DE2122940C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren des optischen Spektrums eines Lichtstrahls - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren des optischen Spektrums eines LichtstrahlsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren
des optischen Spektrums eines Lichtstrahls, bei welchem dieser in einer ersten Polarisationsrichtung
polarisiert und dann einem optisch doppelbrechendem Medium zugeführt ward, in dem Medium eine
akustische Welle steuerbarer bekannter Frequenz/0
erzeugt wird, die gemäß der Gleichung
V-dn
C
/„
mit der zu analysierenden optischen Frequenz/0 des
Lichtstrahls mit unbekanntem Spektrum in Beziehung steht, wobei V-dn/C das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit
V in dem Medium mit dem Doppelbrechungsindex dn zu der Lichtgeschwindigkeit C ist,
die Spektralkomponente nut der Frequenz f0 des Lichtes mit der ersten Polarisationsrichtung an der
akustischen Welle in dem Medium kollinear gebeugt und dabei in eine zweite Polarisationsrichtung gedreht
wird, das aus dem Medium austretende Licht in einen Lichtstrahl aus Licht der ersten Polarisationsrichtung
und einen Lichtstrahl aus Licht der zweiten Polarisationsrichtung zerlegt wird und das Spektrum
des Lichtstrahls durch Messen der Intensität des Lichtes mit der zweiten Polarisationsrichtung in Abhän-
uigkeit von der akustischen Frequenz bestimmt wird. suchende Lichtquelle 8 ist derart angeordnet daß sie
Die diesem Verfahren zugrunde liegenden theore- den von ihr abgegebenen Lichtstrahl auf einen =»pie-
tischen Grundlagen und der prinzipielle Aufbau einer gel 9 richtet, der in einem Winkel von 4D zur l b
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind achse des Kristalls 2 angeordnet ist, so aao ™f
beispielsweise aus dem Aufsatz mit dem Titel 5 untersuchende Lichtstrahl 11 vom Spiegel 9 «"««"
»Acoüsto-Optic Tunable Filter«, in der Zeitschrift wird und durch einen Polarisator 12 in eine: ei»
»Journal of the Optical Society of America«, Bd. 59, lineare, beispielsweise vertikale Richtung polarisiert
Nr. 6, Juw, 1969, S. 744 bis 747, bekannt. wird bevor er in den Kristall 2 eintritt. - h,_trah,
Bei derartigen Spektralanalysatoren ändert sich, Im Kristall 2 wird der zu untersuchende Lieh strah
r. 6, Juw, 1969, S. ,
Bei derartigen Spektralanalysatoren ändert sich, Im Kristall 2 wird der zu untersuchend
physikalisch bedingt, der Prozentsatz des Lichtes, xo der ersten Polarisationsnchtung an derJ^!
welches in dem Filtermedium an der akustischen Welle kollinear gebeugt. Beim BeugungsprozeUI wira
Welle kollinear von der ersten Polarisationsrichtung eine optische Spektralkomponente oes.zu
in die zweite Polarisationsrichung gebeugt wird im suchenden Lichtes, welches auf die Frequenz der^aK _
umgekehrten Verhältnis zu dem Quadrat der akusti- stischen Welle S1 bezogen ist, von der ^ste" Po'an
sehen Frequenz bei einer gegebenen akustischen Lei- i5 sationsrichtung in die dazu rechtwinklige zwe"* ro
stungsdichte. Daher ergibt sich, daß d'e Amplituden risationsrichtung gebeugt. Andere sPefra^omPo"
der Spektralkomponenten des analysierten Lichtes bei ten als die besondere Frequenz weiche aur arc d
zunehmenden Frequenzen abnehmen. stische Frequenz bezogen ist, b™^ "J '" °g?r
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kristall 2 ohne eme Polarisationsänderung aus. uer
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Das Licht der ersten Ρο^ί10"*^tU"f J"., Γ
Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. =5 Ausgangsstrahl 11 wird durch den Polansator 13
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann sorbiert. Physikalisch gilt dabei fol|en°es· ,„..
vorgesehen werden, daß als Lichtstrahl mit beknnnter Bei einer gegebenen akustischen Frequenz /ertum
Spektralleistungsdichte »weißes« Licht mit einer im nur ein kleiner Bereich der ^*ί™"5"^"'*°f£
wesentlichen gleichförmigen Spektralleistungsdichte doppelbrechendenden Kristall die erforderhche O^
im interessierenden Lichtwellenbereich verwendet 30 chung der Momentenvektoren Έ und nur^ Licht^
wird in diesen kleinen Bereich fallenden Wellenlängen
Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Ampli- wird in die zweite P0'^5^10"^^1""^'"!3!;^"
tuden/Frequenzgang des Eingangslichtes unverzerrt beugt. Wenn die akustische Γτ£»™&™«ζ^η-
gemessen bzw. aufgezeichnet werden kann, ohne etwa ändert sich folglich auch das Band ^r Lichjwellen
Maßstabsänderungen in der Anzeigevorrichtung vor- 35 längen, welche in dem Kristall ™.d« e^ri£ J"
sehen zu müssen sationsrichtung in die zweite Polansationsnchtung
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbei- gebeugt werden. Die Beugung des Lichte· *™ ««
£dSid Hd d 2MVU er ^^ζ-ί^^^
sSitdr ^ή^
ΐ einen akustisch-optischen Lichtspektrum- «. ^™^^
Fig 2 eine weitere Ausführungsform des Analysa- mentenvektoren zur kumulativen kollinearen Breton
nachFie 1 chung tritt auf, falls die Gleichung *,-k,- *« er-Tn
F i g. 1 t ein akustisch-optischer Lichtspektrum- füllt ist, wobei die Indizes o. eund « ^ord«jU.^e
analysator 1 dargestellt Dieser Analysator 1 weist ein 45 und die außerordentiiche ^_ die opt^^sche We Ie und
optisch anisotropes Medium 2, beispielsweise einen die akustische Welle bezeichnen. Diese Bedingung
doppelbrechenden Kristall auf. Dieser kann beispiels- wird erfüllt, falls die optische Frequenz/, und die
weise aus LiNbO3, PbMoO4, CaMoO4 oder Quarz akustische Frequenz /„ der Gleichung folgen,
bestehen. Ein akustischer Übertrager 3 ist akustisch cfa
mit dem Kristall 2 an dessen einem Ende verbunden, 5° /„ = um eine Schubwelle S1 in dem Kristall mit einer aku- VAn
stischen Frequenz zu erzeugen, die durch den Aus- wobe· c das Vernäilnjs der optischen Geschwindigeane
eines durchstimmbaren Hochfrequenz-Oszilla- V . winHioWpit
S bestimmt ist. Der Ausgang des durchstimm- keit im Vakuum zu ^«l^Gjdgg?
baren Oszillators4 wird durch einen Leistungsver- 55 in dem Medium ist und .in den Doppelbrccnungs
stärker 5 vor der Weiterleitung des Signals an den index des Kristalls bedeutet,
akustischen übertrager 3 verstärkt. Die erzeugte Wenn also in einem typischen ^P'el
Schubwelle S wird gegen die Eingangsfläche 6 des Niobat als doppelbrechendes Material v
Ms geähtet un8d8renektiert und Tn eine zweite wird, ist das Band der ^f^^'J
Schubwelle S2 umgesetzt, welche sich longitudinal 60 der erstenι Polansationsnchtung m die
zum Kristall 2 entlang dessen Längsachse fortsetzt, sationsnchtung 8^/'^^"™
6 d di Afläh 7 dchstimmbar
zum Kristall 2 entlang dessen Längsachse fortsetzt, satiog 8^/^^^^
welche die Eingangsfläche 6 und die Ausgangsfläche 7 durchstimmbar, indem die akust!^he n Freq"'"Z hI V a°ß n
des Kristalls 2 verbindet. Die Flächen 6 und 7 sind 750 bis 1050 MHz geändert wird. Dasy Durchlaßparallel
und in einem Winkel in bezug auf die longi- band für diese abstimmbaren Frequenzer,, bcU-agt
tudinale Achse des Kristalls 2 geschnitten, so daß die 65 weniger als 2 A fur einen Kristall m. einer Lany.
Schallwelle S1 von der Räche 6 entlang der Längs- von 5 cm. Der Ausgangsstrahl 14 wird auf unen
achse des Kristalls 2 reflektiert wird. Thermosau endelektor ßenchtet, *^her e'"e ™
Eine bezüglich der Spektralverteilung zu unter- Lichtintensität proportionale Spannung erzeugt, uie
Ausgangsspannung des Thermosäulendetektors 15
wird einem Verstärker 16 und dann zur Horizontalablenkung
einem AT-Aufzeichnungsgerät 18 über
einen synchronen Schalter 17 zugeführt. Ein Wobbelgenerator 19 gibt ein Ausgangssignal an den durchstimmbaren
Hochfrequcnzoszillator 4 ab, um dessen Frequenz durchzustimmen, wobei die Frequenzen
dem gewünschten Wobbelbereich der optischen Frequenzen des Spektrums des zu analysierenden optischen
Spektrums entsprechen. Ein anderer Ausgang des Wobbeigenerators wird der ^-Achse eines XY-Aufzcichnungsgerätes
18 zugeführt, so daß das Aufzeichnungsgerät 18 das Spektrum der untersuchten Lichtquelle 8 aufzeichnet.
Zur Abgabe einer flachen Amplituden-Resonanzkurve für den Spektrumanalysator wird eine »weiße«
Lichtquelle 21 vorgesehen, welche einen Referenzlichtstrahl 22 mit einer gleichförmigen spektralen
Leistungsdichte über dem optischen zu analysierenden Spektrum abgibt. Dieser Referenzlichtstrahl von
der Quelle 21 wird auf einen Spiegel 9 gerichtet, der über einen Motor 23 gedreht wird, welcher mit dem
Spiegel über eine Welle 24 verbunden ist. Die Rotationsachse des Spiegels 9 ist rechtwinklig zur Ebene
der Lichtstrahlen 11 und 22.
Wenn sich der Spiegel 9 in der geeigneten Position befindet, wird der Referenzlichtstrahl 22 durch den
Polarisator 12 und dann durch den Kristall 2 zur kollinearen Beugung an der akustischen Welle gerichtet,
um das Licht von dem Referenzlichtstrahl 27 der ersten Polarisationsrichtung in die zweite Polarisationsrichtung
zu beugen. Die von der ersten Polarisationsrichtung in die zweite Polarisationsrichtung
gebeugte Referenzkomponente gelangt durch den Ausgangs-Analysator 13 und wird von dem Thermosäulen-Detektor
15 erfaßt. Das erfaßte Referenzsignal wird durch den Verstärker 16 verstärkt und
über einen synchronen Schalter 17 auf einen Eingang eines Fehlerdetektors 25 zur Speicherung und zum
Vergleich mit einem Gleichstrom-Bezugssignal geschaltet, welches von einem Referenzpotentiometer
26 abgeleitet wird, das wiederum von einer Konstantspannungsquelle 27 gespeist wird.
Das ausgewählte Referenzsignal wird mit dem erfaßten
Referenzsignal in dem Fehlerdetektor 25 verglichen und ein Fehlersignal erzeugt, welches an den
Steucreingang des Leistungsverstärkers 5 abgegeben wird, um die akustische Leistungsdichte in dem Kristall
2 zu regeln, so daß die gewünschte flache Amplituden-Resonanzkurve
des Spektnimanalysators erhalten wird.
Ein Synchronisator 28, welcher auf der gleichen Welle 24 wie der Spiegel 9 angeordnet sein kann,
synchronisiert die Drehung des Spiegels 9 mit dem Schaltvorgang des synchronen Schalters 17 derart,
daß beim Durchgang des zu untersuchenden Lichtes durch den akustisch-optischen Spektnimanalysator 1
der synchrone Schalter den Ausgang des Verstärkers 16 auf den Eingang des Aufzeichnungsgerätes 18
schaltet und bei der Ausleuchtung des akustisch-optisehen Kristalls 2 durch die weiße Referenzlichtquelle
der synchrone Schalter den Ausgang des Verstärkers 16 auf den Fehlerdetektor 25 schaltet.
Anstatt den Ausgang des Fehlerdetektors 25 auf den Steuereingang des Leistungsverstärkers 5 zu
schalten, kann der A.usgang des Fehlerdetektors auch auf einen entsprechenden Steuereingang des Verstärkers
16 geschaltet werden. Die Zeitkonstante für den Fehlerausgang des Fehlerdetektors 25 ist derart bemessen,
daß das Ausgangs-Fehlersignal im wesentlichen bei einer vollständigen Drehung des Spiegels 9
konstant bleibt.
In F i g. 2 ist ein erfindungsgemäßer optischer
ίο Spektrumanalysator dargestellt, der im wesentlichen
demjenigen der F i g. 1 entspricht mit der Ausnahme, daß das optisch anisotrope Medium, der doppelbrechende
Kristall 2, Endflächen 29 und 31 aufweist, die in rechten Winkeln zu den Längsachsen des Kristalls
2 geschnitten sind. Der akustische Übertrager ist an der Endfläche 31 befestigt, und an der Zwischenfläche
zwischen der Endfläche 31 des Kri·· Stalles 2 und der angrenzenden Fläche des akustischen
Übertragers 3 ist eine optisch reflektierende· Be-
ao schichtung vorgesehen. Der Kristall 2 weist vorzugsweise eine derartige Länge auf und ist mit einem
akustische Wellen absorbierenden Material versehen, so daß er akustisch nicht schwingt. Zusätzlich sind
die optischen Eingangs- und Ausgangspolarisatioren
as durch ein Rochon-Polarisationsprisma 32 ersetzt, so
daß Licht mit der einen Polarisationsrichtung vorn Spiegel in den Kristall 2 reflektiert und Licht der
zweiten Polarisationsrichtung in der entgegengesetzten Richtung des Prismas 32 eintritt und als Au;;-gangsstrahl
14 reflektiert v/ird. Das auf den doppelbrechenden Kristall 2 einlallende Licht breitet sich
kollinear mit der akustischen Welle innerhalb des Kristalles aus, wobei das Licht mit der ersten Polarisationsrichtung
und der auf die akustische Wellenfrcquenz bezogenen Frequenz in Licht mit der zweiten
Polarisationsrichtung koHinear gebeugt wird. Bei der
Reflexion des Lichtes von der Endfläche 31 wird der Lichtstrahl weiter kollinear mit der akustischen sich
in der entgegengesetzten Richtung bewegenden Welle gebeugt. Das Licht, welches von der ersten Polarisationsrichtung
in die zweite PolarisationsrichUmg gebeugt worden ist, wird in das Rochon-Prisma 32
reflektiert und tritt aus diesem als Ausgangsstrahl 114
aus, wogegen das Licht der ersten Polarisationsrichtung durch das Rochon-Prisma zurück zur Lichtquelle
gelangt.
Der Ausdruck »Licht« bedeutet in diesem Zusammenhang
eine elektromagnetische Strahlung. Derartiges Licht braucht nicht auf das sichtbare Spektrum
begrenzt zu sein. Bei einigen doppelbrcchenden Kristallen sind die Vektoren für die Phasengeschwindigkeit
und die Gruppengeschwindigkeit für die akustische Welle verschieden und können um beispielsweise
20" divergieren, wie es bei Quarz der FaI ist. In einem solchen Fall kann der Weg des Licht
Strahles entweder kollinear mit der Phasengeschwin digkeit oder mit der Gruppengeschwindigkeit de
akustischen Welle sein, um die beschriebene phasen mäßig abgestimmte kollineare Beugung zu erhalten
Der Ausdruck »kollinear« bedeutet also in dieser An meldung, daß der Lichtstrahlenweg entweder mit der
Vektor der Phasengesdv.vindigkeit oder demjenige
der Gruppengeschwindigkeit der akustischen Welle i einer Linie liegt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Analysieren des optischen Spektrums eines Lichtstrahls, bei welchem dieser
in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert und dann einem optisch doppelbrechendem Medium
zugeführt wird, in dem Medium eine akustische Welle steuerbarer bekannter Frequenz/„
erzeugt wird, die gemäß der Gleichung
_ Vdn
f.- ——
f.- ——
·/■
mit der zu analysierenden optischen Frequenz/,, des Lichtstrahls mit unbekanntem Spektrum in
Beziehung steht, wobei V-dn/C das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit V in dem Medium mit
dem Doppelbrechungsindex dn zu der Lichtgeschwindigkeit C ist, die Spektralkomponente mit
der Frequenz fo des Lichtstrahls mit der ersten Polarisationsrichtung an der akustischen Welle in
dem Medium kollinear gebeugt und dabei in eine zweite Polarisationsrichtung gedreht wird, das aus
dem Medium austretende Licht in einen Lichtstrahl mit der ersten Polarisationsrichtung und
einen Lichtstrahl mit der zweiten Polarisationslichtung zerlegt wird und das Spektrum des Lichtstrahls
durch Messen der Intensität des Lichtes mit der zweiten Polarisationsrichtung in Abhängigkeit
von der akustischen Frequenz bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd
zu dem Lichtstrahl (11) mit unbekannter Spektralverteilung ein weiterer Lichtstrahl (22)
bekannter Spektralleistungsdichte nach Durchlaufen einer ersten Polarisationsrichtung (12) mit
einer auf die akustische Frequenz /„ gemäß obiger Gleichung abgestimmten Spektralkomponente/„
an der akustischen Welle (S2) in dem optisch doppelbrechendem Medium (2) in eine zweite Polarisationsrichtung
kollinear gebeugt wird, daß das aus dem Medium (2) austretende Licht bekannter Spektralleistungsdichte durch einen Analysator
(13) in einen Lichtstrahl mit der ersten Polarisationsrichuing
und einen Lichtstrahl mit der zweiten Polansationsrichtung zerlegt und durch einen
Detektor (15) erfaßt wird, daß aus der Intensität der in die zweite Polarisationsrichtung gebeugten
Spektralkomponente des Lichtstrahls (22) mit bekannter Spektralleistungsdichte ein elektrisches Referenzsignal
zum Eichen der Intensität der in die zweite Polarisationsrichtung gebeugten Spektralkomponente
des Lichtstrahls (11) mit unbekannter Spektralleistungsdichte abgeleitet wird, daß die
Frequenz /„ der akustischen Welle und damit die Frequenz/„ der in die zweite Polarisationsrichtung
gebeugten Spektralkomponenten des Lichtstrahls mit bekannter und desjenigen mit unbekannter
Spektralleistungsdichte geändert wird und daß die Leistungsdichte der akustischen Welle
in dem doppelbrechenden Medium (2) entsprechend dem Referenzsignal bei der Änderung der
Frequenz der akustischen Welle mitverändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtstrahl (22) mit bekannter
Spektralleitungsdichte »weißes« Licht mit einer im wesentlichen gleichförmigen Spektralleistungsdichte
im interessierenden Lichtwellenbereich verwendet wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Eingangspolarisator
zur Polarisierung eines Lichtstrahls mit unbekannter Spektralleistungsdichte in einer
ersten Polarisationsrichtung, einem optisch doppelbrechenden Medium mit dem Doppelbrechungsindex dn, einem elektroakustischen Umformer
zum Erzeugen einer akustischen Welle mit der bekannten steuerbaren Frequenz/o, die sich
in dem doppelbrechenden Medium mit der Geschwindigkeit V ausbreitet, einem Ausgangsanalysatoi,
der von dem aus dem Medium austretenden Lieh» den in der ersten Polansationsrichtung
schwingenden Anteil absorbiert und den in der zweiten Polansationsrichtung schwingenden Anteil
an einen Detektor hindurchläßt, einer Einrichtung zum Steuern der Frequenz des elektro-optischen
Umformers und zur Bereitstellung einer Ablenkspannung für eine Anzeigeeinrichtung, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (9; 23) vorgesehen ist, welche abwechselnd das Licht
(11) mit der unbekannten Spektralverteilung und das Licht (22) von einer Lichtquelle (21) mit im
interessierenden Spektralbereich bekannter Spektralleistungsdichte auf den Eingangspolarisator
(12) richtet, daß ein Sollwertgeber (26; 27) vorgesehen ist, der die Intensität der akustischen Leistungsdichte
vorgibt, daß ein mit dem Sollwertgeber verbundener Sollwert-Istwert-Vergleicher (25) vorgesehen ist, daß eine Umschalteinrichiung
(17) vorgesehen ist, die wahlweise die vom Detektor (15) stammenden Signale dem Vergleicher
oder einer Anzeige-Einrichtung (18) zuführt, und daß eine Synchronisierschaltung (28) vorhanden
ist, die den Betrieb der Einrichtung (9; 27) zur abwechselnden Umschaltung der Lichtstrahlen mit
dem Betrieb des Umschalters (17) synchronisiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangspolarisator (12)
und der Ausgangspolarisator (13) durch ein Rochon-Prisma (32) gebildet sind.
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