DE2855008B2

DE2855008B2 - Elektrisch durchstimmbares optisches Filter

Info

Publication number: DE2855008B2
Application number: DE2855008A
Authority: DE
Inventors: Richard L. Abrams; James F. Malibu Lotspeich; Douglas A. Pinnow
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-09-18
Also published as: FR2413675A1; FR2413675B1; DE2855008C3; GB2011641A; US4197008A; JPS5492766A; DE2855008A1; NL7812565A; JPS6024925B2; GB2011641B

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch in seiner spektralen Durcnlaßcharakteristik durchstimmbares optisches Filter mit zwei längs eines optischen Weges im Abstand voneinander angeordneten Polarisatoren, einem auf dem optischen Weg zwischen den Polarisatoren angeordneten, doppelbrechenden kristallinen Medium, das eine zum optischen Weg senkrecht stehende optische Achse aufweist, und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Medium.

Ein solches optisches Filter ist aus der DE-OS 00 361 bekannt. Bei diesem bekannten Filter ist die optische Achse des Mediums im feldfreien Zustand auf die Polarisationsrichtung des Eingangs-Polarisators ausgerichtet, so daß das durch den Eingangs-Polarisator einfallende Licht das kristalline Medium unverändert durchläuft. Je nach der Stellung des Ausgangs-Polarisators wird dieses Licht vom Filter durchgelassen oder gesperrt. An das kristalline Medium kann eine solche Spannung angelegt werden, daß die optische Achse gegenüber der Polarisation des Eingangs-Polarisators

um 45" verdreht wird, För Licht einer bestimmten Wellenlenge bildet das kristalline Medium ein λ/2-Blättchen, so daß die Polarisationsebene dieses Lichtes um 90° verdreht wird. Infolgedessen wird dieses Licht, je nach der Stellung des Ausgangs-Polarisators, nunmehr gesperrt bzw, durchgelassen. Bei Verwendung von monochromatischem Licht bildet das bekannte Filter einen elektro-optischen Verschluß. Bei Verwendung von polychromatischem Licht hat das Filter die Charakteristik eines Bandpasses oder einer Bandsperre, dessen Durchlaß- bzw. Sperrbereich durch Verändern der an das optische Medium angelegten Spannung verschiebbar ist, weil die von dem optischem Medium hervorgerufene Phasendrehung vom angelegten Feld abhängig ist und sich auf diese Weise eine Phasenver-Schiebung von λ/2 für unterschiedliche Wellenlängen einstellen läßt. Die funktionell^ Zusammenhänge sind jedoch kompliziert, und es läßt sich nur in etwa die Mittenfrequenz des Durchlaß- bzw. Sperrbandes festlegen, nicht aber die Breite des Sperr- bzw. Paßbandes.

Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, Band S5, Nr. 6 (Juni 1965), S. 621 bis 625, ein optisches Filter bekannt, hz\ dem eine Anzahl doppelbrechender Platten auf dem Ausbreitungsweg eines Lichtstrahles zwischen zwei Polarisatoren angeordnet ist, deren Polarisationsrichtungen oder Durchlaßrichtungen für polarisiertes licht senkrecht zueinander stehen. Die optischen Achsen der aufeinanderfolgenden doppelbrechenden Platten sind um gleiche, abwechselnd positive und negative kleine Winkel gegenüber der Polarisationsrichtung des Eingangs-Polarisators verdreht Von diesem Filter wird Licht in schmalen Bändern übertragen, welche die Wellenlängen umgeben, für weiche die einzelnen doppelbrechenden Platten Halbwellen-Platten oder ungeradzahlige Vielfaehe von Halbwellen-Platten bilden. Da die Durchlaß-Wellenlängen durch die Plattendicke und die Doppelbrechung des Plattenmaterials bestimmt wird, sind bei einem Filter dieses Typs die Durchgangs-Wellenlängen auf bestimmte, feste Werte beschränkt.

Elektrisch abstimmbare optische Filter sind aus der US-PS 36 79 288, dem »Journal of the Optical Society of America«, Band 59, Nr. 6 (Juni 1969), Seiten 744 bis 747, den »Applied Physics Letters«, Band 15, Nr. 10 (15. November 1969), Seiten 325 und 326, sowie den »Applied Physics Letters«, Band 17, Nr. 5 (1. September 1970), Seiten 223 bis 225, bekanm. Bei dieser Art von Filter entsteht aus einer linear-polarisierten Lichtwelle durch Streuung eine dazu orthogonal polarisierte Lichtwelle, indem die Welle durch einen zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordneten doppelbrechenden Kristall geleitet wird, in welchem gleichzeitig eine sie': in gleicher Richtung wie die Lichtvelle ausbreitende akustische Welle erzeugt wird.

Diese Streuung findet in einem schmalen Band von Lichtwellenlängen statt, welche die Beziehung befriedigen, daß die Summe der Moment-Vektoren der einfallenden Lichtwelle und der akustischen Welle gleich dem Moment-Vektor der ausfallenden Lichtwelle ist. Durch Ändern der akustischen Frequenz kann die Wellenlänge des Lichtes, für welche der Wirkungsgrad der Streuung in der orthogonalen Polarisation am größten ist, geändert werden, wodurch das Durchlaßband des Filters eine entsprechende Änderung erfährt.

Da dieses akusto-optische Filter die Anwendung einer laufenden Schallwelle erfordert, die nach einem Durchgang durch den Kristall verlorengeht, ist eine ständige Leisüingszulu'.r zur Erzeugung neuer akustischer Wellen kurzer Lebensdauer erforderlich. Infolgedessen hat ein solcher Filter einen sehr hohen Leistungsbedarf. Weiterhin erfordert tin solches filter die Anwendung eines elektro-akustischen Wandlers zur s Umwandlung elektrischer Steuersignale in akustische Wellen. Da der Frequenzbereich solcher elektro-akustischer Wandler begrenzt ist, ist auch der Bereich der optischen Abstimmung des Filters beschränkt. Darüber hinaus kann bei höheren Fourier-Frequenzkomponen-

H) ten eine erhebliche Absorption der Schallwellen stattfinden, wenn der Wandler mit Harmonischen seiner Grundfrequenzen betrieben wird.

Eine weitere Art optischer Filter besteht in Mehrschicht-Interferenzfiitern, die aus abwechselnden Materialschichten mit hohen und niedrigen Brechungsindizes bestehen. Wenn ein elektrisches Feld an ein solches Filter angelegt wird, findet infolge elektro-optischer Effekte eine Änderung der Größe der Brechungsindizes statt, wodurch die Länge des optischen Weges im Filter und infolgedessen das Durchlaßband des Filters geändert wird. Optische Fil'sr dieser Art sind als Komponenten von optischen Verschlüssen in den US-PS 29 60 914 und 31 64 665 beschrieben. Die Änderung der Brechungsindizes und demgemäß die Verschiebung des Durchlaßbandes, die bei solchen Mehrschicht-Interferenzfiltern mittels praktisch anwendbarer Spannungswerte möglich ist, ist se gering, daß die Anwendbarkeit solcher Filter auf spezielle Zwecke beschränkt ist, wie beispielsweise auf optische

in Verschlüsse, wie sie in den genannten Patentschriften behandelt sind. Weiterhin können solche Filter nicht elektrisch programmiert werden, um beispielsweise auf mehrere Durchlaßbänder oder ein einziges Durchlaßband veränderbarer Breite eingestellt werden zu können.

Der elektro-optische Effekt ist auch zur Lichtmodulation durch Ändern des Brechungsindex eines elektrooptischen Kristalls mittels einer sich zeitlich ändernden Modulationsspannung benutzt worden. Ein Lichtmodulator dieser Art ist aus der US-PS 40 54 362 bekannt. Obwohl in dieser Patentschrift von der Verwendung di :ser Einrichtung als »gesteuertes Filter« die Rede ist, ist ein solches Filter nicht elektrisch abstimmbar, d. h., daß dessen Durchlaß- oder Sperrbänder nicht in

4> Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Signal verschiebbar sind.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch durchstimmbares optisches Filter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem nicht

>o nur die Lage des Durchlaß- bzw. Sperrbandes, sondern auch dessen Breite in einem sehr großen Bereich elektrisch veränderbar ist

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektroden so angeordnet und

)"> angesteuert sind, daß das erzeugte elektrische Feld eine periodische Funk'ion der Länge des optischen Weges und so gerichtet ist, daß es die optische Achse des Mediums innerhalb der zum optischen Weg senkrechten Ebene um einen zur jeweiligen Feldänderung proportir.-

w) nalen Winkel ver Jreht und die Periode Λ der Änderung der elektrischen Feldstärke für die auszufilternde LichtweHenlänge A der Gleichung A = Λ ■ Δη entspricht, in der Δη die Doppelbrechung für die Wellenlänge λ bedeutet.

hi Auf diese Weise wird ein elektrisch durchstimmbares optisches Filter geschaffer,, das äußerst vielseitig ist und elektrisch auf eine extrem große Vielzahl verschiedener Übertragungseigenschaften programmiert werden

kann.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines elektrisch abstimmbaren, optischen Filters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, die veranschaulicht, welche Wirkung das Anlegen einer Spannung an einen einzelnen Kristall hat, wie er bei dem Filter nach F i g. I verwendet ist,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung, die die Wirkung des Anlegens verschiedener Spannungen an aufeinanderfolgende Platten des Filters nach F i g. 1 veranschaulicht.

F i g. 4, 4a, 4b und 4c Diagramme, die in Verbindung mit Fig. J zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Filters nach der Erfindung dienen,

F iß. 5a, 5b und 5c Diagramme von Steuerspannungen, wie sie bei einem Filter nach F i g. ] als Funktion des Abstandes längs des Filters verwendet werden können.

F i g. 6a und 6b Diagramme von beispielhaften Steuerspannungen, wie sie zur Erzeugung von komplizierten Übertragungs-Charakteristiken der Filier verwendet werden können.

Fig. 7 und 8 perspektivische Darstellungen weiterer Ausführungsformen von abstimmbaren optischen Filtern nach der Erfindung und

Fig. 9 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Filters nach der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird ein Lichtstrahl 10, der dem elektrisch abstimmbaren, optischen Filter zugeführt wird, von einer Lichtquelle 12 erzeugt, bei der es sich um eine schmalbandige kohärente Lichtquelle, wie beispielsweise ein Laser, oder eine breitbandige, inkohärente Lichtquelle, wie beispielsweise eine Glimmentladungsröhre oder eine Glühlampe, handeln kann. Das von der Lichtquelle 12 erzeugte Licht kann im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bereich des Spektrums liegen oder auch zwei oder mehr dieser Bereiche überlappen. Wenn die Lichtquelle 12 ein ungerichtetes Licht erzeugt, können Collimator-Spiegel und/oder Linsen dazu verwendet werden, die Konzentration des Lichtes am Eingang des Filters zu erhöhen.

Bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Filter durchläuft der Lichtstrahl 10 einen Eingangs-Polarisator 14, der dem Licht die gewünschte Linearpolarisation erteilt, eine elektro-optische Kristallanordnung 16, deren Aufbau nachstehend im einzelnen beschrieben wird, und einen Ausgangs-Polarisator oder Analysator 18. der Licht passieren läßt, dessen Polarisationsrichtung einen vorbestimmten Winkel mit der Polarisationsrichtung des Lichtes bildet, das aus dem Eingangs-Polarisator 14 austritt. Bei dem in Fig. 1 verwendeten Koordinatensystem breitet sich der Lichtstrahl 10 längs der Λ'-Richtung aus. während der Eingangs-Polarisator 14 eine Polarisation des eintretenden Lichtes in der V-Richtung bewirkt und der Ausgangs-Polarisator 18 so ausgerichtet ist, daß er nur in Richtung der Z-Achse polarisiertes Licht passieren läßt, das dann den Ausgangs-Strahl 20 bildet. Wenn die Polarisationsrichtungen des Eingangs-Polarisators 14 und des Ausgangs-Polarisator·: !*? senkrecht aufeinanderstellen, wie es in Fig. i dargestellt ist. hat das Filter die Charakteristik eines Bandpasses, bei welchem der Ausgangs-Lichtstrahl 20 nur aus dem Licht einer ausgewählten Wellenlänge oder eines solchen Wellenlängenbereiches besteht, das innerhalb des Spektrums des Eingangs-Lichtstrahls 10 vorhanden ist. Es ist jedoch auch möglich, die Polarisationsrichtungen der Eingangs- und Ausgangs-Polarisatoren parallel zueinander auszurichten, so daß das Filter die Charakteristik einer Bandsperre erhält und der den Ausgangs-Polarisator 18 durchdringende Ausgangs-Lichtstrahl 20 alle Wellenlängen des Eingangs-Lichtstrahls 10 umfaßt, abgesehen von einer ausgewählten, abgeblockten Wellenlänge oder einem solchen Wellenlängenbereich.

Die elektro-optische Kristallanordnung 16 besteht grundsätzlich aus einem doppelbrechenden kristillinen Medium und einer Anzahl Elektroden, an die programmierbare Steuerspannungen angelegt sind, die ein sich längs der Richtung der Lichtausbreitung durch das kristalline Medium räumlich änderndes elektrisches Gleichfeld erzeugen. Die räumliche Änderung dieses elektrischen Feldes wird mittels der programmierbaren Spannungen gemäß den Wellenlängen eingestellt, die von dem Filter übertragen oder gesperrt werden sollen. Das doppelbrechende kristalline Medium kann entweder aus einer Anzahl einzelner Kristalle oder einem einzigen Kristall bestehen, der mehrere elektro-optische Wechselwirkungszonen besitzt, denen die verschiedenen Elektroden zugeordnet sind. Verschiedene Ausfühningsbeispiele möglicher Kristallanordnungen werden nachstehend erläutert.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das doppelbrechende kristalline Medium aus einer Reihe Kristallplatten 22. die in der X-Richtung derart hintereinander angeordnet sind, daß ihre einander gegenüberliegenden Oberflächen parallel zur KZ-Fbene stehen. Wie dargestellt, sind die optischen Achsen der Kristallplatten 22 parallel zur Richtung des polarisierten Lichtes ausgerichtet, das aus dem Eingangs-Polarisator 14 austritt, also parallel zur V-Richtung.

Um an die Kristallplatten 22 ein elektrisches Feld anlegen zu können, sind an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Kristallplatten 22 Elektroden 24 angebracht, die aus einem Material bestehen, das für die Wellenlängen des den Eingangsstrahl 10 bildenden Lichtes durchsichtig ist. Ein zur Herstellung der Elektroden 24 bei der Verarbeitung von weißem oder infrarotem Licht geeignetes Material ist beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO). Es versteht sich jedoch, daß auch andere Materialien geeignet sind und verwendet werden können. Die Kristallplatten 22 können mittels Schichten 26. die aus einem durchsichtigen Epoxydharz bestehen und zwischen benachbarten Elektrod .1 24 aufeinanderfolgender Kristallplatten 22 angeordnet sind, zu einem Stapel verbunden werden. Um das oben erwähnte, sich längs der Kristallanordnung 16 räumlich ändernde elektrische Feld zu erzeugen, wird eine Anzahl von Steuerspannungen Vj, V2. V₃... Vs an die Elektroden 24 der entsprechenden ersten, zweiten, dritten bis yV-ten Kristallplatten 22 angelegt Es versteht sich, daß es sich bei den Spannungen V, bis Vs um Gleichspannungen handelt.

Bevor die Wirkungsweise des elektrisch abstimmbaren, optischen Filters nach F i g. 1 beschrieben wird, soll die der Wirkungsweise der Filter zugrunde liegende Theorie anhand der F i g. 2, 3 und 4 dargelegt werden. F i g. 2 veranschaulicht die Wirkung einer Spannung V, die an ebene Elektroden 30 und 32 angelegt ist, die sich auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines doppelbrechenden Kristalles 34 befinden, dessen opti-

sehe Achse 36 parallel zur K-Achse gerichtet ist. während die Elektroden 30 und 32 parallel zur KZ-Ebene des in F i g. 2 dargestellten Koordinatensystems angeordnet sind. Das Anlegen einer Spannung V an die Elektroden 30 und 32 hat zur Folge, daß die optische Achse 36 des Kristalls 34 eine effektive Drehung um die .Y-Achse in eine neue Richtung 36' ausf'V-rt, die einen Winkel + « mit der ursprünglichen optischen Achse 36 bildet. In gleicher Weise hat das Anlegen einer Spannung — Van die Elektroden 30 und 32 eine Drehung der optischen Achse in line Richtung 36" zur Folge, die mit der ursprünglichen optischen Achse 36 einen Winkel -x bildet. Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung Vund der Drehung der optischen Achse um den Winkel \ ist durch die folgende Gleichung gegeben:

I =

in ig \

In der Gleichung (1) bedeuten n„ und n_c die ordentlichen und außerordentlichen Brechungsindizes des Kristalles 34, An= n„— n,. die statische Doppelbrechung des Kristalls, h den Mittelwert von n„ und n„ t die Dicke des Kristalls in Richtung der X-Achsc und r_tJ den geeigneten elektro-optischen Koeffizient dessen Bedeutung nachstehend noch erläutert wird.

Da die interessierende Größe des Drehwinkels λ der optischen Achse gewöhnlich sehr klein ist. kann tg λ gleich λ gesetzt werden. Für diesen Fall läßt die Glei hung (I) erkennen, daß der Rotationswinkel /x der optischen Achse annähernd der angelegten Spannung V proportional ist.

Es sei angenommen, daß eine Anzahl doppelbrechender Kristallplatten 34a. 34b. 34c, 34d und 34e auf der X-Achse zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 40 und 42 hintereinander angeordnet sind, wie es Fi ρ 3 zeigt. Bei den Polarisatoren 40 und 42 kann es sich um die gleichen handeln wie sie in F i g. 1 dargestellt sind. Die optischen Achsen 36a, 366. 36c, 36c/ und 36e der Kristallplatten 34a bis 34e sind alle längs der X-Achse und infolgedessen parallel zur Polarisationsrichtung des Eingangs-Polarisators 40 ausgerichtet. Es sei weiter angenommen, daß an die einzelnen Kristallplatten 34a bis 34e Spannungen angelegt sind, die eine Rotation der optischen Achsen 36a bis 36e in neue Richtungen 36' bzw. 36" bewirken, welche mit der K-Achse einen Winkel +«bzw. -« einschließen. Demgemäß sieht das in der K-Richtung polarisierte Licht, welches sich längs der X-Achse ausbreitet, eine Anzahl Kristallplatten, deren optische Achsen abwechselnd mit seiner Polarisationsrichtungeinen Winkel +«bzw. —«bilden.

Wenn alle Kristallplatten 34a bis 34e die gleiche Dicke f und die gleiche Doppelbrechung Δη aufweisen, gibt es eine Wellenlänge A₀, für welche die Kristallplatten jeweils als Halbwellenplatte wirken. Genauer gesagt, bilden die Kristallplatten Halbwellenplatten oder ungeradzahlige Vielfache von Halbwellenplatten für Licht der Wellenlängen A₀. welche der Gleichung

'■o

(1 +2Λ/) = t In

genügen, in der M eine positive ganze Zahl oder Null bedeutet. Es ist allgemein bekannt, daß auf eine Haibweilenpiatte einfallendes Licht, dessen Poiarisationsrichtung einen bestimmten Winkel mit der optischen Achse der Halbwellenplatte bildet, von der Hfilbwellenpliiue in eitlen Ausgangs-Lkhtslrahl umgewandelt wird, dessen Polarisierung so weit gedreht worden ist. daß die Polarisationsrichtung mit der optischen Achse einen gleichen, aber auf der entgegengesetzten Seite der optischen Achse liegenden Winkel bildet wie der Eingangsstrahl.

Der Durchgang von polarisiertem Licht mit einer Wellenlänge, die der Gleichung (2) genügt, durch die in Fig.3 veranschaulichte Gruppe von Kristallplatten, ist in den F i g. 4,4a, 4b und 4c schematisch veranschaulicht. In F i g. 4 ist dargestellt, daß das Licht 44 des Eingangsstrahles nach Passieren des Eingangs-Polarisators 40 in Richtung der K-Achse polarisiert ist. Wie oben angegeben, liegt an der ersten Kristallplatte 34a eine Spannung an, welche die optische Achse 36a in die Richtung 36' verdreht. Demgemäß tritt das Licht 44 in die Kristallplatte 34a mit einem Versatz gegenüber der optischen Achse 36' um einen Winkel —« ein. Nach

Paccioi-Ari /lor V riet ο llnln» to ^42 ISl dJC Ρθ!3Η53Ϊ!'~*Γΐ'Τί"Γ!-

tung des Lichtes verdreht und bildet mit der optischen Achse 36' einen Winkel +λ, wie es der Pfeil 44a in Fig. 4a zeigt. Fig. 4a läßt erkennen, daß das aus der ersten Kristallplatte 34a austretende Licht 44a gegenüber der K-Achse um einen Winkel + 2a verdreht ist.

Die an die nächste Kristallplatte 34b angelegte Spannung ist so gewählt, daß die optische Achse 36" mit der K-Achse einen Winkel — « bildet. Demgemäß bildet das auf die Kristallplatte 346 einfallende Licht 44a mit der optischen Achse einen Winkel 36", so daß es beim Durchlaufen der Kristallplatte 34fcso weit gedreht wird, daß das austretende Licht mit der optischen Achse 36" einen Winkel - 3λ bildet, wie es der Pfeil 44b in F i g. 4b anzeigt. Da die optische Achse der nächsten Kristallplatte 34cdie Richtung 36' hat. die mit der K-Achse den Winkel +α bildet, bildet das auf die Kristallplatte 34c einfallende Licht 44b mit der optischen Achse 36' den Winkel -5«, so daß das aus der Kristallplatte 36c austretende Licht mit der optischen Achse 36' einen Winkel +5\ bildet, wie es der Pfeil 44c in F i g. 4c anzeigt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das längs der X-Achse aufeinanderfolgende Kristallplatten 34a bis 34e durchlaufende polarisierte Licht einer Art Schaukeleffekt ausgesetzt ist. durch den die Polarisationsrichtung um die K-Achse hin- und herschwenkt, wobei die Größe des Schwenkwinkels beim Durchlaufen aufeinanderfolgender Kristallplatten jeweils um 2« zunimmt. Wenn die Anzahl der hintereinander angeordneten Kristallplatten so gewählt ist, daß das die letzte Platte verlassende Licht parallel zur Z-Achse polarisiert ist. wird das gesamte Licht vom Ausgangs-Polarisator 42 durchgelassen. Da jede Platte eine zusätzliche Schwenkung um 2 α gegenüber der K-Achse bewirkt, kann diese Bedingung erfüllt werden, indem die Anzahl /Vder Platten so gewählt wird, daß die Beziehung

N =

bO erfüllt wird. Auch dann, wenn die Anzahl der Kristallplatten etwas von dem die Gleichung (3) befriedigenden Wert abweicht, wird eine beträchtliche Komponente des polarisierten Lichtes aus der letzten Platte parallel zur Z-Achse austreten und von dem

b5 Ausgangs-Polarisator 42 durchgelassen werden. Es versteht sich, daß eine maximale Transmission durch das Filter, die theoretisch den Wert 1 erreichen kann, erreicht wird, wenn die Gl. (3) befriedigt ist.

Wenn das die Kristallplattcn-Anorclnung ii;n"h F i g. J durchlaufende Licht eine Wellenlänge hat, wesentlich von der die Gl. (2) erfüllenden Wellenlänge abweicht, wirken die Kristallplatten 34a bis 34e nicht mehr als Halbwellenplatten, und es ist das aus der letzten -, Kristallplatte austretende Licht nicht mehr parallel zur Durchlaßrichtung des Polarisators 42 ausgerichtet. Wenn beispielsweise die Wellenlänge des Lichtes, welches die Knstallplattenanordnung nach Fig.3 durchläuft, die Weilenlänge 2 A₀ aufweist, wirkt jede der u> Kristallplatten 34a bis 34e als Viertelwellenplatte anstatt als Halbwellenplatte. Die Polarisation des Lichtes dieser Wellenlänge bleibt in der gesamten Anordnung im wesentlichen parallel zur V-Achse, wenn von einer gelegentlich auftretenden, sehr kleinen ι zirkular-polarisierten Komponente abgesehen wird.

Ein optisches Filter der vorstehend beschriebenen Art hat ein optisches Durchlaßband für eine Wellenlänge A, die gegeben ist durch

/. = .1 In,

(4)

in der Δη die oben definierte statische Doppelbrechung des kristallinen Mediums und A die räumliche Periode einer effektiven periodischen Änderung der optischen Achse des kristallinen Mediums längs der Richtung der Lichtausbreitung durch das Filter bedeuten.

Bei der Konstruktion eines elektrisch abstimmbaren optischen Filters nach der Erfindung wird eine feste räumliche Periode Ai für die Kristallplatten oder -regionen, die zur Erzeugung der Drehung der optischen Achsen verwendet werden sollen, anhand der Gl. (4) für die kleinste Wellenlänge A_m,„ bestimmt, die das Filter übertragen soll. Da während jeder festen Periode Af eine positive und eine negative Drehung erfolgen muß, umfaßt diese Periode zwei aufeinanderfolgende Kristallplatten oder -bereiche. Demgemäß kann die Anzahl N der Kristallplatten oder -bereiche und die Länge L des elektro-optischen Wechselwirkungsraumes des Filters, also beispielsweise die Länge der Anordnung 16 in F i g. 1, nach der Gleichung

= 2L

(5)

bestimmt werden.

Die Anzahl Λ/der Kristallplatten oder -bereiche kann ferner nach der Gleichung

'■o

KA

NA₁

(6)

ferner so gewählt werden, daß das Filter die gewünschte Bandbreite hat. In Gl. (6) bedeuten Ao die gewünschte Durchlaß-Wellenlänge des Filters, ΔλΙλο die relative Bandbreite des Filters im Verhältnis zur Mitten-Wellenlänge Ao und K eine Konstante, die durch den Pegei bestimmt ist, für den die Bandbreite definiert ist. Ein typisches Beispiel für eine 3-db-Bandbreite ist K= 1,6.

Nachdem die feste räumliche Periode Ai anhand der Gl. (4) für die kleinste Durchlaß-Wellenlänge A_m/„ m> bestimmt worden ist, kann die Anzahl N der Kristallplatten oder -bereiche gemäß Gl. (6) gemäß der gewünschten relativen Bandbreite Δλ/λο für eine effektive räumliche Periode Ao bestimmt werden, die der Wellenlänge A₀ nach GI. (4) entspricht Der Winkel α bs der schrittweisen Drehung, der die maximale Durchlässigkeit des Filter ergibt, kann dann anhand GI. (3) bestimmt werden. Endlich kann dann die richtige Spannung V, die zur Verschiebung üer optischen Achse der einzelnen Kristallplatten oder -bereiche um den gewünschten Winkel λ benötigt wird, unter Verwendung von Gl. (1) berechnet werden.

Die Wirkungsweise des elektrisch abstimmbaren optischen Filters nach F i g. 1 wird nun anhand der in den F i g. 5a, 5b und 5c dargestellten Steuerspannungen erläutert. Wenn es erwünscht ist, daß das Filter Licht mit der kleinsten Konstruktions-Wellenlänge A„„„ passieren läßt, werden Steuerspannungen angelegt, die eine effektive Periode Λ der Variation der optischen Achse ergibt, die mit der festen Periode Ar zusammenfällt. Zu diesem Zweck können die Steuerspannungen derart programmiert werden, daß die in F i g. 1 dargestellten, ungcradzahligen Spannungsquellen V₁, Vj, V=, usw. eine gleiche positive Spannung + V,\ an jede ungeradzahlige Kristallplatte 22 längs der X-Achse anlegen, wogegen die geradzahligen Spannungsquellen V₂, V₄, V₆ usw. eine Spannung - V., gleicher Größe jedoch entgegengesetzter Polarität 2P. alle "erad^shlinpn Krktallnlatten 22 der Anordnung 16 anlegen. Der Betrag der Spannung V₁ wurde anhand Gl. (1) für den für jeden Schritt gewünschten Schwenkwinkel α berechnet. Der vorstehend beschriebene Zustand ist in Fig. 5a veranschaulicht.

Wenn es erwünscht ist, daß das Filter Licht mit einer Wellenlänge überträgt, die das Dreifache der kleinsten Wellenlänge A_m,„ beträgt, also Licht mit der Wellenlänge 3 An,™ dann werden die an die Kristallplatten 22 angelegten Steuerspannungen so programmiert, daß sie eine effektive Periode /1 der Variation der optischen Achse ergeben, die gleich dem Dreifachen der festen Mindestperiode Ai ist, also /1 = 3/1/. Beispielhafte Steuerspannungen zur Übertragung der Wellenlänge 3 A_m/„ sind in Fig. 5b veranschaulicht. Wie aus Fi g. 3 ersichtlich, werden positive Spannungen den ersten drei Kristallplatten, negative Spannungen den nächsten drei Kristallplatten, positive Spannungen wiederum den folgenden drei Kristallplatten und so fort zugeführt. Obwohl die an die verschiedenen Kristallplatten angelegten Spannungen die gieiche Größe haben können, wird eine sinusförmige Variation der den aufeinanderfolgenden Platten zugeführten Spannung bevorzugt, wie es in Fi g. 5b dargestellt ist, um die Erzeugung unerwünschter Harmonischen der übertragenen Wellenlängen auf ein Minimum zu reduzieren.

Bei dem in Fig.5b dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel werden Spannungen maximaler Größe an den Stellen zugeführt, die den Scheitelwerten der Sinuskurve 48 entsprechen, welche die Periode 3 Ai längs der ,Y-Achse aufweist. Die an Zwischenstellen längs der A"-Achse zugeführten Spannungen haben eine Größe, die dem Wert der Sinuskurve 48 an den fraglichen Stellen entspricht. Da weiterhin beim Durchlauf des Lichtes mit der Wellenlänge 3 A_m/_n nur ein Drittel der Anzahl der Drehungen der optischen Achse erfolgt wie bei einem Filter für die Wellenlänge A™/™ ist eine dreifache Erhöhung des Rotationswinkels A und demgemäß des Betrages der maximalen Steuerspannung V für die optimale Übertragung von Licht mit der Wellenlänge 3 A_m,v, erforderlich. Demgemäß haben die durch F i g. 5b veranschaulichten Steuerspannungen V₂, Vs, V₈, Vn usw, die den Maxima und Minima der Sinuskurve 48 entsprechen, den Betrag 3 V_A, während die Spannungen Vi, V₃, V₄, V₆ usw. an den Zwischenstellen längs der Sinuskurve 48 den Betrag 3 V_A/2 aufweisen.

Als weiteres Beispiel sei angenommen, daß das Filter

Il

riacii Fig. I Licht mit einer Wellenlänge von 1,75 A„„„ übertragen soll. Ein Beispiet für die in diesem Fa!'. anzulegenden Steuerspannungen ist in Fig. 5c veranschaulicht Geeignete Werte für die verschiedenen Steuerspannungen Vi, V₂, V₁ ... V_n können bestimmt -, werden, indem längs der X-Achse eine Sinuskurve 50 mit der Periode /I =1,75/U aufgetragen wird und der Beirag sowie die Polarität der Spannungen V,, V₂, Vj... Vv gemäß den örtlichen Werten der Kurve 50 an den entsprechenden Punkten festgestellt wird, welche den tu Mitten der zugeordneten ersten bis /V-ten Kristallplatten 22 längs der X-Achse entsprechen. Ebenso gilt für eine maximale Durchlässigkeit, daß der Betrag der Steuerspannungen, der den Scheitelwerten der Sinuswelle50entspricht,gleich 1,75 V._tseinsoll. r

Es ist ohne weiteres erkennbar, daß eine Vielfalt von Kombinationen programmierbarer Steuerspannungen verwendet werden kann, um zahlreiche verschiedene Bnndpaß- und Bandsperren-Charakteristiken des Filters 711 or7Aii<T«an R**i r\t*r Rpctimmunn pinpc <r*i*>irrnfat«*n werden zwischen entsprechenden Paaren aufeinand rfolgender Zonen mil niedrigem Widerstand 124 angelegt, um die gewünschte Drehung der optischen Achsen in den entsprechenden, dazwischenliegender Zonen 122 mit hohem spezifischen Widerstand zu erzeugen, wie es oben anhand der Fig.] bis 6 beschrieben worden ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die von einem einzigen doppelbrechenrlen Kristall Gebrauch macht, ist in Fig. 8 dargestellt. Komponenten de, Ausführungsform nach F i g. 8, welche die gleichen sind oder die gleiche Funktion haben wie die entsprechenden Komponenten der Ausführungsform nach Fig. 1. sind mit Bezugsziffern versehen, deren letzte beiden Stellen die gleichen sind wie die Bezugs/iffern der entsprechenden Komponenten in Fig. 1, denen jedoch die Z.iffer »2« vorangestellt ist.

In der Ausführungsform nach F i g. 8 ist eine Anzahl paralleler Streifenelektroden 124 auf den breiten Seitenflächer; 225 dts langgestreckten. Kristäües 216 in

Steuerspannungsmusters für eine komplizierte FiltercharakterLiik wird zunächst ein Spannungsverlauf bestimmt, wie er durch die Kurve 52 in Fig. 6a wiedergegeben wird und der die erforderliche Variation der optischen Achse mit der Periode Λ längs der X-Achse darstellt. Wenn beispielsweise ein Filter gewünscht wird, das zwei Durchlaßbänder aufweist, die zu den Wellenlängen 4 k„„„ und 5 k„„„ zentriert sind, wird eine Kurve konstruiert, die der Kurve 52 in Fig. 6a entspricht, indem algebraisch Kurven mit den Perioden 4 Xmin und 5 Xmi„ algebraisch kombiniert werden. Die richtige Steuerspannung Vv wird dann für jede feste Halbperiode Λ//2 gemäß der Größe des Wertes der Kurve 52 in der Mitte der jeweiligen Halbperiode /1//2 bestimmt. Das der Kurve 52 entsprechende Muster der Steuerspannungen ist durch die Kurve 54 in Fig. 6b wiedergegeben.

Wie oben angegeben, kann ein elektrisch abstimmbares, optisches Filter nach der Erfindung auch unter Verwendung eines einzigen doppelbrechenden Kristalles anstatt einer Vielzahl individueller Kristalle hergestellt werden. Eine Ausführungsform der Erfindung, die von einem einzigen Kristall Gebrauch macht, der abwechselnde Schichten mit hohem und niedrigem spezifischen Widerstand enthält, ist in F i g. 7 dargestellt. Komponenten der Anordnung nach Fig. 7, welche die gleichen sind oder eine äquivalente Funktion haben wie entsprechende Komponenten der Ausführungsform nach Fig. 1 sind mit Bezugsziffern versehen, deren letzte beiden Stellen mit den Bezugsziffern der Fig.! übereinstimmen und denen eine »1« vorangestellt ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig./ ist auf dem Weg des Lichtstrahles UO ein einziger, langgestreckter Kristall 116 angeordnet. Der Kristall 116 kann beispielsweise durch Anwenden einer Flüssigphasen-Epitaxialtechnik so hergestellt sein, daß er auf seiner Länge abwechselnde Zonen 124 und 122 mit niedrigem bzw. hohem spezifischem Widerstand aufweist. Beispielsweise kann der Kristall 116 aus Silbergalliumsulfid (AgGaS2) bestehen, indem die Bereiche mit niedrigem spezifischem Widerstand durch Dotieren mit einem geeigneten Material wie Bismuth oder Silber erzeugt wurden, während die Zonen mit hohem spezifischem Widerstand undotiert geblieben sind. Typische Werte des spezifischen Widerstandes sind etwa 100 Ohm ■ cm > für die Zonen 124 niedrigen Widerstandes und 10" Ohm · cm für die Zonen 122 hohen Widerstandes. Die entsprechenden Steuerspannungen Vi, V₂. V₃... Vv Längsrichtung des Kristalles, also in X-Richtung, mit Abstand hintereinander angeordnet. Die Streifenelektroden 224 selbst sind parallel zur Z-Richtung ausgerichtet. Beispielsweise kann der Kristall 216 wieder aus Silbergalliumsulfid bestehen, während die Strcifenelektroden 224 aus Aluminium oder Gold bestehen können. Zwischen Paare benachbarter Streifenelektroden 224 werden Steuerspannungen V-,. V₂. V₁ ... Vv angelegt, um die gewünschte Variation der optischen Achsen in den entsprechenden Zwischenbereichen des Kristalles längs der X-Richtung in der gleichen Weise zu erzielen, wie es oben anhand der Fig. I bis 6 erläutert worden ist. Um das Volumen des Kristalles 216 besser ausnutzen zu können, kann eine zweite Gruppe von Streifenelektroden 224 auf der breiten Seitenfläche des Kristalles 216 angeordnet sein, die der Seitenfläche 225 gegenüberliegt. Dabei sind die Streifenelektroden der einen Gruppe auf die entsprechenden Streifenelektroden der anderen Gruppe ausgerichtet und es werden die gleichen Steuerspannungen sowohl bezüglich Betrag und Polarität den entsprechenden Elektroden beider Gruppen zugeführt.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispieien werden die eine Drehung der optischer Achsen bewirkenden eic¹ irischen Felder in einer zur Richtung der Lichtfortpfl <g parallelen oder im wesentlichen parallelen Richtung angelegt, also in Richtung der -Y-Achse. Es können jedoch nach der Erfindung ausgebildete Filter auch so aufgebaut werden, daß die zugeführten elektrischen Felder quer zur Richtung der Lichtfortpflanzung anzulegen sind. Eine Ausführungsform der Erfindung, die von einem elektrischen Querfeld Gebrauch macht, ist in F i g. 9 dargestellt. Die Komponenten der Ausführungsform nach F i g. 9. welche die gleichen sind oder eine äquivalente Funktion haben wie entsprechende Korrespondenten in der Ausführungsform nach F i g. 1 sind mit Bezugszeichen versehen, deren letzte beiden Stellen mit den Bezugsziffern der entsprechenden Komponenten der F i g. 1 übereinstimmen, denen jedoch die Ziffer »3« vorangestellt ist

Die Ausführungsform nach Fig.9 hat den gleichen Aufbau wie die Ausführungsform nach F i g. 8, jedoch kann es erforderlich sein, eine andere Klasse von Kristallen zu verwenden, weil die elektrischen Felder in Querrichtung angelegt werden. So kann der Kristall 316 der Ausführungsform nach F i g. 9 beispielsweise aus Lithiumtantalat (LiTaO₃) und Cadmiumsulfid iCdS)

bestehen. Bei den speziellen Kristallklassen, für welche die genannten Materialien Beispiele sind, muß die kristallographische optische Achse in dem in Fig.9 dargestellten Koordinatensystem parallel zur Z-Achse stehen, d. h. senkrecht zur Polarisationsrichtung des Polarisators 314. Weiterhin sind bei der Ausführungsform nach F ι g. 9 zwei Gruppen von Streifenelektroden 324a und 3246 vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden breiten Seitenflächen des Knstalles 316 angeordnet sind und deren einzelne Elektroden in der V-Richtung aufeinadner ausgerichtet sind. Die Steuerspannung Vu Vz, Vi... Vn werden zwischen die Paare aufeinander ausgerichteter Streifenelektroden 324a und 3246 in K-Rirhtung angelegt, um die gewünschte Verdrehung der optischen Achsen ;n aufeinanderfolgenden Bereichen des Kristalles 316 längs der X-Richtung zwischen den entsprechenden Paaren aufeinander ausgerichteter Stretfenelektroden 324a und 3246 in der oben mit Bezug auf die F i g. 1 bis 6 beschriebenen Weisen zu erzielen.

Ein spezifisches Konstruktionsbeispiel soll den Aufbau eines elektrisch abstimmbaren, optischen Filters erläutern, das dem Ausführungsbeispiel nach Fig.9 entspricht Es versteht sich jedoch, daß dieses Beispiel nur der Erläuterung dient und daß eine Vielzahl von anderen Anordnungen, Werkstoffen und Parameterwerten benutzt werden können. Der Kristall 316 bestand aus einem rechteckigen, polierten Plättchen aus L.hhiumtantalat (LiTaO₃) im V-Schnitt mit den Dimensionen von etwa 18 mm in A'-Richtung, 0,14 mm in Y- Richtung und 11 mm in Z-Richtung. Die Streifenelektroden 324a und 3246 hatten jeweils eine Länge von 5 mm, eine Breite von 0,025 mm und einen Abstand von 0,030 mm. Die Spannungen Vj, V₂, V₃... Vv hatte alle den gleichen Wert von etwa 48 V, jedoch in X-Richtung abwechselnde Polarität. Der Eingangs-Lichtstrahl 310 bestand aus dem weißen Licht eines Wolfram-Glühfadens.

Der Ausgangs-Lichtstrahl 320 umfaßte ein schmales Band blauen Lichtes mit der Mitten-Wellenlänge A₀=457 nm und einer 3-db-Bandbreite von 7,2 nm. Die oben behandelten Konstruktions-Parameter hatten für dieses Filter die in der nachfolgenden Tabelle I angegebenen Werte:

N - 100 L = 5,5 mm Ar = O.llOnm An= 0,00415 α = 0,00785 Rad

Wie oben erwähnt, muß das in einem erfindungsgemäßen Filter verwendete doppelbrechende kristalline Material in der Lage sein, die Richtung seiner optischen Achse in einer zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes senkrechten Ebene in Abhängigkeit von einer in einer bestimmten Richtung angelegten Spannung zu ändern. Zu diesem Zweck wird der elektro-optische Effekt dazu ausgenutzt, die optischen Eigenschaften des Materials zu verzerren, die durch Index-Ellipsoid beschrieben werden, das die die elektrischen Hauptachsen des Kristalls zu den Brechungsindizes für Licht, das in Richtung der Hauptachsen linear polarisiert ist, in Beziehung setzt. Eine detaillierte Behandlung des Index-Ellipsoids und seiner Anwendung findet sich in dem Buch ·. u, Amnon Yariv: »Introduction to Optical Electronics«. Holt, Rinehart und Winston, Inc., 1971, Section 9.1, Seiten 223 bis 230.

Wie in dem erwähnten Buch erläutert, finden in

Abhängigkeit von einem in der /-Richtung angelegten elektrischen Feld £,Änderungen in den Konstanten l/n³ des Index-Ellipsoids längs der ^Richtung oder -Ebene statt, welche durch die entsprechenden elektro-optischen Koeffizienten r„ bestimmt sind, wobei /=1,2,3,4. 5,6 und /=1,2,3. Mathematisch ausgedrückt, gilt

E₁.

Die drei Änderungen der Index-EIlipsoidkonstanten für /= 1, 2, 3 entsprechen Änderungen im Betrag der Brechungsindizes Jängs der X-, Y- und Z-/ chsen, während die drei Änderungen der Index-Ellipsoidkonstanten für i—A, 5, 6 einer effektiven Drehung der optischen Achsen in den KZ-, X^Z- und XiK-Ebenen entsprechen. Es ist dieser letztgenannte Effekt, der für das erfindungsgemäße Filter ausgenutzt wird. Demgemäß macht die Erfindung die Verwendung eines doppelbrechenden kristallinen Materials erforderlich, von dessen elektrooptischen Koeffizienten Ai, A₂, aj. /Si. /*S2, Γ53, /Si, γ₆2 und r« wenigstens einer von Null verschieden ist

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1, bei der das elektrische Feld parallel zur X-Achse angelegt wird und eine effektive Drehung der optischen Achse in der KZ-Ebene erzielt wird, wird der elektro-optische Koeffizient r_4! ausgenutzt. Demgemäß muß das Material, aus dem die Xristallplatten 22 bestehen, einen von Null verschiedenen elektro-optischen Koeffizienten Ai aufweisen. Als weiteres Beispiel wird in der Ausführungsform nach F i g. 9 ein elektrisches Feld parallel zur V-Achse verwendet, das eine effektive Drehung der optischen Achse in der KZ-Ebene hervorruft Dieser Effekt berührt den elektro-optischen Koeffizienten A2. so daß der elektrooptische Kristall 316 aus einem Material bestehen muß, bei welchem dieser Koeffizient von Null verschieden ist

Allgemeiner gesagt muß dann, wenn das elektrische Feld in einer zum Lichtwege parallelen Richtung angelegt wird (Längsbetrieb), wenigstens einer der elektro-optischen Koeffizienten Ai. r» oder r_u einen von Null verschiedenen Wert haben. Eine vollständige Liste der verschiedenen Kristallsysteme und -klassen (Punktgruppen) und die anwendbaren elektro-optischen Koeffizienten r,> die bei einem Längsbetrieb-Filter nach der Erfindung verwendbar sind, sind in der folgenden Tabelle Il angegeben. In dieser sowie noch weiteren, folgenden Tabellen ist die konventionelle Kristall-Nomenklatur verwendet, wie sie in dem Buch von Elizabeth A. Wood: »Crystals and Light«, Dover Publications, Inc., 1977, Kapitel 5, Seiten 53 bis 61, angegeben ist.

Tabelle II (Längsbetrieb)	Kiasse (Punkl- gruppe)	Koeffizient r„ Ui)
System	6 622 3 .12	41 (= -52) 41 (- 52) 41 (= -52) 41 (- -52)
kubisch hexagonal trigon.il

Fortsetzung

System

Klosse

(Punkt-

gruppe)

Koeffizient r„

tetragonal

orthorhombisch

monoklin

triklin

4 4

422 42/«

222

41 (= -52) 41 (= +52)

41, 52, 63 41, 52. 63 41, 52, 63

Wenn das elektrische Feld in einer Richtung angelegt wird, die zum Lichtweg senkrecht steht (Querbetrieb), muß wenigstens einer der elektro-optischen Koeffizienten γ«. Γ43, Γ51, Γ53, n\ und γ₆2 von Null verschieden sein. Eine vollständige Liste der verschiedenen Kristallsysteme und -klassen (Punktgruppen) und die anwendbaren elektro-optischen Koeffizienten /v, für ein im Querbetrieb arbeitendes Filter nach der Erfindung sind in der folgenden Tabelle III angegeben.

Tabelle III (Querbetrieb)

System

Klasse

(Punkt-

gruppe)

Koeffizient r_/( W)

ktoisch hexagonal

trigonal tetragonal

orthorhombisch monoklin

triklin

6
biitin

} im

4 4 4mm

iniiü

2 m

42 (= +51) 42 (= +51)

42 (= +51) 42 < = -51) 42 ( = +51)

42, 51

43.61 42.51.53.62

42,43.51, 53.61,62

Bei allen bisher behandelten Ausführungsformen der Erfindung fallen die Richtungen des Lichtweges und des angelegten elektrischen Feldes mit den Hauptachsen des Kristalles zusammen. Es können jedoch bei Filtern nach der Erfindung auch anders orientierte Kristalle verwendet werden, bei denen weder die Richtung der Lichtausbreitung noch das elektrische I eld mit irgendeiner der Kristall-Hauptachsen zusammenfällt.

Wenn beispielsweise ein Kristall in einer Richtung geschnitten ist, die gegenüber der optischen Achse um einen Winkel θ verdreht ist. wird für den Lärt^sbetrieb ein neuer clektro-oplischer Koeffizient r\\ erzeugt, der durch die folgende Gleichung gegeben ist:

'■41 - 'Ί, cos" (-) - i\₂ sin² (-> ι (r₄, »·,, I cos <·) sin (-)

Wenn demnach bei einem bestimmten Kristall Ai=Γη~0, jedoch r« und/oder ßi φ0 verschieden sind, kann dieser Kristall im Längsbetrieb nach einer Drehung verwendet werden, obwohl es sich dem Wesen nach um einen Kristall für Querbetrieb hadnelt- Ferner können Drehungen um die kristallographische X- oder V-Achse oder auch um beide Achsen neue effektive elektro-optische Koeffizienten erzeugen, bei denen es sich um lineare Kombinationen der ursprünglichen elektro-optischen Koeffizienten der Hauptachsen handelt, die mit einer geometrischen Winkelfunktion gewichtet sind. Solche neuen resultierenden Koeffizienten können für erfindungsgemäße Filter geeignet sein, auch wenn die ursprünglichen Koeffizienten ungeeignet sind. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten bei der Wahl der Kristallklasse, indem die Vorteile solcher elektro-optischen Koeffizienten ausgenutzt werden, die große Werte haben.

Die folgenden Tabellen IV und V sind vollständige Listen von Kristallsystemen und -klassen (Punktgruppen) in Verbindung mit anwendbaren, resultierenden neuen ciektro-optischen Koeffizienten

die

Kristallschnitten in Richtungen resultieren, die gegenüber den drei kristallographischen Hauptachsen ge-

:> dreht sind, und zwar für den Längsbetrieb und den Querbetrieb. In den Tabellen IV und V bezeichnen einzelne Sterne neue Kristallklassen, die für den angegebenen Betrieb geeignet sind, während die doppelten Sterne neue Kristallklassen bezeichnen, die

in sonst für keinen Betrieb eines erfindungsgemäßen Filters geeignet wären.

Tabelle IV Γι (Längsbetrieb - gedreht)

System	Klasse	Koeffizient r„
	(Punkt	an
J(I	gruppe)

kubisch hexagonal

trigonal

tetragonal

orthorhombisch

monoklin

triklin

Tabelle V (Querbetrieb - gedreht)

6** 6*w2**

32 3 m*

4 mml*

2 m*

41, 52. 63

41, 63

41, 52, 63

52, 63

41, 63

41, 52

4I₁ 52

41, 63

41. 52, 63

System

kuhisch
hey.;

<il

(Sl

Klasse	Koeffizient	53.	61.	62
(l'unlif.		53.	61.	62
gruppe)
	43.
	43.

Fortsetzung

System

K lasse

(Punki-

groppe)

Koeffizient r'„
Ui)

trigonal 3

32*

tetragonal 4

422*
42/n*

orthorhombisch 222*

monoklin
triklin

43, 53, 61, 62

42, 43, 51, 53, 61, 62

43, 53, 61, 62

42, 43, 51, 53, 61, 62

18

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß durch die vorliegende Erfindung ein äußerst vielseitiges, elektrisch abstimmbares optisches Filter geschaffen wird. Es bietet nicht nur einen weiten Konstrukttons-Spielraum zur Erfüllung verschiedenster, an das Filter zu stellende Anforderungen, sondern es kann das Filter auch elektrisch programmiert werden, um eine außerordentlich große Vielfalt von Obertragungs-Eigenschaften zu realisieren.

Gleichzeitig hat ein elektrisch abstimmbares, optisches Filter nach der Erfindung einen bedeutend geringeren Leistungsbedarf als optische Filter mit einer akusto-optischen Abstimmung. Tatsächlich findet in dem erifndungsgemäßen Filter ein Leistungsverbrauch nur infolge der kleinen Leckströme statt, die beim Anlegen des elektrischen Feldes entstehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch in seiner spektralen Durchlaßcharakteristik durchstimmbares optisches Filter mit zwei längs eines optischen Weges im Abstand voneinander angeordneten Polarisatoren, einem auf dem optischen Weg zwischen den Polarisatoren angeordneten, doppelbrechsnden kristallinen Medium, das eine zum optischen Weg senkrecht stehende optische Achse aufweist, und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Medium, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (24) so angeordnet und angesteuert sind, daß das erzeugte elektrische Feld eine periodische Funktion der Länge des optischen Weges und so gerichtet ist, daß es die optische Achse des Mediums innerhalb der zum optischen Weg senkrechten Ebene um einen zur jeweiligen Feldänderung proportionalen Winkel verdreht und die Periode λ der Änderung der elektrisch·:-! Feldstärke für die auszufilternde Lichtwellenlänge λ der Gleichung ).=A ■ Δη entspricht

in der Δ π die Doppelbrechung für die Wellenlänge λ bedeutet.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Elektroden (24) eine programmierbare Spannungsquelle zum Erzeugen einer Anzahl von Gleichspannungen verbunden ist, die gemäß der gewünschten Filtercharakteristik als Funktion der Wellenlänge des das Filter passierenden Lichtanteiles veränderbar sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld ein Oszillieren der optischen Ac:.se (36) des doppelbrechenden Mediums (16) jm die Poiarisationsrichtung s~> des Eingangs-Polarisators (10)*. jwirkt.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der elektro-optischen Koeffizienten /·₄₎, r₅₂ und r_a des doppelbrechenden Mediums von Null verschieden ist und das w doppelbrechende Medium (16) einem zum optischen Weg parallelen elektrischen Feld ausgesetzt ist.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Medium (16) aas mehreren doppelbrechenden Kristallplatten (22) 4Ί besteht, die auf dem optischen Weg mit zu diesem Weg senkrecht stehenden Oberflächen hintereinander angeordnet und an ihren Oberflächen mit durchsichtigen Elektroden (24) versehen sind.

6. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- ->o net, daß das doppelbrechende Medium (116) aus einem sich längs des optischen Weges erstreckenden Kristall besteht, der auf seiner Länge abwechselnde Zonen (124, 122) mit niedrigem und hohem spezifischem elektrischen Widerstand aufweist, von v> denen die Zonen (124) mit niedrigem spezifischem Widerstand die Elektroden bilden.

7. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Medium (216) aus einem sich längs des optischen Weges erstreckenden wi Kristall besteht, der an einer seiner zum optischen Weg parallelen Seitenfläche (225) zum optischen Weg im wesentlichen senkrecht verlaufende, zueinander parallele Streifenelektroden (224) aufweist, und daß zum Anlegen des elektrichen Feldes tv*> zwi'.chen Paaren aufeinanderfolgender .Streifenelektroden (224) eine Spannung erzeugt wird.

8. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-

net, daß das doppelbrechende Medium aus einem sich längs des optischen Weges erstreckenden Kristall besteht, der an zwei einander gegenüberliegenden, zum optischen Weg parallelen Seitenflächen zum optischen Weg im wesentlichen senkrecht verlaufende, zueinander parallele Streifenelektroden aufweist, wobei die auf der einen Seitenfläche angeordneten Streifenelektroden auf die auf der anderen Seitenfläche angeordneten Stseifenelektroden im wesentlichen ausgerichtet sind, unüdaß zum Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Paaren jeweils auf der gleichen Seitenfläche angeordneten, aufeinanderfolgenden Streifenelektroden eine Spannung erzeugt wird.

9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der elektro-optischen Koeffizienten Γη, Λ* /Si, /Si /it und r& des doppelbrechenden Mediums von Null verschieden ist und das doppelbrechende Medium (316) einem zum optischen Weg senkrechten elektrischen Feld ausgesetzt ist

10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Medium (316) aus einem sich längs des optischen Weges erstreckenden Kristall besteht, der an zwei einander gegenüberliegenden, zum optischen Weg parallelen Seitenflächen zum optischen Weg im wesentlichen senkrecht verlaufende, & .einander parallele Streifenelektroden (324a, 324b) aufweist, wobei die auf der einen Seitenfläche angeordneten Streifenelektroden (324a) auf die auf der anderen Seitenfläche angeordneten Streifenelektroden (3246,7 im wesentlichen ausgerichtet sind, und daß zum Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Paaren von jeweils auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen angeordneten, aufeinander ausgerichteten Streifenelektroden eine Spannung erzeugt wird.

11. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus Lithiumtantalat besteht.

12. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus Cadmiumsulfid besteht.

13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus Silbergalliumsulfid besteht.