DE2919590A1 - Magnetischer spiegel - Google Patents

Magnetischer spiegel

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DE2919590A1 DE19792919590 DE2919590A DE2919590A1 DE 2919590 A1 DE2919590 A1 DE 2919590A1 DE 19792919590 DE19792919590 DE 19792919590 DE 2919590 A DE2919590 A DE 2919590A DE 2919590 A1 DE2919590 A1 DE 2919590A1
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Description

A- */ f «J *β y^ KJ
Patentarwäke. Dipl.-Ing. Curt Wallach
_ // w Dipl.-lng. Günther Koch
Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
Dipl.-lng. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 15. Mal 1979
Unser Zeichen: 16 619 - Fk/Ne
Sperry Rand Corporation
New York, USA
Magnetischer Spiegel
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Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach
^ «"■_ Dipl.-lng. Günther Koch
Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
Dipl.-lng. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: I5. Mal 1979
Unser Zeichen: 16
Sperry Rand Corporation
New York, USA
Magnetischer Spiegel
Die Erfindung bezieht sich auf magnetische Spiegel, die auftreffendem p-polarisiertem Licht eine nicht-reziproke Phasenverschiebung erteilen, sowie auf magneto-optische Materialien zur Verwendung bei derartigen Spiegeln. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen und Materialien, die zur
unterschiedlichen Phasenverschiebung von in gegenläufigen
Richtungen verlaufenden Lichtwellen verwendet werden, die
sich in einem Ringlaser ausbreiten, so daß ein diskreter
Unterschied zwischen den Frequenzen der Lichtwellen hervorgerufen wird, der ein Modeneinrasten ausschließt.
Ein Ringlaser schließt einen optischen Hohlraum mit Bauteilen, wie z.B. einer Anzahl von Spiegeln ein, die durch ein aktives Lasermedium in den Hohlraum eingeführte Lichtwellen entlang
eines eine geschlossene Schleife bildenden ebenen Pfades umlenken. Schwingungsmoden treten hierbei bei den Frequenzen auf, für die die Weglänge der geschlossenen Schleife eine ganz-
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zahlige Anzahl von Lichtwellenlängen Ist. Daher schwingen die In entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Lichtwellen mit der gleichen Frequenz, wenn ihre jeweiligen Bahnlängen gleich sind, während sie bei unterschiedlichen Frequenzen schwingen, wenn die Bahnlängen ungleich sind, was beispielsweise dann auftritt, wenn der Hohlraum um eine Achse senkrecht zur Ausbreitungsebene der Lichtwellen gedreht wird. Die Drehgeschwindigkeit kann dadurch gemessen werden, daß aus dem Hohlraum ein kleiner Teil der Energie in jeder Lichtwelle durch teilweise Weiterleitung durch oder durch Reflexion an einem der den Hohlraum bildenden Bauteile abgeleitet wird. Komb !nationseinrichtungen außerhalb des Hohlraumes lenken die Lihtwellen In kolinearer Beziehung auf einen Photodetektor, der ein elektrisches Überlagerungsfrequenz-Signal liefert, das der Differenz zwischen den Frequenzen der Lichtwellen entspricht.
Die Differenzfrequenz steht für eine vergleichsweise schnelle Drehung In linearer Beziehung zur Drehgeschwindigkeit, doch wenn diese Drehgeschwindigkeit kleiner wird, wird die Beziehung nicht linear weil sich eine Kopplung zwischen jeder Lichtwelle und einem zurückgestreuten Anteil der sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden Welle ergibt. Wenn die Drehgeschwindigkeit noch kleiner wird, jedoch noch einen gewissen endlichen Wert aufweist, wird diese Kopplung ausreichend stark, um die sich In entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Wellen zu synchronisieren, so daß sich ein abruptes Aufhören des ÜberlagerungsfrequenzsIgnaIs ergibt. Dieses Frequenzsynchronisationsphänomen wird als Modeneinrastung (mode locking) bezeichnet und die entsprechende Überlagerungsfrequenz oder Drehgeschwindigkeit, bei döi> dieses Modeneinrasten erfolgt, wird als Modenelnrastschwellwert bezeichnet.
Es wurden verschiedene Einrichtungen und Lösungen vorgeschlagen, um den sich In entgegengesetzten Richtungen ausbrelten-
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den Lichtwellen eine nicht-reziproke Phasenverschiebung zu erteilen. Beispielsweise zeigt die deutsche Offenlegungsschrift 24 32 479 einen magnetischen Spiegel, der auftreffendem Licht eine nicht-reziproke Phasenverschiebung erteilt. Dieser bekannte magnetische Spiegel verwendet ein ferromagnetisches Material, wie z.B. Eisen, Nickel oder Kobalt, das senkrecht zur Auftreffebene magnetisiert wird, um den darauf auftreffenden entgegengesetzt gerichteten p-polarisierten Lichtwellen eine nicht-reziproke Phasenverschiebung zu erteilen. Reine ferromagnetische Materialien sind jedoch nicht für Anwendungen geeignet, die niedrige Verluste erfordern, wie z.B. für Ringlaser, weil die Reflexionskoeffizienten dieser Materialien nicht hoch genug sind. Entsprechend zeigt die deutsche Offenlegungsschrift 24 32 479 <31e Anwendung eines mehrschichtigen Dielektrikums auf der Oberfläche des ferromagnetischen Materials zur Verbesserung des Reflexionsvermögens. Die Folge der Einfügung eines mehrschichtigen dielektrischen Reflektors zwischen dem auftreffenden Licht und dem ferromagnetischen Material des Spiegels besteht in einem Verlust an erreichbarer Frequenzverschiebung zugunsten eines verbesserten Verlustwertes.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 32 479 ist weiterhin zu entnehmen, daß eine weitere Möglichkeit zur Schaffung eines eine nichtreziproke Phasenverschiebung hervorrufenden Spiegels darin besteht, daß abwechselnde Viertelwellenlängen-Schichten eines dielektrischen und eines ferrimagnetischen Materials wie z.B. eines Yttrium-Eisengranatmaterials verwendet werden. Derartige abwechselnde Granatschicht-Strukturen sind jedoch nur schwierig in zuverlässiger Weise so herzustellen, daß die Schichtdicken genau gesteuert werden und übermäßige Rückstreuung an Schicht-Grenzflächen auftritt, weil mit Ausnahme der ersten Yttrium-Eisengranatschicht die übrigen Schichten auf den vorher gezogenen oder aufgewachsenen Schichten zum Wachsen gebracht werden müssen. Weiterhin weist Yttrium-
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Eieengranat von Natur aus eine geringe Phasenverschiebung oder Vorspannfähigkelty so daß es für die Verwendung in einem Ringlaser Eur Phasenverschiebung der entgegengesetzt gerichteten Lichtwellen zum Vermelden einer Modeneinrastung nicht zweckmäßig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Spiegel der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei großer Phasenverschiebung geringe Verluste aufweist und der leicht herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem magnetischen Spiegel sur nicht-reziprokeil Phasenverschiebung von auftreffendem p-pGlarisiertem Liehfc erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spiegel ein lichtdurchlässiges Substrat mit einer ersten optisch ebenen Oberfläche zur Aufnahme von auftreffendem Licht und eine zweite optisch ebene Oberfläche entgegengesetzt zur ersten Oberfläche aufweist, daß eine magneto-optische Granatschicht auf der zweiten Oberflächejdes Substrats angeordnet ist und eine dritte Oberfläche entgegengesetzt zur zweiten Oberfläche aufweist-, öaß Einrichtungen benachbart zur dritten Oberfläche der Granatschicht angeordnet sind, um sich durch öle dritte Oberfläche von der Granatschicht aus ausbreitendes Licht zur Granatschicht zurückzureflektieren und daß Einrichtungen zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Granatschicht vorgesehen sind, das senkrecht zur Auftreffebene des p-polarisierten Lichtes ausgerichtet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird monokristallines Wismut-Lutetium-Eisengranat-Material als magnetooptisches Material verwendet. Vorzugsweise ist eine Schicht aus monokristallinem Wismut-Lutetlum-Elsengranat mit der Formel (BiLu)^Pe1-O12 als epitaxiale Schicht auf einem Substrat aus Gadolin-Galliumgranat ausgebildet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von In der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Pig, 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des optischen Hohlraumes eines aktiven Ring lasers;
Pig. 2 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten
Ausführungsform des magnetischen Spiegels.
In PIg. 1 ist ein aktives Laserstrahlen aussendendes Medium wie z.B. eine übliche He-Ne-Gasmischung vorgesehen, das durch übliche (nicht gezeigte) Hochfrequenzeinrichtungen mit Energie versorgt wird und in einem Glasrohr 10 angeordnet Ist. Dieses aktive Laserstrahlen aussendende Medium äendet Lichtwellen In beiden Richtungen entlang der Längsachse des Glasrohres 10 durch optische Endplatten 11 und 12 aus, die die Enden des Rohres 10 abdichten. Die den optischen Hohlraum bildenden Spiegel IJ>, 14, 15 und 16 reflektieren aufeinanderfolgend die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtwellen auf einer eine geschlossene Schleife bildenden Bahn I7.
Die optischen Endplatten 11 und 12 sind unter dem Brewster1-sehen Winkel gegenüber der Längsachse des Rohres 10 geneigt, um Lichtwellen zu liefern, die parallel zur Ebene des optischen Hohlraumes planpolarisiert sind. Entsprechend sind, wenn die Lichtwellen auf die Spiegel I3, 14, I5 und 16 auftreffen, diese Lichtwellen in jedem Fall in der Auftreffebene polarisiert.
Ein Maß der Differenz zwischen den Frequenzen der sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtwellen, die sich
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aus nichtreziproken Effekten in dem optischen Hohlraum ergibt, wird dadurch gewonnen, daß ein Teil der Energie in jedem Lichtstrahl durch den Eckspiegel I5 einem Kombinationsmechanismus zugeführt wird, der zwei Spiegel 18 und I9, einen Strahlteiler 20 und einen Photodetektor 21 aufweist. Die Komponente der im Uhrzeigersinn (CW) umlaufenden Lichtwelle, die durch den Eckspiegel I5 übertragenjwlrd, wird zunächst von dem Kombinationsspiegel I9 reflektiert und dann von dem Strahlteiler 20 auf den Photodetektor 21 teilreflektiert. In gleicher Weise wird der von dem Hohlraum abgeleitete Teil der sich im Gegenuhrzeigersinn (CCW) ausbreitenden Lichtwelle an dem Kombinationsspiegel 18 reflektiert und durch den Strahlteiler 20 teilweise übertragen und trifft kollnear mit dem Anteil der sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Lichtwelle auf den Photodetektor 21 auf, an dem sich die Lichtwellen mischen, um ein Überlagerungsfrequenzsignal zu erzeugen, das gleich der Differenz der Frequenzen der auftreffenden Anteile ist.
Um eine Modeneinrastung, die bei niedrigen Drehgeschwindigkelten auftritt, zu vermeiden, weist der optische Hohlraum eine nicht-reziproke Phasenverschiebungswirkung auf, die mit Hilfe eines Magnetfeldes erzielt wird, das in dem Eckspiegel 16 ausgebildet wird. Die Magnetisierung in dem Eckspiegel 16 tritt mit den sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden und auf ihn auftreffenden Wellen derart in Wechselwirkung, daß diesen Wellen bei der Reflexion von dem Spiegel eine unterschiedliche Phasenverschiebung erteilt wird. Als Ergebnis hiervon schwingen die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen, so daß eine Modeneinrastung selbst dann nicht auftritt, wenn der optische Hohlraum stationär ist. Die Magnetisierung in dem Eckspiegel 16 ist senkrecht zur Ebene des optischen Hohlraumes ausgerichtet und die Lichtwellen sind in der Auftreffebene mit dem Spiegel 16 polarisiert. Diese Bedingungen der Polarisation und Magnetisierung ergeben die
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gewünschte unterschied liehe Phasenverschiebung während gleichzeitig die Polarisation der Lichtwellen beibehalten wird.
Wie dies aus Fig. 2 zu erkennen ist, weist die dortdargestellte Ausführungsform des magnetischen Spiegels 16 ein lichtdurchlässiges Substrat 25 auf, das beispielsweise aus einem monokristallinen Gadolin-Galliumgranat hergestellt ist. Auf einer optisch ebenen Oberfläche 28 des Substrats 25 ist eine Antireflex-Beschichtung 30, wie z.B. Thorlumfluorld aufgebracht. Sich auf <3er eine geschlossene Schleife bildenden Bahn VJ ausbreitendes Licht trifft auf <3ie Antireflexbesphichtung 30 auf. Entsprechend läuft im wesentlichen das gesamte auf die Beschichtung 30 auftreffende Licht durch diese und das Substrat 25 hindurch und trifft auf eine zweite Oberfläche 33 (des Substrate 25) auf, die optisch eben ist und die im wesentlichen parallel und entgegengesetzt zur Oberfläche 28 des Substrates 25 angeordnet ist. Eine Schicht 36 aus magnetooptischem Granatmater ial, wie z.B0 einem monokristallinen Wismut-Lutetium-Eisengranat ist auf der Oberfläche 33 durch Flussigphasen-Epitaxy ausgebildet» Entsprechend ist es erforderlich, daß <3er Teil <3es Substrates 25, übt die Oberfläche 33 bildet, aus einem monokristallinen Material feestehtj, das die gleiche Gitterstruktur wie die Granatsehlcht 36 aufweSb. Eine Oberfläche 39 der Granatschicht 36 ist im wesentlichen parallel und entgegengesetzt zur Oberfläche 33 angeordnet. Auf dieser Oberfläche 33 ist ein mehrschichtiger dielektrischer Reflektor 40 mit dielektrischen Schichten 42„ 44a 46 und 48 ausgebildet. Der mehrschichtige dielektrische Reflektor 40 ist aus 7 bis 9 eine Viertelwellenlange aufweisenden dielektrischen Schichten mit abwechselnden einen hohen und einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Materialien, wie z.B. Kryolith und Zinksulfid oder Thoriumfluor id und Zinksulfid gebildet. Der mehrschichtige dielektrische Reflektor 4o weist eine Oberfläche 49 auf, die im wesentlichen parallel und entgegengesetzt zur Oberfläche 39 der Qanat-
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schicht 36 angeordnet ist. Auf der Oberfläche 49 ist eine Schicht 50 aus Metall, wie z.B. Gold ausgebildet, um das Reflexionsvermögen des magnetischen Spiegels 16 zu verbessern. Es 1st wichtig, daß die Schicht 48 aus einem einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Dielektrikum wie z.B. Kryolith oder Thoriumfluor id gebildet ist.
Weiterhin sollte die Dicke der Schicht 48 so eingestellt werden, daß die Wirkung der komplexen Komponente des effektiven Oberflächenreflexionskoeffizienten der Schicht 50 aufgehoben wird. Eine schützende Glasplatte 53 ist mit der Metallschicht 50 mit Hilfe eines optischen Klebers verbunden, um ein Verwerfen des mehrschichtigen dielektrischen Reflektors 40 und der Metallschicht 50 zu verhindern, wobei das Klebemittel von einer Art ist, die nicht vollständig aushärtet, um ein Verwerfen des Substrats 25 zu verhindern.
Ein Elektromagnet mit Polen 56 und 58 ist benachbart zur Granatschicht 36 angeordnet, um in dieser ein sättigend esMagnetvorspannfeld zu erzeugen, dessen Richtung senkrecht zur Auftreffebene von sich auf dem Ausbreitungsweg YJ ausbreitenden Licht verläuft. Nicht gezeigte Einrichtungen sind zur periodischen Umkehrung des von dem Elektromagneten induzierten Feldes vorgesehen, um Drifteffekte zu kompensieren. Der größte Teil des auf die Antireflexschicht 30 auftreffenden Lichtes gelangt durch die Schicht 30 und das Substrat 25 auf die magnetooptische Granatschicht 36» wo das Licht als Ergebnis des erzeugten Magnetfeldes einer Phasenverschiebung unterworfen wird, die nicht-reziprok ist während die Planpolarisation des Lichtes nicht beeinflußt wird. Nach dieser Phasenverschiebung wird im wesentlichen das gesamte Licht von dem mehrschichtigen dielektrischen Reflektor 40 und der Metallschicht 15 durch die Granatschicht 36 zurück reflektiert, so daß es erneut bei der Rückkehr durch die Granatsehicht 36 phasenverschoben wird, worauf die Lichtwelle den magne-
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tischen Spiegel 16 durch das Substrat 25 und die Antlreflexschicht 30 verläßt.
Der Aufbau des magnetischen Spiegels 16 nach Fig. 2 beginnt mit der Ausbildung der magnetooptischen Granatschicht 36 auf der Oberfläche 33 des Substrates 25 durch Flussigphasen-Epitaxy, wie dies noch näher erläutert wird. Darauf wird die Antireflexschicht 30 aus Thorlumfluorid auf der Oberfläche 28 des Substrats 25 mit Hilfe üblicher Vakuumabscheidungstechniken abgeschieden, worauf aufeinanderfolgende Vakuumabsehe!düngen der abwechselnden dielektrischen Schichten des mehrschichtigen dielektrischen Reflektors 40 folgen. Entsprechend gut bekannter Techniken wird Sorgfalt angewandt, um sicherzustellen, daß die dielektrischen Schichten des Reflektors 40 sowie die Antireflexbeschichtung 30 und die Granatschicht 36 eine niedrige Absorption sowie eine geringe Streuwirkung aufweisen.
Der Teil des Substrates 25, der die Oberfläche 33 berührt, muß monokristallin sein und die gleiche Struktur wie die magnetooptische Granatschicht 36 aufweisen, so daß die letztere auf der Oberfläche 33 beispielsweise durch FlussIgphasenepltaxy ausgebildet werden kann. Es 1st weiterhin vorzuziehen, daß die Gitterkonstante des Teils des Substrates, der die Oberfläche 33 bildet, so genau wie möglich der Gitterkonstante der Granatschicht 36 entspricht. Obwohl die Granatschicht 36 selbst dann mit Erfolg auf der Oberfläche 33 ausgebildet werden kann wenn die Gitterkonstante dieser Oberfläche etwas von der der Schicht 36 abweicht, führt ein derartiger Zustand zu Druck- oder Zugbeanspruchungen in der kristallinen Struktur, lias mit der Zeit zu Brüchen und zu einem Abschälen der Schicht 36 von der Oberfläche 33 führen kann. Die bevorzugte Granatzusammensetzung für die Schicht 36 Ist WIsmut-Lutetlum-EIsengranat (BILu).,Feκ0,ο und dieses
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Material hat einen Gitterparameter aQ von 12,383 A. Das bevorzugte Substratmaterial für die Verwendung mit Wismut-
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Lutetium-Eisengranat Ist Gadolin-Galliumgranat Gd^Ga^O-, o mit
9 einem Gitterparameter aQ von 12,383 A.
Ein Substrat aus monokristallinem Gadolin-Galliumgranat mit einer Stärke von ungefähr 0,5 mm wird für das FlussIgphasen-Epltaxialwachstum einer Wismut-Lutetium-Eisengranatschicht In einer flüssigen Lösung dadurch vorbereitet, daß eine optisch ebene Wachstumsoberfläche für die epltaxlale Schicht gebildet wird. Diese Oberfläche muß frei von Staub oder anderen Fremdkörpern sein, die die Wachstumsoberfläche beeinträchtigen wurden oder die Fehler In der Epitaxlalschicht hervorrufen könnten, die zu Streuzentren führen könnten. Vor dem tatsächlichen Schritt des epitaxialen Wachstums muß Sorgfalt angewandt werden, um ein Ätzen der Wachsturnsoberfläche oder eine Kernbildung an dieser Wachstumsoberfläche zu verhindern, was dadurch geschehen kann, daß die V/a chs turns ob er f lache zu lange in der Nähe der flüssigen Lösung bleibt, während die Substrat tempera tür ein Gleichgewicht mit der der flüssigen Lösung erreicht.
Die flüssige Lösung Ist eine Bleioxyd(PbO)-Lösung von Wismutoxyd (BIpO,) , Elsenoxyd (FepCL·) und Lutetiumoxyd (LUpCL·) . Das Verhältnis der Menge des Bleioxyds zu der der gelösten Bestandteile Ist derart gewählt, daß die gewünschte Wachstumsgeschwindigkeit Innerhalb eines Bereiches von Wachstumstemperaturen erzielt wird, bei denen die Granatphase stabil ist. Das Verhältnis der Menge von Wismutoxyd zu Lutetiumoxyd Ist so eingestellt, daß die daraus aufgewachsene ßpltaxlale Granatschicht ein Wismut-/Lutetium-Verhältnis aufweist, das an das Gitter des Substrates angepaßt Ist. Das Verhältnis der Menge von Elsenoxyd zu der von Wismutoxyd und Lutetiumoxyd Ist so eingestellt, daß die Granatphase unter den Bedingungen, unter denen die epltaxlale Granatschicht gewachsen wird, stabil Ist. Die ausgewählten Mengen von Bleioxyd, Wismutoxyd, Elsenoxyd und Lutetiumoxyd werden in Gramm bis zur zweiten Dezimalstelle
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gemessen, in einem Platinbehälter gemischt und darin bei 900° bis 10000C geschmolzen. Der Behälter mit seinem flüssigen Inhalt wird dann zu einem Flussigphasen-Epitaxialofen überführt, in der er auf einer Temperatur von 11500C für eine Zeit gehalten wird, die ausreicht, um diese Mengen vollständig in einer flüssigen Lösung zu lösen. Die Lösung darf nicht erstarren, bevor die epitaxiale Granatschicht aufgewachsen wird.
Wenn es erwünscht ist, die epitaxiale Schicht aufzuwachsen, so wird die Temperatur der flüssigen Lösung zuerst auf eine Gleichgewichtstemperatur verringert, die ungefähr 20°C über der Temperatur liegt, bei der das Wachstum erfolgen soll. Danach wird die Temperatur der flüssigen Lösung auf die gewünschte Wachstumstemperatur verringert. Dann wird das Substrat in den Flüssigphasen-Epitaxialofen mit einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit eingeführt, damit Schaden an dem Substrat vermieden werden. Das Substrat wird durch einen Platinträger in einer horizontalen Position gehalten, während es sich in dem Ofen befindet und es wird Rückseite an Rückseite mit einem zweiten Substrat derart gehalten, daß das Wachstum lediglich auf einer Oberfläche jedes Substrates auftritt. Die Substrate werden dann ungefähr J bis 6 mm oberhalb der Oberfläche der flüssigen Lösung für ungefähr 10 Minuten derart gehalten, daß die Temperatur des Substrates innerhalb eines Bereiches von I0C die Temperatur der flüssigen Lösung vor dem Wachstumsschritt annimmt. Die Substrate sollten in dieser Position nicht für eine übermäßige Zeitdauer bleiben, um in der oben erwähnten Weise eine Ätzung oder Kernbildung zu verhindern. Darauf wird der Wachstumsschritt durch Eintauchen der Substrate in die flüssige Lösung bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 cm während sie mit 60 Umdrehungen pro Minute gedreht werden und die Drehrichtung alle 2 Sekunden umgekehrt wira,y%föcn einer vorgegebenen Zeitperiode werden die Substrate aus der flüssigen Lösung herausgezogen und gerade über deren Oberfläche gehalten, während sie sehr schnell
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In Drehung versetzt werden, um alle an den Substraten verbleibenden Lösungsreste abzuschleudern. Danach werden die Substrate von der Heizzone des Ofens mit einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit entfernt, damit sie nicht beschädigt werden. Wenn es dann erwünscht ist, weitere Epitaxial-Granatschichten von dieser flüssigen Lösung aufzuwachsen, so wird die Temperatur dieser Lösung auf ungefähr 11500C für ungefähr 1 bis 2 Stunden angehoben, bevor der Vorgang wiederholt wird.
Die flüssige Lösung muß vollständig homogen und klar sein (keine Ausfällung). Die Temperatur der Lösung während des Wachstums darf nicht so hoch sein, daß die Substratoberfläche zurückgeätzt wird, woraus folgen würde, daß die epltaxlale Schicht eine schlechte optische Qualität aufweist. Weiterhin darf die.Temperatur der flüssigen Lösung nicht so niedrig sein, daß sich Kerne bilden, das zu einem schlechten epitaxialen Wachstum und schließlich zu schlechten optischen Eigenschaften des magnetischen Spiegels führen würde. Die Temperatur der flüssigen Lösung während des Wachstums sollte Innerhalb eines Bereiches von l°bis 2°C der vorbestimmten Wa chs turns tempera tur gehalten werden well Wismut und Lutetium unterschiedliche Entmischungs- oder SeigerungskoeffIzienten als Funktion der Temperatur aufweisen. Das heißt, daß es zur Erzielung des gewünschten Verhältnisses von Wismut zu Lutetium In der epitaxialen Granatschicht es wünschenswert Ist, daß das Wachstum dieser Granatschicht ein Isothermer Vorgang ist.
Befriedigende magnetooptische Wismut-Lutetium-Eisengranatschichten zur Verwendung In einem magnetischen Spiegel als Prequenzverschiebungselement in einem Ringlaser-Kreisel wurden unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens hergestellt. Bei einem beispielhaften Verfahren wurde eine flüssige Lösung aus den folgenden Bestandteilen gebildet: Bleioxyd (PbO) 259,99 Gramm; Wismutoxyd (BI2Q.,) 197,96 SJ Eisenoxyd (Pe2O5) 24,51 g und Lutetiumoxyd (LUpO,) 3,24 g. Diese Mengen wurden
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auf 2 Dezimalstellen genau gemessen und dann In der vorstehend beschriebenen Weise in einem Platinbehälter zubereitet. Für 20 Minuten vor der Einführung der Substrate In den Ofen wurde die Temperatur dieser flüssigen Lösung auf 8l5°C abgesenkt, um einen Gleichgewichtszustand bei dieser Temperatur zu erzielen. Dann wurde die Temperatur dieser Lösung auf die Wachstumstemperatur von 7850C verringert und es wurde verhindert, daß die Temperatur unter diese Temperatur abfiel. Die Substrate wurden dann für IO Sekunden in die Lösung eingetaucht und dann herausgezogen, wodurch sich eine epltaxiale Granatschicht mit einer Dicke von ungefähr I3I7 A ergab.
Bei einem weiteren beispielhaften Verfahren wurde eine flüssige Lösung aus den folgenden Mengen der Bestandteile gebildet: Bleioxyd (PbO) 239,99 g> Wismutoxyd (BI2O,) 197,96 gj Elsenoxyd (Pe2O5) 24,51 gj und Lutetiumoxyd (Lu2O5) 2,24 g. Bei einer
Wachstumstemperatur von 7800C wurde eine epitaxiale Granat-
o . schicht mit einer Stärke von ungefähr I350 A in 1 1/2 Minuten
aufgewachsen.
Die Wachstumsperlode wird normalerweise innerhalb des Bereiches von ungefähr J> Sekunden bis zu 1 1/2 Minuten gewählt. Der untere Grenzwert von j5 Sekunden wird als minimale Wachstumsperiode gewählt, die zeitlich bestimmt werden kann, um reproduzierbare Epltaxlalschichtstärken zu erzielen und die unannehmbare Streueffekte In der Epltaxialschicht vermeidet. Der obere Grenzwert Ist ausgewählt, um die unerwünschten Wirkungen von Temperaturänderungen während der WachsturnsperIode zu vermeiden. Das heißt, daß die Wachstumsdauer so begrenzt werden muß, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens wesentlicher Temperaturänderungen während des Wachstums nicht gegeben 1st.
Vorzugsweise wird die epltaxiale Granatschicht mit einer derartigen vorgegebenen Stärke aufgewachsen, daß die von dem hin-
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- vr-
durchlaufenden Licht durchlaufene Strecke ungefähr gleich einer Viertelwellenlänge des Lichtes in der Granatschicht ist. Dies führt zu einer maximal erreichbaren Verschiebung weil die Verschiebung eine sinusförmige Funktion der Stärke der magnetooptischen Granatschicht ist. Die Stärke der Granatschicht kann in gewissem Ausmaß durch sorgfältige Auswahl der Parameter des Wachstums kontrolliert werden. Eine noch genauere Kontrolle der Stärke kann durch Aufwachsen der epitaxialen Granatschicht mit einer größeren als der abschließend gewünschten Stärke und nachfolgendes Rückätzen auf diese gewünschte Stärke erzielt werden.
Obwohl es zu erkennen ist, daß der beschriebene magnetische Spiegel insbesondere als Frequenzverschiebungselement für einen aktiven Ringlaserkreisel zur Beseitigung des Modeneinrast Phänomens geeignet ist, ist weiterhin zu erkennen, daß dieser Spiegel für alle ähnlichen Anwendungen vorteilhaft ist, die eine nicht-reziproke Phasenverschiebung von kohärenten Lichtstrahlen erfordern. Insbesondere kann der beschriebene Spiegel auch als Eckspiegel in einem passiven Ringlaserkreisel verwendet werden, um eine nicht-reziproke Phasenverschiebung von sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen zur Vermeidung einer Modeneinrastung hervorzurufen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß erfindungsgemäß ein magnetischer Spiegel geschaffen wird, der auftreffendem p-polarisiertem Licht eine nicht-reziproke Phasenverschiebung erteilt und eine magnetooptische Granatschicht aufweist, die auf einer ersten Oberfläche 33 eines lichtdurchlässigen Substrates 25 ausgebildet ist, das eine zweite entgegengesetzte und im wesentlichen parallele Oberfläche aufweist, auf die das Licht auftrifft. Das Licht wird beim Durchlaufen der magnetooptischen Granatschicht 36 dadurch nicht reziprok phasenverschoben, daß an die Granatschicht
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ein Magnetfeld angelegt wird, das senkrecht zur Auf treffebene steht. Mehrschichtige reflektierende Einrichtungen 40 sind benachbart zu einer Oberfläche der Granatschicht 26 angeordnet, um durch diese Granatschicht 26 hindurchlaufendes Lint zur Schicht J>6 zurückzure flektier en. Als magnetooptisches Material ist hierbei monokristallines Wismut-Lutetium-Eisengranatmaterial besonders für diese magnetooptische Granatschicht 36 geeignet.
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Claims (1)

  1. Patentanwälte Dipi.-lng. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
    D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d
    Datum: I5. Mal 1979
    Unser Zeichen: 16 619 - Fk/Ne
    Pa tentansprüche
    Il Magnetischer Spiegel zur nicht-reziproken Phasenverschiebung von auftreffendem p-polarisiertem Licht, gekennzeichnet durch ein transparentes Substrat (25) mit einer ersten optisch ebenen Oberfläche (28) zum Empfang von auftreffendem Licht, und mit einer zweiten optisch ebenen Oberfläche (33), die der ersten Oberfläche (28) gegenüberliegt, eine magneto-optische Granat-Schicht (36) auf der zweiten Oberfläche (33) des Substrats (25), wobei die Granatschicht (36) eine dritte der zweiten Oberfläche (33) entgegengesetzte Oberfläche (39) aufweist, Einrichtungen (40, 50) benachbart zur dritten Oberfläche (39) der Granatschicht (36) zur Reflexion von sich durch die dritte Oberfläche (39) von der Granatschicht (36) aus ausbreitendem Licht durch die Granatschicht (36) hindurch zurück und Einrichtungen (56, 58) zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Granatschicht (36), das senkrecht zur Auftreffebene des p-polarisierten Lichtes ausgerichtet ist.
    2. Magnetischer Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Substrates (25)> der die zweite Oberfläche (33) bildet, aus monokristallinem Material mit der gleichen Gitterstruktur und im wesentlichen der gleichen Gitterkonstante besteht, wie die magnetooptische Granatschicht (36), die auf der zweiten Oberfläche
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    2919530
    -P-
    (33) des Substrates (25) zum Wachsen gebracht wurde.
    J). Magnetischer Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magneto-optische Granatschicht (36) eine monokristalline Schicht aus Wismut-Lutetium-Eisengranat ist.
    4. Magnetischer Spiegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Substrates (25), der die zweite Oberfläche (33) bildet, aus monokristallinem Gadolin-Galllum-Granat besteht.
    5. Magnetischer Spiegel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die V/ Is mut -Lutetium-Eisengranatschicht (36) auf der zweiten Oberfläche (33) durch Flussigphasen-Epitaxy gebildet ist.
    6. Magnetischer Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t , daß die Einrichtungen (40, 50) zur Reflexion des Lichtes durch einen mehrschichtigen dielektrischen Reflektor (40) gebildet sind.
    7· Magnetischer Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige dielektrische Reflektor (4o) abwechselnde Schichten von Zinksulfid und Thoriumfluorid aufweist.
    8. Magnetischer Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige dielektrische Reflektor (4o) abwechselnde Schichten von Zinksulfid und Cryolit umfaßt.
    9. Magnetisoher Spiegel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige dielektrische Reflektor (40) eine vierte Oberfläche
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    ('49) entgegengesetzt zur dritten Oberfläche (39) aufweist und daß die Einrichtungen (40, 50} zur Reflexion von Licht weiterhin eine Goldschicht (50) einschließen, die auf der vierten Oberfläche (49) abgeschieden ist, so daß das Reflexionsvermögen der Einrichtungen (40, 50} vergrößert 3st.
    10. Magnetischer Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennz e lehnet durch eine Antireflex-Beschichtung (30) auf der ersten Oberfläche (28) des Substrats (25).
    11. Magnetischer Spiegel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflex-Beschichtung (30) durch eine Schicht aus Thoriumfluorid gebildet ist.
    12. Magnetooptisches Material für einen magnetischen Spiegel
    nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein monokristallines Wismut-Lutetium-Eisengranatmaterial ist.
    13· Magnetooptisches Material für einen magnetischen Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material durch eine Schicht (36) aus monokristallinem Wismut-Lutetium-Eisengranat mit der Formel
    (BiLu)3Fe5O12
    gebildet ist, das als epitaxiale Schicht auf einem Substrat (25) aus Gadolin-Galliumgranat ausgebildet ist.
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