braggscher Beugung in anisotropen Medien und zeigt sodann Untersuchungsergebnisse für einen Quarzkristall, die durch Messung der Lichtablenkung eines monochromatischen Laserstrahls infolge achsferner anisotroper Braggscher Beugung gewonnen sind. Doch ist dieser Schrift weder ein Hinweis auf die Anwendung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung für ein akustooptisches Filter zu entnehmen, noch auf das Auftreten der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung bei einem TeOa-Einkristall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akustooptisches Filter der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß es bei hohem Auflösungsvermögen und hoher Beugungsleistung im Bereich niedriger Ultraschallfrequenzen betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der im TeC>2-Einkristall auftretenden anisotropen Braggschen Beugung, bei der zu jedem Wert der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zwei unterschiedliche Braggsche Ablenkungswinkel existieren, die in Abhängigkeit von der Frequenz der Ultraschallwellen eine Funktion mit zwei Zweigen definieren, deren einer Zweig kleine Werte, achsnahe anisotrope Braggsche Beugung genannt, und deren anderer Zweig große Werte, achsferne anisotrope Braggsche Beugung genannt, des Braggschen Ablenkungswinkels be schreibt, die achsferne anisotrope Braggsche Beugung ■) für das zu filternde Licht verwendet ist. und daß sich die Ultraschallwellen in der (110)-Richtung oder annähernc in dieser Richtung ausbreiten und sich das zu filternde Licht mit einem Winkel von mehr als 5° in bezug auf die in (OOI)-Richtung liegende optische Achse im TeOj-Ein

in kristall fortpflanzt.

Im Rahmen der erfinderischen Bemühungen wurde festgestellt, daß sich die Frequenzabhängigkeit dc< Einfalls- und ßcugungswinkcls bei der wechselseitiger nichl-kollincarcn Beeinflussung von Licht und Ultra

η schallwellen in einem Paratcllurit-Einkristall in der ir Fig. J gezeigten Weise ändert. Bei zirkularpolarisier tem Einfallslicht sind also bei der gleichen Frequenz /wi"i Rragg«"hi' Ahlfnknnpswinkpl gpgnhrn. In Fig. entsprechen die Bczugssymbole β,ι und θ,/, den

JU Einfallswinkel und dem Beugungswinkel der F i g. 2, alsr der achsnahen anisotropen Braggschen Beugung wogegen Θ,: und (-)„<.> die betreffenden Winkel der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung bczcich nen. bei der sich das einfallende Licht und da:

:, Beugungslicht weiter abseits der optischen Achse ausbreitet.

Über die obigen Eigenschaften hinaus konnten in Rahmen der erfinderischen Bemühungen auch nocl weitere bislang unbekannte Tatsachen festgestell

in werden. So ist zunächst zu bemerken, daß die Gütcziffci für die Beugungsleistung im Para'cllurit-Einkristall fii zirkularpoiarisiertes Licht den Wert von etw; 1200 χ 10-"¹SCcVg annimmt, was etwa das Eineinhalb fache des Wertes für linearpolarisiertes Licht ausmacht

ti Für linearpolarisiertes Einfallslicht mit einem Einfalls winkel, der in bezug auf die optische Achse außerhaU des Kristalls im Bereich bis etwa 5 Grad liegt, betrag die Güteziffer anscheinend 600 bis 800 χ 10-"¹SCcVj und die Helligkeit des Beugungslichtes kann siel

an maximal nur auf 50 Prozent derjenigen des einfallende! Lichtes belaufen. Zweitens aber ist zu erwähnen, daß be einem Einiaiiswinkei, der um mehr ais i0 Grau von tie optischen Achse abweicht, selbst für linearpolarisierte Einfallslicht eine Beugungsleistung von annähernd IW -, Prozent erzielt werden kann, und daß sich die Güteziffc ebenfallsauf etwa 1200 χ 10 -^ls secVg belauft.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgender Beschreibung, in der die Erfindung unter Bezugnahm auf die Zeichnung näher erläutert ist. Es zeigt

-,o F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläute-unj eines akustooptischen Kollinearfilters,

F i g. 2 und 3 Kennliniendiagramme eines akustoopti sehen Materials,

Fig.4 eine schematische Darstellung einer Grund

5i ausführungsform eines nicht-kollinearen akustoopti sehen Filters.

F i g. 5 ein Kennliniendiagramm des akustooptischei Filters der F ig. 4.

F i g. 6a. 6b und 6c grafische Darstellungen de

bo Welienvektorbeziehungen zur Veranschaulichung de Unterschiede zwischen verschiedenen akustooptischei Filtern.

F i g. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterunj des Prinzips akustooptischer Filter, die auf de

&5 achsfernen anisotropen Braggschen Beugung beruhen, Fig.8a und 8b eine schematisierte perspektivisch Ansicht und eine schematisierte Querschnittsansich einer dispersionsfreien Ausführungsform des akustoop

tischen I liters.

Γ i g. 9 eine schematisierte Querschnittsansicht einer Ausführiingsform des akustooptischen Fillers mit vergrößerter effektiver Wechselwirkungslänge.

Fig. IO eine grafische Darstellung der Beziehungen, die /wischen dem zwischen der Wellenfrontnormalen und (.!, Kristallrichtung gebildeten Winkel und der Ausbrcitiingsrichtung einer Ultraschallwelle bestehen, und

Fig. Il eine Querschnittsansichi einsr weiteren Ausführungsfonn des ukustooptischen Filters mit vergroßer ι er effektiver Wechsel wirkungs länge.

In I" ig. 4 ist ein akustooptischcr Filter 21 mit einem I*.!tutcilurit-l'irikrist.ill 22 und einem Ultraschallwellcnwaniller 23 dargestellt, der an einer (IIO)-Fläche des Paratellurit-Finkristalls angebracht ist (d.h. an einer Fl.k-hc senkrecht zur (110)-Richtung). Der Wandler 23

plcιγ

γΙιρ«.

24 um. die sich in dem Kristall entlang der durch den Pfeil 26 bezeichneten Richtung fortpflanzen. Ein Lichtstrahl 27 strahlt mit einem Neigungswinkel (Θ) von mehr als etwa 10 Grad gegen die Ultraschallwellenfront 28 in ilen Paratcllurit-Finkristall ein. Ferner sind ein Polarisator 29. ein Analysator 30 und ßcugungslichtsirahlen 31 dargestellt.

In dem Paralcllurit-Finkristall wird linearpolarisiertes Licht, das parallel zur optischen Achse einfällt, infolge der ausgeprägten optischen Aktivität in zwei zirkularpolarisicrtc Lichtstrahlen mit Polarisationsdrehung im Ijlirzrgersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn aufgeteilt, die sich in dem Kristall fortpflanzen. Doch sind diejenigen Lichtstrahlen, die sich in einer um mehr als etwa 5 Grad gegen die optische Achse geneigten Richtung in dem Kristall fortpflanzen, nicht zirkulär polarisiert, sondern in Annäherung an die lineare Polarisation elliptisch polarisiert. So pflanzt sich beispielsweise Licht der Wellenlänge 6328 A. das mit einem Einfallswinkel von 18" gegen die optische Achse außerhalb des Kristalls eingestrahlt wird, mit einem Einfallswinkel von etwa 8" in dem Kristall fort. Die Elliptizilät liegt in diesem Fall bei etwa 0.06. Ist die tiintaiispoiarisationsricntung die (110)-Kichtung. so beläuft sich das Helligkeitsvcrhältnis des Lichtes mit Polarisationsdrehung im Uhrzeigersinn zu dem mit Polarisationsdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn auf 300 zu 1. Man kann also davon ausgehen, daß sich indem Kristall nur das Licht der einen Polarisation fortpflanzt. Ferner belief sich die Giiteziffer der Beugungsleistung in diesem Fall auf etwa 1200 χ lO'^secVg. wie den Meßergebnissen zu entnehmen war. was immer noch ein ebenso hoher Wert ist wie beim zirkularpolarisierten Licht, das sich entlang der optischen Achse fortpflanzt.

F i g. 5 gibt die Beziehungen wieder, die zwischen der Frequenz und dem Einfallswinkel (außerhalb des Kristalls) bestehen, der für verschiedene Lichtwellenlängen dem Braggschen Winkel entspricht. Wie aus F i g. 5 zu entnehmen ist. werden mit Ultraschallwellen von 2! MHz und 30 MHz die Lichtwellenlängen 6328 A und 4880 A gewählt, wenn der Einfallswinkel außerhalb des Kristalls auf eine Neigung von 20 Grad gegen die optische Achse festgelegt ist. Wird der Einfallswinkel auf 50 Grad festgelegt, so können die Lichtwelienlängen 6328 A und 4880 A mit Ultraschallwellen von etwa 50 MHz und 70 MHz entnommen werden, !n Tabelle 1 sind die Beziehungen zwischen dem Einfallswinkel, der Frequenz und der Spektralbandbreite zusammenfassend dargestellt.

Tabelle 1

Beziehungen zwischen dem Einfallswinkel und der Ultraschallwellenfrequenz für Licht der Wellenlänge 6328 A; Kristallänge I cm

Einfallswinkel	innen	Fre	Af	Spektral-
	8°4O'	quenz		breite des
	13°			Durchlichts
außen	16°30'	(MII/)	(MIIz)	(A)
20°	I9°5O'	22	0.37	106
30°	22°3O'	32	0,25	49
40°	24°4()'	42	0.2	30
50°	30°	50	0.16	21
60°	56	0,145	16
70°	61	0.13	14
	74	0.10	8

Die Unterschiede /wischen dem akustooptischen Filter, das auf der Ausnutzung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung beruht, dem herkömmlichen akustooptischen Kollincarfilter und dem bekannten nicht-kollinearen akustooptischen Filter sind leicht verständlich zu machen, indem man sich die Wechselbeziehungen /wischen den Wellenvektoren der akustischen Wellen (K.'), des einfallenden Lichtes (K,) und des Beugiingslichtes ^,/^vergegenwärtigt.

Zur Hervorbringung der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung muß der in F i g. 6c dargestellten Wellenvektorbezichung Genüge geleistet werden. Ausgedrückt werden die Wellenvektoren durch

I A', I

I Λ',, I =

2 .7/1,

/(I

Λ' I — ''
Il '

Mit Πι und o> sind hier die Brechungsindizes für den außerordentlichen und den ordentlichen Strahl bezeichnet, wenn die Lichtwellcnfrontnormale um Θι und Θ_> gegen die optische Achse geneigt ist. wobei diese Brechungsindizes durch die folgenden Gleichungen auszudrücken sind:

\ + !<■) cos² H₁ +

(it;. - /is) . ,

2
"o

- sin^: <-)

n\ = /in (I — 2Λ cos² H₂)

In den Gleichungen (6) und (7) bezeichnet Ao die Wellenlänge des Lichtes im Vakuum, mit f_a ist die Ultraschallwellenfrequenz bezeichnet, mit ν die akustische Geschwindigkeit in dem Fortpflanzungsmedium, mit rh und n_e sind die Brechungsindizes für den ordentlichen und für den außerordentlichen Strahl in dem Medium bezeichnet und mit 2<5 die Drehungskonstante, bestimmt für denJ~all der optischen Aktivität des Mediums. Das Symbol ^bezeichnet einen Wellenvektor.

Den Einfalls- und Beugungswinkel für die achsferne anisotrope Braggsche Beugung kann man aus den Gleichungen (6) und (7) erhalten, indem man die folgenden Gleichungen (8) berücksichtigt, nach Θι und 02 auflöst und jeweils die größeren Werte der Lösungen auswählt:

2.7 /ιι 2.-Τ/Ι,

cos H, = . cos (-),

Sill W₁

Sill W,

Hin Ausdruck Hir cine Niiheriingslösiing iun.li W₁ wäre

r In,. π,,) ι I (i

worin Δη die Doppelbrechung bezeichnet.

In dem akustooptischen Filter ist der Einfallswinkel (-)\ festgelegt und die Ultraschallwellenfrequcn/ f., wird ."ur Abstimmung von λι> verändert.

In F ι g. 6a. bb und bc sind die Wcllenvektorrelationen für das Kollinearfiller, das bekannte nichi-kollineare (iltcr und das die achsferne anisotrope Braggsche Beugung verwendende nieht-kollineare Filter wiedergegeben. Beim Kollinearfiltcr sind der akustische Wellenvektor (K',) und die l.ichtvektorcn (k'„ k'i) einander parallel. Bei dem bekannten nicht-kollinearen Filter liegen die Fortpflanzungsrichtungen für das einfallende Licht und das Beugungslicht (k,. kj)i\\\\ der entgegengesetzten Seite iler Wellenfront der akustischen Welle in annähernd gleichen Winkeln (dies entspricht der Braggschen Beugung in isotropen Medien). Bei dem die uiu.SiCi'iK .μμλ>,;γ..|Κ !ii'upjkl'n; !^u^ing ■·>:;"·.■,CmJc;i ilen akustoontischen F'ilter liegen demgegenüber die Fortpflanzungsrichtungen für das einfallende Licht und für das Beugungslicht (k\. k'i) auf der gleichen Seite der Wellenfront der akustischen Welle, ferner sind der Einfallswinkel H₁ und der Beugungswinkel Hj nicht gleich, und es wird eine transversale akustische Welle verwendet. Die l'rscheinuiig der achsfernen anisotropen Braggschen Beugung ist phänomenologisch nur bei Quarz als ein große Werte annehmender Zweig des Braggschen Ablenkungswinkels infolge einer akustischen Longitudinalwellc beobachtet worden. Beim Paratellurit tritt diese Erscheinung hingegen nicht bei akustischen Longitudinalwellen auf. sondern bei akustischen Transvcrsalwellen. Insbesondere ist für ein akustooptisches Filter die achsferne anisotrope Braggsche Beugung unter Verwendung von Wellen mit Schwingungsversetzung entlang der (110)-Richtung und Fortpflanzung entlang der (T 10)-Richtung sehr gut geeignet.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied gegenüber dem bekannten akustooptischen Filter vom gleichen nicht-kollinearen Typus liegt in dem Frequenzbereich der Ultraschallwellen. So genügt im vorliegenden Fa!! schon eine Ultraschallwellenfrequenz von etwa 50MHz, um eine Spektralbandbreite des Lichtes von 20 A bei 6328 A zu erzielen, wohingegen für das bekannte akustoo^tische Filter mit ähnlichen Abmessungen eine Ultraschallwellenfrequenz von etwa 270 MFIz benötigt wird (also mehr als das Fünffache der Frequenz, die im Rahmen der Erfindung erforderlich ist). Ein UltraschallwellengeneraOr mit einer so hohen Frequenz ist nur sehr schwer herzustellen.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, weist das die achsferne anisotrope Braggsche Beugung verwendende akustooptische Filter gegenüber den herkömmlichen Filtern sehr weitgehende Vorteile auf. clic sich wie folgt äußern:

a) Die Durchsteuerung kann schon mit einem elektrischen Leisuingseingang erfolgen, der sich nur aiii etwa 1/bOO beläuft, verglichen mit dem entsprechenden Wert für CaMoCh, also für jenes Material, das bei den herkömmlichen Vorrichtungen oftmals in Anwendung kam. Dies ermöglicht eine Miniatiirisicrung der Vorrichtung sowie eine Vereinfachung der Steuerschaltung und bietet weiterhin die Gewähr lür gleichbleiben de Betriebseigenschaften, da die Wärmeerzeugung in tier Vorrichtung nur gering ist.

b) Die Spektralbandbreile des durchgelassenen Lichtes kann willkürlich verändert werden, indem man den Einfallswinkel ändert. Auch bei einem kleinen Kristall lassen sich ohne weiteres Spektralbreiten \on einigen Angström bis zu einigen hundert Angstrom erzielen.

c) Der für die Entnahme \on Licht im sichtbaren l.ichlbereich erforderliche Frequenzbereich der Ul'.raschallwellen ist so schmal, dall eine Vereinfachung der Steuerschaltung und eine Durchsteuerung mit einem einzigen Wandler ermöglicht wird.

d) Die Treiberfrequenzen liegen in einem relati\ niederen Frequenzbereich unter etwa 100 MIIz. so dal.i die I lersiellung des Wandlers und einer Steuerschaltung keine Schwierigkeiten bereitet.

c) Die Vorrichtung hat eine cmlache Form, «as ebenfalls die 1 lersiellung erleichtert.

f) Beim Paratcllurit-Einkristall erstreckt sich der Bereich der optischen Durchlässigkeit von 0.3") bis '■> um Im Vergleich zu CaMoOi wird daher die l.ich.filierung

Bei der in Fig." dargestellten Ausfuhrungslorm des akustooptischen Filters sind zur Erzielung eines senkrechten Fünfalls die l.ichteintrittsflache Il und -auslriltsHächc des TeO;-Einkristalls im Fünfallswinkel H gegen die akustische Wellenfrontnormale geneigt. Dabei bezeichnet das Be/ugszeich.en 2 den akustooptischen l'aratellurit-l-ünkristall (im folgenden kurz .ils Kristall bezeichnet) und das Bezugszeichen I den Wandler, der aus einem piezoelektrischen Oszillator besteht. Das elektrische Signal 34 wird in dem Wandler 3 in eine Ultraschallwelle umgewandelt, und es erscheint die Ultraschalltransversalwelle 35. die sich in dem Kristall 2 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung fortpflanzt. Ein Lichtstrahl 36 wird durch einen Polarisator 37 linear polarisiert und fällt in den Kristall 2 in einem Winkel H₁ gegen die (OOl)-Achse des Kristalls ein. Der Lichtstrahl tritt in eine Wechselwirkung mit der Ultraschalltransversalwelle 35, so daß Beugungslicht 38 sowie nichtgebeugtes Licht 39 erzeugt wird. Das Beugungslicht 38 tritt aus dem Kristall 2 in linearer Polarisierung aus. wobei die Polarisationsebene gegenüber der des einfallenden Lichtes um 90 Grad gedreht

Sind die Eintritts- und Austrittsflächen im Winkel θι = θ, geschrägt, um in der in Fi g. 7 gezeigten Weise einen senkrechten Lichteinfall- und -austritt zu ermögli-

chen, so läßt sich der Beugungsvinkel fe>> nach den Gleichungen (8) durch

cos (-)■> =

cos H-

ausdrücken. Bei einer Veränderung der Wellenlänge ändern sich t\\ und n> in der Weise, daß sich auch der Beugungswinkel θ> in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändert, wie dies aus Fig. 7 zu ersehen ist. In dem Puratelhirii-Einkristall beträgt bei in der (Ϊ10)· Richtung schwingender und sich entlang der (110)-Richtung fortpflanzender Ultrasehalltransversalwelle und bei in einem Winkel von 20" gegen die (001) Achse und mit einer Polarisation entsprechend dem außerordentlichen Strahl in F-" i g. 7 eingestrahltem Lichtstrahl der Winkel Bjbei einer Lichtwellenlänge λ = e>328 Λ gleich 18 40 und die Austrittsrichtung ist außerhalb des Kristalls um etwa J Grad vr.p der l-.inlallsriehtung verschoben. 1-ür Licht der Wellenlänge 4880 A ist (-), = 18 15' und die Verschiebung beträgt außerhalb des Kristalls etwa 3 I8\

Da sich der Bcugungswinkel in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes in dieser Weise ändert, ist bei der Verwendung des akustooptisehcn Filters zur Farbtrennung oder als Spektrometer insofern ein Mangel zu verzeichnen, als ein Lichtdetektor je nach der Wellenlänge verschoben werden muß.

Im folgenden soll eine AusLihrungsform des akustooptischcn F'iltcrs beschrieben werden, bei dem die durch Wcllenlängenunterschiede bedingte Änderung des Bcugungswinkels verringert werden kann.

Bei dieser Ausführungsform ist die Austrittsfläche nicht parallel zur Richtung der Eintrittsfläche vorgesehen, sondern sie ist in einem kleinen Winkel gegen diese geneigt, wodurch dem obigen Mangel abgeholfen u ird.

Diese Ausführungsform isi in I" ig. 8a und 8b dargestellt, und die Be/ugszeiclien 2 und J bezeichnen wieder den akustooplischen Kristall bzw. den Wandler. Die Normale der Austrittsfläche ist gegen die optische Achse ((00I)-Achse) etwas schwächer geneigt als die der Wie aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, kann die Änderung im Austrittswinkel verringert werden, und es läßt sich mit dieser Ausführungsform erreichen, daß das Licht verschiedener Wellenlängen im wesentlichen in der gleichen Richtung austritt.

Bei den Anordnungen der F i g. 7 und 8a sowie 8b ist die Eintrittsflache 11 gegen die (OOl)-Fläche des Kristalls geneigt, um einen senkrechten Lichteinfall zu ermöglichen. In diesem Fall ergibt sich für die Maximallänge L,„.,_v des an einer (lOO)-Fläche 32 des Kristalls angebrachten Wandlers eine Begrenzung auf

/ _v ■ It cos H, R (an H₁

um die Reflexion tier Ultraschallwellen an der optischen F.intritlsflächc zu beseitigen (falls Reflexion auftritt, wirkt sich dies im Sinne einer ungünstigen Reflexion von Licht verschiedener Wellenlängen aus), wobei W nier clic Länge des Kristalls in der (OOI)-Kichtung und K den Strahldurchmesser des Einfallslichtes bezeichnen. Wie in F-" i g. 7 gezeigt ist, wird die effektive Wcchselwirkungslänge des Lichtes und der Ultraschallwellen also kurzer als die talsächliche Kristallänge W. Die., bedeute» eine Erhöhung der für eine lOOprozcniige Beugung erforderlichen akustischen Eingangsleistung. Da ferner die Spektralbandbreite des durchgclassenen Lichtes der Länge des Wandlers umgekehrt proportional ist. wird auch ein entsprechend großer Kristall benötigt, wenn man Licht von schmaler Bandbreite erhalten und eine stabile Betriebsweise erzielen will, und der nicht benötigte Teil fällt somit groß aus.

In Anbetracht dieser Umstände wurde eine Ausführungsform des auf der achsfernen anisotropen F3raggschcn Beugung beruhenden akustooptischen Filters geschaffen, bei der in der Gesamtlänge des Kristalls eine effektive Wechselwirkung des Lichtes und der Ultraschallwellen vermittelt werden kann.

Bei dieser nachstehend beschriebenen Ausführungsform ist vorgesehen, daß ci.e Normale der ultraschallwellenfront, die sich in dem Kristall ausbreitet, nicht mit der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen zu

dem Einfalls- und dem Beugungswinkel kann nach dem Snellschen Gesetz und nach Gleichung (8) durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

»ι cos H₁

con '■'■

(K)I

sin {Η. Ι π,ι sin H₁

Diese Gleichungen (K)) werden für den gesamten erforderlichen Wcllenlängenbcreich gelöst, und es wird der günstigste Wert für sinöi bestimmt, um so JOi, festzulegen

Gehl man davon aus,daß der Einfallswinkel Hi = 20 und der Vcrsetzungswinkcl als mittlerer Winkel auf ζ1θ:> = 4^η10' festgelegt seien, so ist für Licht der Wellenlänge 6328 A der Einfallswinkel in die Austrittsfläche in dem Kristall 2"50' und der Austriltswinkel außerhalb des Kristalls ist 6" 25'. während sich die Werte für Licht der Wellenlänge 4880 A auf 2°45 und 624' belaufen.

Die Verschiebung im Austrittswinkel für Licht der Wellenlängen 6328 A und 4880 A. die sonst !8 Minuten beträgt, ist somit auf etwa 1 Minute reduziert. Bei den übrigen Wellenlängen hält sich die Verschiebung im Austrittswinkel in der gleichen Größenordnung.

länge vergrößert wird.

Die Prinzipien dieser Ausführungsform sollen anhand der in F i g. 9 dargestellten Anordnung beschrieben werden. Vom Paratellurit-Einkristall ist bekannt.daß die Fortpflanzungsrichtung 64 der Ultraschallwellen (d. li. die F.nergieflußrichlung der Ultraschallwellen) eine starke Neigung gegen die (UO)-Richtung annimmt, wenn die Wellcnfrontnormale 61 einer Ultraschallwelle leicht gegen die (I IO)-Richtung 62 des Kristalls geneigt und zu der (001)-R ich tu ng 63 nichlorthogonal wird, wie dies in F i g. 9 gezeigt ist. Bei der in Fig. 9 veranschaulichten Anwendung dieser Erscheinung in dem akustooptischen Filter mit achsferner anisotroper Braggseher Beugung kann sich die Ultraschallwelle effektiv durch den gesamten Kristall fortpflanzen, ohne daß es zu einer Reflexion an der optischen Eintrittsfläche 51 des Kristalls 42 kommt, auch wenn ein langgestreckter Wandler 43 vorgesehen sein sollte, und die effektive Wechselwirkungslänge des einfallenden Lichtes 48 und der Ultraschallwellen 45 kann somit vergrößert werden.

Die Eintrittsfläche 51 ist hierbei aus der (liO)-Richi.ung um den Winke! Θ,·gegen die(0Q!)-Richtung geneigt. Die Fläche 52, an welcher der Wandler 43 angebracht ist, ist von der (110)-Fläche um einen Winkel θ* gegen die (110)-Richtung geneigt. Die Wellenfrontnormale 61

der von dem Wandler 43 erzeugten akustischen Wellen ist daher ebenfalls um den Winkel Θ/, aus der <110)-Richtung geneigt Wegen der Anisotropie des Kristalls ist also die tatsächliche Fortpflanzungsrichtung (Energieflußrichtung/ 64, in der sich die akustischen Wellen ausbreiten, um einen Winkel Θ., aus der (110)-Richtung geneigt Diese Beziehung zwischen θί, und θ j ist in F i g. 10 dargestellt Die Werte für Θ, und Θ* können durch eine entsprechende Wahl von Θ*, einander angeglichen werden, d. h., es kann erreicht werden, daß sich die akustischen Wellen entlang der Eintrittsfläche fortpflanzen.

Ist beispielsweise der Einfallswinkel Θ, auf 30° festgelegt, so kann sich die Ultraschallwelle 45 mit einer Neigung gleich Θ, (= 30°) fortpflanzen, falls B_b zu 2,5° gewählt wird. Das Licht und die Ultraschallwellen können also im gesamten Kristallbereich in Wechselwirkung treten.

Wird bei dieser Ausführungsform der Winkel Θ/ auf 30° festgelegt und hat der Lichtstrahl einen Durchmesser von 5 mm, während die Länge des Kristalls 20 mm beträgt, so kann die akustische Eingangsleistjng dadurch auf etwa 72 Prozent gesenkt und die Spektralbandbreite auf das 0,72fache verringert werden.

Bei der obigen Ausführungsform wird die Form des Kristalls abgeändert und die Fläche für die Anbringung des Wandlers wird um Θ;, aus der (OOl)-Richtung gent.gt, um die Orthogonalbeziehung zwischen der Ultraschallwellenfrontnormalen und der (OOl)-Richtung des Kristalls aufzuheben.

Bei einer weiteren, in F i g. 11 gezeigten Ausführungsform kann der Kristall die übliche Form aufweisen, wobei jedoch zwischen den Kristall 42 und den Wandler 43 ein Zwischenmedium eingefügt wird, so daß die Anbringungsfläche 52 für den Wandler mit der (00 \y Rieh tu ng einen Winkel bildet wodurch die Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen geändert wird. Genauer gesagt zwischen den Kriaall und den Wandler 43 wird ein keilförmiges Zwischenmedium 55

in eingefügt dessen akustische Impedanz gleich oder annähernd gleich der des Kristalls 42 ist wobei dieses Zwischenmedium beispielsweise aus einem Chalkogenidglas oder aus einem anderen Tellurdioxid-Einkristall bestehen kann, um so zu erreichen, daß sich die Normale

Ii der Ultraschallwellenfront nicht rechtwinklig zur (001)-Richtung des Kristalls erstreckt Die Ultraschallwellen können sich also in schräger Richtung fortpflanzen, und es kann effektiv im gesamten Kristall eine Wechselwirkung eintreten. Der Winkel α des Keils kann

»ii O¹¹S der Gleichung

sin \ = r„, · sin H_hjv_Tr

bestimmt verden. worin v_m und v_Tc die akustischen r, Geschwind ekeiten in dem Zwischenkcilmcdium und im Paratelluru DC/cichnen.

Allerdings ist es bei dieser Ausführungsform zweckmäßiger, wenn nut ein solches Zwischenmedium verzichtet wird und wenn stattdessen der Kleber für die jo Anbringung des Wandlers in Keilform aufgebracht wird.

Hier/u 7 I)UiIt /c

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Akustooptisches Filler, basierend auf der akustooptischen anisotropen Braggschen Beugung in einem TeOrEinkristall, in den über einen an einer der Kristailflächen angebrachten Wandler transversale Ultraschallwellen und nicht-kollinear zu diesen das zu filternde Licht einstrahlbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der im TeOrEinkristall auftretenden anisotropen Braggschen Beugung, bei der zu jedem Wert der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zwei unterschiedliche Braggsche Ablenkungswinkel existieren, die in Abhängigkeit von der Frequenz der Ultraschallwellen eine Funktion mit zwei Zweigen definieren, deren einer Zweig kleine Werte, achsnahe anisotrope Braggsche Beugung genannt, und deren anderer Zweig große Werte, achsferne anisotrope Braggsche Beugung genannt, des Braggschen Ablenkungswinkels beschreibt, die achsferne anisotrope Braggsche Beugung für das zu filternde Licht verwendet ist, und daß sich die Ultraschallwellen in der (110)-Richtung oder annähernd in dieser Richtung ausbreiten und sich das zu filternde Licht mit einem Winkel von mehr als 5° in bezug auf die in (OOI)-Richtung liegende optische Achse im TeOj-Einkristall fortpflanzt.

2. Akustoopiisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Einirittsfläche (11) für das zu filternde Licht dienende Kristallfläche des Einkristani (2) unter einem einem senkrechten Lichteinfall auf die Einlnllsfläc"e (11) entsprechenden Neigungswinkel (Biegen (jj_c Wcllenfrontnormale der Ultraschallwellen gencip ist.

3. Akustooptisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Austrittsfläche dienende Kristallflüche parallel zur Eintrittsfläche (II)ausgerichtet ist.

4. Akustooplisches Filter nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die als Austrittsflächc dienende Kristallfläche zum näherungsweisen Ausgleich der Abhängigkeil des Austrittswinkcls dcr> aus der Austrittsfläche austretenden Lichtes von seiner Wellenlänge unlcr einem Winkel gegen die Wellenfrontnormalc der Ultraschallwellen geneigt isi. dessen Größe durch den um einen in Abhängigkeit vom vorgesehenen Wcllcnlängcnbcreich angepaßten minieren Winkel ΔΘ2 verminderten Neigungswinkel (Θι) der Eintrittsflächc gegeben ist.

5. Akustooptisches Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale der Eintrillsfläehc (11) und die Wcllcnfront der Ultraschallwellen einen Winkel von 20' miteinander bilden, während die Normale der Austrittsflächc und die Wellenfronl der Ultraschallwellen einen Winkel von 15° 50'miteinander bilden.

6. Akusiooplische.s Filter nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gckcnnzcichnel, daß die Wellenfroninormale (61) und die Energicfldßrichtung (64) bei den sich in dem Einkristall (42) fortpflanzenden Ultraschallwellen nicht miteinander zusammenfallen.

7. Akustooptisches Filter nach Anspruch b. dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (43) an einer gegen die (IIO)-Ebcne des Einkristalls (42) geneigten Fläche (52) angebracht ist.

8. Akustooptisches Filter nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die (I IO)-FIache des Einkristalls (42) und den Wandler (43) ein keilförmiges Zwischenmedium (55) eingefügt ist.