DE2903862A1

DE2903862A1 - Akusto-optisches element

Info

Publication number: DE2903862A1
Application number: DE19792903862
Authority: DE
Inventors: Cestmir Dipl Ing Barata; Jiri Dipl Ing Ctyroky
Original assignee: AKADEMIJA NAUK SOJUZA SOVETSKI; Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: AKADEMIJA NAUK SOJUZA SOVETSKI; Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1978-02-03
Filing date: 1979-02-01
Publication date: 1979-08-09
Also published as: CS200656B1; JPS6154207B2; FR2416493B1; NL7900693A; GB2014327A; JPS54116892A; GB2014327B; FR2416493A1; US4257685A

Description

1 . Ceskoslovenskä akademie ved Prag, CSSR

2. Akademie nauk SSSR, 117 901, GSP Moskau V-71 ,
Leninskij prospekt 1 4
UdSSR

Äkusto-optisches Element

Die Erfindung betrifft ein akusto-optisches Element, das vor allem zur Ablenkung eines Lichtstrahls und zur Informationsverarbeitung geeignet ist. Das akusto-optische Element nützt die Lichtbeugung an einer akustischen Welle in einem optisch anisotropen Medium eines Einkristalls eines Quecksilber(I)-halogenids aus.

Bei bekannten akusto-optischen Elementen zur Ablenkung eines Lichtstrahls und zur optischen Verarbeitung von Informationen wird die Beugung von Lichtwellen an akustischen Wellen ausgenutzt, die mit einem piezoelektrischen Wandler in einem gegebenen akusto-optischen Medium erzeugt wird. Durch Änderung der Frequenz der akustischen Welle ändert

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sich der Ablenkungswinkel des Lichtstrahls und durch Änderung der Amplitude der akustischen Welle die Intensität des abgelenkten Strahls. Bei der Beugung an einer akustischen Welle kann ferner auch die Polarisation der T.irjirtwf¹!!*» cr^nctert werden. Die wichtigsten Parameter eines akusto-optischen Elements sind vom Standpunkt seiner Anwendung in Anordnungen zur Ablenkung eines Lichtstrahls, in Deflektoren und in Anordnungen zur Informationsverarbeitung der Diffraktions-Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis der Intensität des abgelenkten zur Intensität des auftreffenden Lichtstrahls sowie das Produkt aus der Zeitkonstante (. des Elements und der Breite Af des Frequenzbands. Diese Bandbreite wird einerseits durch die elektrischen und akustischen Eigenschaften"des piezoelektrischen Wandlers und andererseits durch die Bandbreite der Wechselwirkung der akustischen und der Lichtwelle bestimmt. Eine außerordentlich große Bandbreite der gegenseitigen akustooptischen Wechselwirkung kann in einem optisch anisotropen Medium durch Ausnutzung der sog. anomalen Beugung erzielt werden, bei der sich die Polarisation des abgelenkten Lichtstrahls ändert. In optisch einachsigen Medien wird eine akustische Querwelle eingeführt, in der Regel parallel oder senkrecht zur optischen Achse, und die Richtung des auftreffenden Lichtstrahles wird derart gewählt, daß der abgelenkte Strahl senkrecht zur optischen Achse austritt.

Bei Verwendung bekannter Kristallarten führt die Anordnung zu sehr hohen Schallfrequenzen im GHz-Bereich, und der Beugungs-Wirkungsgrad ist gering.

In einem Kristall von Paratellurit (Tellurdioxid TeO-) kann zum Aufbau eines akusto-optischen Elements mit anomaler

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Beugung und hohem Beugungs-Wirkungsgrad eine starke Verdrehung der Polarisationsebene des Lichts ausgenutzt werden. Die Betriebsfrequenz eines derartigen akustooptischen Elements ist relativ niedrig in der Größenordnung von einigen 10 MHz und hängt von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab. Das auftreffende Licht muß dabei ungefähr zirkulär polarisiert sein.

Es ist ferner ein akusto-optischer Deflektor bekannt, bei dem die anomale Beugung in einem verdrehten Kristall von Tellurdioxid ausgenutzt wird. Die akustische Welle pflanzt sich im Tellurdioxid-Kristall in einer Richtung fort, die gegenüber der [iiq} -Achse in der Ebene jjioj mit der Schwingungsrichtung [i1Oj um 6° verdreht ist. Dabei wird der Wirkungsgrad der gegenseitigen Wechselwirkung praktisch beibehalten, und es tritt praktisch keine Abnahme des Beugungs-Wirkungsgrads in der Mitte des Frequenzbandes ein. Ein Nachteil derartiger Deflektoren besteht darin, daß die Richtung der Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle um einen großen Winkel, nämlich um 51,3 , von der Wellennormalen abgelenkt ist, was ein außerordentlich großes Kristallvolumen zur Erzeugung derartiger Deflektoren erfordert. Außerdem können Deflektoren mit Kristallen aus Tellurdioxid nicht im Infrarotbereich des Spektrums für Wellenlängen oberhalb 5 ,um angewandt werden. Nachteilig ist ferner auch der hohe Preis von Tellurdioxid-Einkristallen der geforderten Abmessungen und Güte. Ein weiterer Nachteil von akusto-optischen Elementen mit Tellurdioxid liegt darin, daß der akusto-optische Gütekoeffizient M-, von dem der Beugungs-Wirkungsgrad abhängt, für die Beugung an einer Längswelle klein ist und nur etwa 1/30 des Wertes für die Beugung an einer Querwelle beträgt.

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Es sind weiter auch akusto-optische Elemente mit einem Einkristall eines Halogenide von einwertigem Quecksilber bekannt (vgl. den CS-Urheberschein 170 007), die einen hohen Wert des akusto-optischen Gütekoeffizienten M₂ für die Längs- und Querwelle aufweisen und auch für Strahlung im Infrarotbereich mit größeren Wellenlängen als 5 -um durchlässig sind. Ein Nachteil dieser Elemente liegt darin, daß aufgrund der geringen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle zur Erzielung einer ausreichenden Frequenzbandbreite piezoelektrische Wandler sehr kleiner Abmessungen verwendet werden müssen, wodurch die Anforderungen hinsichtlich der durch den Wandler erzeugten Schalldichte steigen.

Es sind schließlich auch akusto-optische Elemente mit einem Einkristall eines reinen Halogenids oder ggfs. eines Mischhalogenids von einwertigem Quecksilber bekannt (vgl. die DE-Anm. P 28 55 149 (PV 9568-77)), bei denen der Einkristall so angeordnet ist, daß wenigstens eine Fläche eines ersten Paares einander gegenüberliegender Flächen senkrecht zu einer Richtung steht, die von der Richtung der optischen Achse des Kristalls um die kristallographische Richtung JhKoJ , die senkrecht zur Richtung jooi] steht, um einen Winkel zwischen 0,1 und 15,0 verdreht ist, und eine weitere Fläche des Kristalls mit einer Schallquelle senkrecht zu der obigen Fläche liegt. Gegenüber dem früheren Stand der Technik bringt diese Anordnung wesentliche Vorteile, jedoch kann hierdurch die parasitäre Lichtstreuung in eine unerwünschte Richtung und die damit verbundene Abnahme des Beugungs-Wirkungsgrads im Frequenzband des akusto-optischen Elements nicht verhindert'werden.

Das erfindungsgemäße akusto-optische Element vermeidet diese Nachteile und beruht darauf, daß ein Einkristall eines

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reinen Halogenide oder ggfs. eines tlischhalogenids von einwertigem Quecksilber so bearbeitet ist, daß wenigstens eine Fläche eines ersten Paares einander gegenüberliegender Flächen senkrecht zu einer Richtung steht, die gegenüber der Richtung |θΟΉ der optischen Achse des Kristalls um die kristallographische Richtung JKHOj um einen Winkel zwischen 0,2 und 20,0° verdreht ist und eine weitere Fläche um denselben Winkel gegenüber der kristallographischen Fläche [hkÖJ um die kristallographische Richtung [khOJ verdreht ist und an diese weitere Fläche eine Quelle für akustische Querwellen mit einer Schwingungsrichtung [khoJ angeschlossen ist, wobei das erste Paar einander gegenüberliegender Flächen für den Ein- und Austritt der optischen Welle blank poliert ist.

Die Richtung JHKOJ wird vorteilhaft parallel zur Richtung [11OJ gewählt, die Richtung [KUOJ parallel zur Richtung [l die Ebene (HKO) wie die Ebene (110).

Nach einer weiteren Anordnung können die Richtung [hko] parallel zur Richtung jjOOj und die Richtung [khoJ parallel zur Richtung [oioj gewählt werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen akusto-optischen Elements beruht vor allem darauf, daß es hierdurch möglich ist, gleichzeitig die hohen akusto-optischen Gütekoeffizienten von Kristallen von Quecksilber(I)-halogeniden und deren hohe optische und elastische Anisotropie auszunutzen, wodurch die Parameter des akusto-optischen Elements wesentlich verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen akustooptischen Elements ist, daß bei Anwendung einer langsamen akustischen Querwelle gegenüber Elementen mit Kristallen

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aus Tellurdioxid Signale längerer Dauer verarbeitet werden können.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das erfindungsgemäße akusto-optische Element bei vergleichbaren übrigen Parametern Kristalle kleinerer Abmessungen als derzeit bekannte akusto-optische Elemente benötigt. So erfordert beispielsweise ein akusto-optisches Element mit Tellurdioxid für eine Breite des Lichtstrahls von 40 mm und eine Länge der gegenseitigen Wechselwirkung von 10 mm bei einer mittleren Frequenz von 70 MHz einen Einkristall einer Abmessung in Richtung der Fortpflanzung des Lichts von wenigstens 63 mm, während das erfindungsgemäße Element mit einem akusto-optischen Medium aus Quecksilberchlorid bei gleicher Breite des Lichtbündels von 40 mm, einer Länge der gegenseitigen Wechselwirkung von 10 mm und bei gleicher mittlerer Frequenz von 70 MHz in der Fortpflanzungsrichtung des Lichts einen Einkristall einer Abmessung von nur 12 bis 15 mm erfordert.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen akusto-optischen Elements gegenüber herkömmlichen akusto-optischen Elementen mit einem Halogenid des einwertigen Quecksilbers'gemäß dem Stand der Technik beruht auf der Ausnutzung der optischen Anisotropie der erwähnten Kristalle, so daß das erfindungsgemäße akusto-optische Element unter den Bedingungen einer anomalen Beugung arbeitet. Diese Bedingungen ermöglichen unter Beibehaltung aller anderen Parameter des akusto-optischen Elements eine Vergrößerung der Länge der gegenseitigen Wechselwirkung der akustischen und der optischen Welle um ein Mehrfaches und eine entsprechende Verringerung der erforderlichen elektrischen Hochfrequenz-Erregerleistung

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oder bei derselben Länge und Leistung eine entsprechende Vergrößerung der Breite des Frequenzbands des Elements oder auch eine entsprechende Vergrößerung von Bandbreite und Länge. Ein akusto-optisches Element mit einem Einristall aus Quecksilberbromid und einem Verdrehungswinkel· c< von 2 25', einer Länge des Bereichs der gegenseitigen Wechselwirkung von 9,5 rnm und einer mittleren Frequenz von 40 MHz besitzt eine Frequenzbandbreite von 15 MHz, während es bei den bekannten akusto-optischen Elementen gemäß dem OS-Urheberschein 170 007 zur Erzielung dieser Bandbreite erforderlich ist, die Länge auf etwa ein Zehntel zu verkürzen. Zugleich ist die erforderliche Hochfrequenzleistung beim erfindungsgemäßen akusto-optischen Element auf 1/9 herabgesetzt und die notwendige Schalldichte der durch den piezoelektrischen Wandler erzeugten akustischen Welle und die damit zusammenhängende elektrische und thermische Belastung des Wandlers auf 1/81 des Wertes des akusto-optischen Elements gemäß dem CS-Urheberschein 170 007 verringert.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen akustooptischen Elements gegenüber dem bereits bekannten akustooptischen Element besteht darin, daß die Frequenzabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrads gleichmäßiger ist, da keine parasitäre Streuung des Lichts in eine unerwünschte Richtung mehr auftritt.

In der Zeichnung ist eine Anordnung schematisch dargestellt, anhand deren zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer akusto-optischer Elemente erläutert werden.

Die Quelle 4 für Schallwellen besteht aus einem ausgeschliffenem piezoelektrischen Einkristall wie Lithiumniobat LiNbO₃, Lithiumjodat LiJO₃, Lithiumtantalat LiTaO₃, Silicium-

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dioxid SiO« usw., dessen Dicke von der Frequenz des erzeugten Ultraschalls abhängig ist; die kristallographische Orientierung ist durch die Art der Welle, die durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt wird, festgelegt. Das ausgeschliffene Plättchen ist mit Elektroden 7, 7' versehen,

Die obige akustische Schallquelle 4 kann auch in Form eines kombinierten Systems aus einem Plättchen und einem Prisma verwendet werden, wobei das Prisma aus einem Material hergestellt ist, das eine niedrige Dämpfung der Schallwellen aufweist und an der oberen Fläche des Einkristalls befestigt ist, beispielsweise mit Epoxyharz. An der oberen Fläche des Prismas ist das Plättchen aus dem piezoelektrischen Material vorgesehen. Wenn die Schallquelle 4 jedoch nur aus einem Plättchen besteht, muß seine ünterflache vergoldet werden.

Beispiel 1

Das erfindungsgemäße akusto-optische Element weist einen Einkristall 1 aus Quecksilber(I)-chlorid auf, bei dem eine von zwei gegenüberliegenden Flächen 2, 2' senkrecht zu einer Richtung liegt, die gegenüber der Richtung der optischen Achse [001J des Kristalls um die kristallographische Richtung j KHOJ, gleich j_TTÖJ, um den Winkel OL - 4° verdreht ist. Eine weitere Fläche 3 des Kristalls ist ebenfalls um den Winkel OC = 4 gegenüber der kristallographischen Fläche (HKO), gleich (110), um die kristallographische Richtung j_KHOJ , gleich |_110J, verdreht; an diese Fläche ist eine Quelle 4 für akustische Querwellen/mit der Schwingungsrichtung [110J angeschlossen. Die gegenüberliegenden Flächen 2, 2¹ sind für den Eintritt 5 und den Austritt 5' der Lichtwelle poliert. Ein Polieren der übri-

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gen Flächen des akusto-optischen Elements ist für die Funktion nicht unbedingt erforderlich, kann jedoch in manchen Fällen von Vorteil sein.

Die auftreffende Lichtwelle 5 pflanzt sich im akusto- -optischen Element längs der Ebene [iioj fort und ist stark polarisiert, d. h., der Vektor der elektrischen Feldstärke liegt in einer Ebene, die durch die Fortpflanzungsrichtung der Lichtwelle und die Richtung der optischen Achse des Kristalls gegeben ist. In der Ebene (110) kommt es im akusto-optischen Element zu einer Beugung der Lichtwelle 5. Die entstandene abgelenkte Lichtwelle 5¹ ist wie die normale Lichtwelle polarisiert, d. h., der Vektor der elektrischen Feldstärke steht senkrecht zu einer Ebene, die durch die Fortpflanzungsrichtung der Lichtwelle und die Richtung [pol] der optischen Achse des Kristalls gegeben ist. Ohne gegenseitige akusto-optische Wechselwirkung tritt die Lichtwelle in der Richtung 5" aus.

Beispiel 2

Das akusto-optische Element ist ähnlich wie in Beispiel 1 aufgebaut, jedoch ist sein Kristall so bearbeitet, daß die kristallographische Richtung [hkOj parallel zur Richtung Π0Oj ist und die Richtung [kHOJ parallel zur Richtung [pioj liegt.

Das erfindungsgemäße akusto-optische Element kann beispielsweise zur Ablenkung eines Lichtstrahls in Anordnungen zur Aufzeichnung von Daten, in großflächigen Displays, in holographischen Speichern, in Anordnungen zur optischen Verarbeitung von Informationen wie etwa zur Signalkompression, zur adaptierten Filtration, zur Korrelation udgl angewandt werden.

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Die Erfindung betrifft zusammengefaßt ein akustooptisches Element mit einem Einkristall aus einem reinen oder gemischten Halogenid des einwertigen Quecksilbers, der zur Ablenkung von Lichtstrahlen durch Beugung mit einer akustischen Welle im anisotropen Medium des Einkristalls geeignet ist.

Durch geeignete Bearbeitung des Einkristalls und geeignete Einstellung werden die Nachteile bisheriger derartiger Elemente vermieden, insbesondere Schwankungen des Beugungs-Wirkungsgrads, ferner wird eine längere gegenseitige Wechselwirkung der akustischen und der Lichtquelle erzielt und die erforderliche Größe des Einkristalls und die benötigte elektrische Hochfrequenzleistung herabgesetzt, wobei auch mit einer akustischen Längswelle gearbeitet werden kann.

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Claims

Patentansprüche

Akusto-optisches Element mit einem Einkristall aus einem reinen oder gemischten Halogenid des einwertigen Quecksilbers,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Fläche eines ersten Paares einander gegenüberliegender Flächen (2, 2¹) senkrecht zu einer Richtung steht, die gegenüber der Richtung F⁰⁰IJ der optischen Achse des Kristalls um die kristallographische Richtung JKHoJ um einen Winkel <X zwischen 0,2 und 20,0° verdreht ist, und eine weitere Kristallfläche (3) um denselben Winkel OC gegenüber der kristallographischen Fläche (HKO) um die kristallographische Richtung ^KHOjverdreht ist und an diese weitere Kristallfläche (3) eine Quelle (4) für akustische Querwellen mit einer Schwingungsrichtung ΓκηοΙ angeschlossen ist, wobei das erste Paar einander gegenüberliegender Flächen (2, 2¹) für den Ein- und Austritt der optischen Welle poliert ist.
2. Akusto-optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Richtung [hkoJ parallel zur Richtung [1¹⁰J und die Richtung KHO1 parallel zur Richtung Tu

L *J L— —

und die Ebene (HKO) mit der Ebene (110) identisch ist.

sind

233-(S9486)-SF-Sl

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3. Akusto-optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Richtung [hkoJ parallel zur Richtung MOOJ und die Richtung KHO I parallel zur Richtung [O1O~| sind.
4. Verwendung des akusto-optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Ablenkung von Lichtstrahlen in Anordnungen zur Datenaufzeichnung, in Laser- oder anderen Displays, holographischen Speichern und Anordnungen zur optischen Signal- oder Informationsverarbeitung.

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