182809. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és fénymodulátor a fény polarizációjának és intenzitásának modulálására
1 182 809 2 A találmány tárgya eljárás és fénymodulátor a fény polarizációjának és intenzitásának modulálására egy öszszetett kvarc rezonátorra adott modulál feszültséggel. A fénymodulátor alkalmazási területe — alkalmazott optika és méréstechnika. 5 Mint ismeretes, a fény polarizációjának és intenzitásának vezérlése igen nagy jelentó'séggel bír az alkalmazott optika és méréstechnika számos területén. Erre szolgál a fény modulációjára alkalmas Pockels vagy Kerr-cella, ' mely a polarizációt elektromos tér hatására változtatja. 10 A polarizáció változását ezekben a cellákban az elektromos tér által indukált optikai anizotrópia változása hozza létre, mely többek között abban nyilvánul meg, hogy az eszköz aktív anyagán áthaladó fény sebességét, mely függ a beeső fény polarizációjától, változtatni tud- 15 juk a térerővel és így a különböző polarizációjú optikai hullámok között fellépő fáziskülönbség változása a polarizáció modulálását eredményezi. Ehhez a moduláláshoz azonban igen nagy elektromos feszültségekre van szükség, melyek elérik a több kilovoltot, emiatt gerjesztésük 20 bonyolult, alkalmazási lehetőségeik korlátozottak. Azon kívül a Pockels- és Kerr-cellákban aktív anyagként alkalmazható egykristályok - mint például a kálium dihidrophoszphát, KDP — igen drágák a hosszú idejű és precíz technológiát követelő növesztésük miatt és elég sérü- 25 lékenyek. Ezek az okok késztettek arra, hogy a polarizáció modulálását más módszerrel oldjuk meg. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség leküzdése és olyan széles spektrális tartományban használható nagy optikai teljesítmény átvitelére alkalmas és 30 nagy apertúrájú, széles divergenciasávban működő fénymodulátor létrehozása, mely kis teljesítménnyel és feszültséggel vezérelhető, olcsó alapanyagokból viszonylag egyszerűen előállítható. A találmánnyal megoldható feladatot ennek megfele- 35 lően olyan eljárás és fénymodulátor kialakításában jelölhetjük meg, mely alkalmas a fény polarizációjának és intenzitásának modulálására kis feszültséggel történő gerjesztés mellett és az erre a célra szolgáló eszköz olcsón előállítható. 40 A találmány alapja az a felismerés, hogy az optikai anizotrópiát, mely a polarizáció változásához vezet egy amorf szilárd anyagban (pl. ömlesztett kvarcban) ultrahanghullámokkal hozunk létre és egy Babinet kompenzátor után az ultrahang alap vagy felharmonikus frek- 45 vencián modulálni tudjuk a beeső fény polarizációját, valamint különböző csoppolt üzemmódokat tudunk létrehozni az eljárás és a fénymodulátor kialakításától, a kompenzátor hangolásától és vezérlésétől függően. Mint ismeretes, az elektrooptikai modulátorok- 50 ban általában egytengelyű kristályokat használnak, melyek optikai indikatrixa a következő: a10x2 + a20 y2 + a30z2 - 1, ahol a =a - 1 - 1 aio - a20 --J- ; ax = — no ne 55 fíO n0 és ne az ordinárius és extraordinárius törésmutató. Ha ezt a kristályt elektromos térbe helyezzük, az előbbi egyenlet a következőképpen módosul: ai o(x2+y2)+a30z2+2r4 i(Exyz+Eyzx)+2r63Ezxy = 1, 65 ahol r41 és r63 az elektrooptikus tenzor el nem tűnő elemei, melyek egytengelyű kristályoknál, például KDP-nél a következők: r4 2 =88*10_10 cm/V, r63 = 10,5-KT10 cm/V. Ha az elektromos tér vektora a z tengely irányába néz, vagyis Ex = Ey = 0, E = Ez, akkor az előbbi egyenlet helyett a következőt kapjuk: a 10 (x2 +y2 )+a3 0 z2 +2r6 3 Exy = 1. Ha a koordináta rendszert a z tengely körül 45°-ra elfordítjuk az óramutató járásával megegyező irányban, az új koordináta rendszerben az előbbi egyenlet a következőképpen írható fel: f o-r63E)x'24-(a10r63E)y'2+a30z = 1. Ebből látható, hogy ha elektromos tér nélkül az optikai indikatrix metszete a z = 0 síkban kör volt, akkor elektromos térben ez az indikatrix ellipszissé módosul, melynek főtengelyei az x'y'z koordináta rendszerben vannak és a következőképpen fejezhetők ki: nx' =• -----p n0+4'^r63E; aio~r63u 2 ny “ a10+r63E n° 2 n°r63E Ezek alapján ha a fény a z tengely irányában halad, akkor az ox' és oy' irányban polarizált optikai hullámok fázissebessége a következő: V*'=4H1+T nor63E) n0 2 Vy' =-f- 0-4- nor63E), Hq Z ahol c — a fény sebessége vákuumban. Minthogy a fény fázissebessége függvénye az elektromos térerőnek, így az x’ és y’ irányban polarizált hullámok között egy bizonyos /-úthosszon a térerőtől függően fáziskülönbséget hozhatunk létre, melynek értéke a 5 = —^ (nx'-ny')‘l = 7rnor63E//X egyenlettel írható le. Ettől a fáziskülönbségtől változik egy x—y síkban polarizált, z irányban beeső fény polarizációja és a 5-tól függően cirkulárissá, elliptikussá vagy a beeső fényre merőlegesen polarizálttá válik. KDP esetén a félhullámhossz fázistolás eléréshez szükséges térerő egy 1 cm hosszú kristályban X = 0,63 /non 1 kV/cm körül van. A találmány szerinti eljárás tehát olyan ismert eljárás továbbfejlesztése, mely alkalmas fény modulálására a kristályra adott moduláló feszültséggel. A továbbfejlesztés, vagyis a találmány abban van, hogy a fény polarizációjának modulálását elektródákkal ellátott X-metszetű kvarckristályra ragasztott amorf kvarcban ultrahang hullámokkal indukált optikai anizotrópiával hozzuk létre és az eljárás során a modulálandó fényt » 2
