WO2006060831A1 - Verfahren und vorrichtung zur änderung des polarisationszustandes von licht - Google Patents

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WO2006060831A1 PCT/AT2005/000463 AT2005000463W WO2006060831A1 WO 2006060831 A1 WO2006060831 A1 WO 2006060831A1 AT 2005000463 W AT2005000463 W AT 2005000463W WO 2006060831 A1 WO2006060831 A1 WO 2006060831A1
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Yuri S. Didosyan
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Technische Universitaet Wien
ETeCH AG
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Technische Universitaet Wien
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect

Definitions

  • the invention relates to a method for changing the polarization state of light with a magnetically uniaxial crystal, which initially has a specific multi-domain structure, wherein light passes through predetermined regions of the crystal, and to the crystal, a magnetic field pulse with a magnetic field strength Hl is applied, in the the crystal is in a reversible monodomain state, and an apparatus for performing such a method with a magneto-optical rotator formed of a magnetically uniaxial crystal, which initially has a specific multi-domain structure, and at least one device for generating and loading the Magnetic field pulse crystal comprising a controllable source of magnetic field pulses and a magnetic field source control circuit.
  • Objects of the invention are thus methods and devices for changing the polarization of light rays and in consequence to change the direction, the intensity u. Like. More of these light rays, as they come in optical communication systems, information processing, displays, etc. are used.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • a multistable polarization rotator is described in the AT 408.700 B. Stable states in this rotator are caused by inhomogeneities on the Transitions between these stable states occur by displacement of the domain walls between these layers and occur without the creation of new domains. The duration required for these transitions is approx. 100 ns, that is, they are several thousand times faster than other "latching" type optical switches. However, the aperture of the switch is substantially limited.
  • AT 411.852 there is disclosed a method and apparatus for changing the state of polarization of light with a magnetically uniaxial crystal, the crystal initially having a particular multi-domain structure which is subject to the influence of kung of an external magnetic field in a monodomain state with a direction corresponding to the applied magnetic field corresponding domain orientation.
  • a magnetic field pulse with a magnetic field strength is applied to the crystal, in which the crystal does not remain in the monodomain state after the end of the pulse, but in a defined, from the direction of the applied magnetic field specific multidomain state returns, preferably in a state with three domains.
  • the height of the outer, previously used to change the polarization state of the light domains of, for example, 1.2 mm high yttrium orthoferrite is 300 to 350 microns.
  • larger apertures in the range of 500 to 600 ⁇ m are needed.
  • the aperture is defined by the zone in which changes the polarity of the magnetization by the applied magnetic field pulses and which therefore can be used to influence the light passing through the crystal.
  • the use of higher ortho ferrite crystals does not increase the dimensions of the domains, but rather increases the number of domains in the crystal. Even with a 1.2 mm high crystal, the central domain would have the desired aperture.
  • the use has not been possible due to the following disadvantages.
  • alternating magnetic field pulses of alternating polarity for reversible magnetization of the crystal to monodomain states the polarity of the central region of the crystal begins to change only after the end of the pulse and lasts several microseconds.
  • magnetic field pulses of the same polarity as the outer domains are applied, the change in the polarity of the central domain begins at the same time as the beginning of the pulse, but the magnetization slowly returns to its original value after its termination.
  • the object of the present invention is to improve the method and the device mentioned in the sense of increasing the usable aperture and achieving the lowest possible switching and response times.
  • the method is characterized in that after Ü transition of the crystal in the reversible monodomain state to the crystal a holding magnetic field of the same polarity and with a magnetic field strength H2 is applied, which magnetic field strength H2 is smaller than the magnetic field strength Hl and maintains the reversible monodomain state.
  • the switching back of the central domain can be prevented in the original magnetization after rapid switching by the strong magnetic field pulse, and with a much lower energy consumption than, for example, in other electro-optical systems.
  • the area of the crystal can be used as an aperture, which in the multi-domain state of the anti-parallel to the applied Magnetic field pulse corresponds to magnetized domain, which domain has the desired height of about 500 microns, possibly even slightly more.
  • the holding magnetic field H2 is adjusted by changing the magnetic field strength of the previously applied magnetic field pulse.
  • simply the magnetic field strength can be varied.
  • the structure of the device can be kept very simple.
  • An alternative embodiment of the invention is characterized in that the crystal with the holding magnetic field of the magnetic field strength H2 and the same polarity as that of the magnetic field pulse with the intensity Hl is permanently applied.
  • the circuit for generating the magnetic field pulses can be kept simpler with only slightly higher cost with respect to the structure of the device, since in principle only one switching on and off must be provided.
  • the magnetic field strength H2 of the holding magnetic field is at most one third of the magnetic field strength Hl of the magnetic field pulse, preferably at most 10% of this magnetic field intensity Hl, which is required to achieve the reversible monodomain state of the crystal.
  • This ratio directly influences the energy saving compared to electro-optical methods and devices.
  • a further improvement with respect to the switching times which can be achieved with the method according to the invention can be achieved by applying to at least one region of the crystal, which was reversibly repolarized, a magnetic field with reversibly repolarized magnetic field pulse of opposite polarity until the original polarization of the crystal is restored in this area.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the domain walls are held in predetermined positions by inhomogeneities generated in the crystal.
  • the light beams are passed through those regions of the crystal which are repolarized by applying the magnetic field pulse with the magnetic field strength Hl.
  • This region of the crystal is the central, the magnetization changing domain with a height of about 500 microns, so that the applications of the method and the device according to the invention are extended, for example, to fiber optic applications.
  • the device described above for changing the polarization state of light is to solve the task according to the invention characterized in that the device for generating magnetic fields of at least two different magnetic field strengths Hl, H2 is designed.
  • the device can achieve fast switching times and at the same time a large aperture for the change of the polarization state of the light, which is caused by changing the magnetic polarization of the larger domain (s) of the crystal, in the most prevalent case of the central domain, by applying the strong magnetic field pulse becomes.
  • the switching back of this region of the crystal into the original magnetization and therefore the return of the crystal into the multi-domain state can be prevented by the holding magnetic field, so that the larger domain (s) are used for the passage of the light (can) can.
  • control circuit of the controllable magnetic field source has at least two switching states, which controls the magnetic field source for generating magnetic fields or magnetic field pulses of different magnetic field strength Hl, H2.
  • a controllable magnetic field source can be provided with a simple design of the device, a single, surrounding the crystal magnetic coil, wherein a control device for this is also easy to implement.
  • the device for generating and charging the crystal with magnetic fields has a controllable magnetic field source with at least two switching states and a permanent magnetic field source, wherein the controllable magnetic field source in a switching state magnetic field pulses with a substantially higher magnetic field strength Hl supplies as the magnetic field strength H2 of the permanent magnetic field source ,
  • the control device may be even simpler and may be limited to switching on and off the controllable magnetic field source.
  • the permanent magnetic field source can be realized simply by a permanent magnet mounted on or next to the crystal.
  • an embodiment is provided according to the invention, in which a further controllable magnetic field source is provided which only a portion of Crystal is applied with a magnetic field or magnetic field pulses, which corresponds to the area of the umpolarinstrumenten by the magnetic field pulses of the first magnetic field source domain, and wherein the polarity of the further controllable magnetic field source of the polarity of the Magnetic fields or pulses with the magnetic field strengths Hl, H2 is opposite. Due to the purely local action on the region of the crystal, which is central in the usually present initial state of the crystal with three magnetic domains, which corresponds to the domain (s) of alternating polarity, this advantage can be achieved with relatively low expenditure on energy and apparatus become.
  • the crystal has inhomogeneities which fix the domains in predetermined positions, which inhomogeneities are preferably located on the side surfaces of the crystal.
  • FIG. 1a shows schematically a crystal of the device according to the invention with a surrounding magnetic coil in a three-domain state
  • Hg. Ib shows the crystal of Rg. Ia in the monodomain state after applying a magnetic field pulse of negative polarity
  • the crystal 1 shown in the drawing figures of the device according to the invention consists for example of yttrium orthoferrit or a similar magnetically uniaxial material. It is cut perpendicular to the optical axis for a given wavelength.
  • the optical axes lie in the crystallographic bc plane and, for light wavelengths of 1.3 ⁇ m, enclose an angle of 47 degrees with the c-axis.
  • the thickness required for a rotation of the plane of polarization by 45 ° for the said wavelength is 1.1 mm, the height of the crystal 1 is 1.2 mm.
  • the crystal 1 is initially in a state with three magnetic domains 3, 4, 5.
  • the domain walls 2 of the adjacent and each magnetized in opposite sense domains 3, 4, 5 are aligned perpendicular to the direction of the crystallographic y-axis, see Rg. Ia.
  • the height of the upper and lower domains 3, 4, which are negatively magnetized in the example shown in Rg. Ia, is about 300 to 350 microns, the middle domain, however, positively magnetized and has a height of about 500 microns, possibly also something more.
  • the crystal 1 When applying a magnetic field pulse of negative polarity with a magnetic field strength Hl by means of a coil 6 surrounding the entire crystal 1, the crystal 1 is magnetized to the reversible monodomain state, which is shown in Fig. Ib.
  • the coil 6 is shown in Rg. Ia and Ib only schematically and is actually higher or thicker than For example, for a crystal 1 having a height of 1.2 mm, the coil will have a height of about 1.5 mm.
  • a local positive magnetic field pulse Hloc can be applied locally to the central domain 5, which only causes the positive remodeling of the central domain. This can be realized, for example, by a second magnetic coil 7 surrounding the central domain 5 or lying on the central domain 5, which has the additional advantage that outside the coil 7 the negatively magnetized domains 3, 4 are not adversely affected ,
  • the holding magnetic field H2 can be generated at most by a permanent magnet on or next to the crystal 1 instead of the coil 6, in which case the magnetic field source for generating the magnetic field pulse with the magnetic field strength Hl are completely turned off and the crystal 1 without any external power supply in the magnetize - th state of FIG. Ib can be kept.
  • inhomogeneities nonuniformities
  • inhomogeneities 8 such as scratches, scratches or the like
  • the direction of the cracks or scratch 8 is perpendicular to the crystallographic a-axis and parallel to the planes of the walls 2 of the domains 3, 4, 5.

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Abstract

Verfahren zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht mit einem magnetisch einachsigen Kristall, der zunächst eine bestimmte Multidomänen-Struktur aufweist, wobei Licht durch vorgegebene Bereiche des Kristalls hindurchtritt, und an den Kristall (1) ein Magnetfeldimpuls mit einer Magnetfeldstärke Hl angelegt wird, bei der der Kristall (1) in einen reversiblen Monodomänen-Zustand übergeht. Um eine Vergrößerung der nutzbaren Apertur zu erreichen, bei möglichst geringen Schalt- und Ansprechzeiten, wird nach Übergang des Kristalls (1) in den reversiblen Monodomänen-Zustand an den Kristall (1) ein Halte-Magnetfeld gleicher Polarität und mit einer Magnetfeldstärke H2 angelegt, welche Magnetfeldstärke H2 kleiner ist als die Magnetfeldstärke Hl und den reversiblen Monodomänen-Zustand aufrechterhält.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht mit einem magnetisch einachsigen Kristall, der zunächst eine bestimmte Multidomänen- Struktur aufweist, wobei Licht durch vorgegebene Bereiche des Kristalls hindurchtritt, und an den Kristall ein Magnetfeldimpuls mit einer Magnetfeldstärke Hl angelegt wird, bei der der Kristall in einen reversiblen Monodomänen-Zustand übergeht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens mit einem magneto-optischen Rotator gebildet aus einem magnetisch einachsigen Kristall, der zunächst eine bestimmte Multidomänen- Struktur aufweist, und zumindest einer Vorrichtung zur Erzeugung von und Beaufschlagung des Kristalls mit Magnetfeldimpulsen, umfassend eine steuerbare Quelle für Magnetfeldimpulse und eine Steuerschaltung für die Magnetfeldquelle. Gegenstände der Erfindung sind also Methoden und Vorrichtungen zur Änderung der Polarisation von Lichtstrahlen und in der Folge zur Änderung der Richtung, der Intensität u. dgl. mehr dieser Lichtstrahlen, wie sie in optischen Kommunikationssystemen, Informationsverarbeitung, Displays etc. zur Anwendung kommen.
Von den zahlreiche Arten von optischen Schaltern, sind zur Zeit mikroelektromechani- sche Systeme (MEMS) am meisten in Verwendung. Ein wichtiger Vorteil von MEMS ist, dass diese zu den sogenannten „latching Systemen" gehören, das heißt, dass sie energielose stabile Schaltzustände haben und Energie nur zum Schalten benötigen, während elektro- optische Systeme - mit vergleichsweise viel kürzeren Schaltzeiten - permanente Energieversorgung brauchen, zumindest in einem Zustand. Ihre Schaltzeiten sind jedoch ziemlich lang - ca. 1 ms.
Mit magneto-optischen Systemen eröffnet sich die Möglichkeit, kurze Schaltzeit und geringe Einfügungsdämpfung mit der sogenannten „latching" Funktionsweise (siehe oben) zu kombinieren. In der AT 408.700 B wird ein multistabiler Polarisationsrotator beschrieben. Stabile Zustände bei diesem Rotator werden durch Inhomogenitäten auf den Oberflächen von orthoferritischen Plättchen, die die Domänenwände (DWs) in vorgegebenen Lagen halten, gewährleistet. Übergänge zwischen diesen stabilen Zuständen kommen durch Verschiebung der Domänenwände zwischen diesen Lagen zustande und finden ohne Erzeugung von neuen Domänen statt. Die für diese Übergange benötigte Dauer beträgt ca. 100 ns, das heißt, dass sie um etliche 1000 Male schneller sind als für andere optische Schalter der „latching" Art. Die Apertur des Schalters ist aber wesentlich eingeschränkt.
In der AT 411.852 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht mit einem magnetisch einachsigen Kristall, geoffenbart, wobei der Kristall zunächst eine bestimmte Multidomänen-Struktur aufweist, die unter der Einwir- kung eines äußeren Magnetfeldes in einen Monodomänen-Zustand mit einer der Richtung des angelegten Magnetfeldes entsprechenden Domänenausrichtung übergeht. Dabei wird an den Kristall ein Magnetfeldimpuls mit einer Magnetfeldstärke angelegt, bei der der Kristall nach dem Ende des Impulses nicht im Monodomänen-Zustand verbleibt, sondern in einen definierten, von der Richtung des angelegten Magnetfeldes bestimmten Multidomänen- Zustand zurückkehrt, vorzugsweise in einen Zustand mit drei Domänen. Nun beträgt die Höhe der äußeren, bislang zur Änderung des Polarisierungszustandes des Lichts genutzten Domänen eines beispielsweise 1,2 mm hohen Yttrium-Orthoferrits 300 bis 350 μm. Auf vielen Gebieten, beispielsweise faseroptischen Anwendungen, werden aber größere Aperturen im Bereich von 500 bis 600 μm gebraucht. Die Apertur ist dabei definiert durch die Zone, in welcher durch die angelegten Magnetfeldimpulse die Polarität der Magnetisierung wechselt und welche daher zur Beeinflussung des den Kristall durchsetzenden Lichts genutzt werden kann.
Die Verwendung von höheren Orthoferrit-Kristallen führt aber nicht zur Vergrößerung der Dimensionen der Domänen, sondern zu einer Vergrößerung der Anzahl an Domänen im Kristall. Schon bei einem 1,2 mm hohen Kristall würde die zentrale Domäne die gewünschte Apertur aufweisen. Die Verwendung war aber bislang aufgrund folgender Nachteile nicht möglich. Bei Anlegen von Magnetfeldimpulsen wechselnder Polarität zur reversiblen Magnetisierung des Kristalls zu Monodomänen-Zuständen beginnt der Wechsel der Polarität des zentralen Bereichs des Kristalls erst nach Ende des Impulses und dauert einige Mikrosekun- den. Bei Anlegen von Magnetfeldimpulsen mit gleicher Polarität wie die äußeren Domänen beginnt der Wechsel der Polarität der zentralen Domäne zwar gleichzeitig mit dem Beginn des Impulses, doch geht die Magnetisierung nach dessen Ende langsam wieder auf den ursprünglichen Wert zurück.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der eingangs genannten Verfahren und der Vorrichtung im Sinn einer Vergrößerung der nutzbaren Apertur und Erzielung möglichst geringer Schalt- und Ansprechzeiten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß nach Ü- bergang des Kristalls in den reversiblen Monodomänen-Zustand an den Kristall ein Halte- Magnetfeld gleicher Polarität und mit einer Magnetfeldstärke H2 angelegt wird, welche Magnetfeldstärke H2 kleiner ist als die Magnetfeldstärke Hl und den reversiblen Monodomänen- Zustand aufrechterhält. Damit kann nach dem schnellen Schalten durch den starken Magnetfeldimpuls das Zurückwechseln der zentralen Domäne in die ursprüngliche Magnetisierung verhindert werden, und das mit einem wesentlich geringeren Energieeinsatz als beispielsweise bei anderen elektro-optischen Systemen. Somit kann der Bereich des Kristalls als Apertur herangezogen werden, welcher im Multidomänen-Zustand der antiparallel zum angelegten Magnetfeldimpuls magnetisierten Domäne entspricht, welche Domäne die gewünschte Höhe von ca. 500 μm, allenfalls auch etwas mehr, aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Halte-Magnetfeld H2 durch Veränderung der Magnetfeldstärke des zuvor angelegten Magnetfeldimpulses eingestellt wird. Bei dieser Variante kann einfach die Magnetfeldstärke variiert werden. Auch der Aufbau der Vorrichtung kann sehr einfach gehalten werden.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit dem Halte-Magnetfeld der Magnetfeldstärke H2 und gleicher Polarität wie jener des Magnetfeldimpulses mit der Stärke Hl permanent beaufschlagt wird. Dabei kann bei nur geringfügig höherem Aufwand bezüglich des Aufbaus der Vorrichtung die Schaltung für die Erzeugung der Magnetfeldimpulse einfacher gehalten werden, da prinzipiell nur ein Ein- und Ausschalten vorgesehen sein muß.
Vorteilhafterweise beträgt die Magnetfeldstärke H2 des Halte-Magnetfeldes maximal ein Drittel der Magnetfeldstärke Hl des Magnetfeldimpulses, vorzugsweise maximal 10% dieser Magnetfeldstärke Hl, welche zur Erzielung des reversiblen Monodomänen-Zustandes des Kristalls erforderlich ist Dieses Verhältnis beeinflusst unmittelbar die Energieeinsparung gegenüber elektro-optischen Verfahren und Vorrichtungen.
Eine weitere Verbesserung bezüglich der Schaltzeiten, die mit dem erfϊndungsgemä- ßen Verfahren erreicht werden können, kann dadurch erzielt werden, daß an zumindest einen Bereich des Kristalls, welcher reversibel umpolarisiert wurde, ein Magnetfeld mit zum reversibel umpolarisierenden Magnetfeldimpuls entgegengesetzter Polarität angelegt wird, bis die ursprüngliche Polarisierung des Kristalls in diesem Bereich wieder hergestellt ist. Damit wird die Rückpolarisierung des Kristalls in den Multidomänen-Zustand nach Ende des Magnetfeldimpulses, der den Monodomänen-Zustand im Kristall hervorruft, beschleunigt. Aufgrund der rein lokalen Beaufschlagung des wieder in die ursprüngliche magnetische Orientierung zurückzuführenden Bereiches des Kristalls - der der(den) umpolarisierten Domä- ne(n) des Multidomänen-Zustandes entspricht - kann dieser Vorteil mit relativ geringem Energie- und Apparate-Aufwand erzielt werden.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß die Domänenwände durch im Kristall erzeugte Inhomogenitäten in vorgegebenen Positionen gehalten werden.
Gemäß dem Merkmal einer weiteren erfindungsgemäßen Variante werden die Lichtstrahlen durch solche Bereiche des Kristalls geleitet, welche durch Anlegen des Magnetfeldimpulses mit der Magnetfeldstärke Hl umpolarisiert werden. Dieser Bereich des Kristalls ist die zentrale, die Magnetisierung wechselnde Domäne mit einer Höhe von ca. 500 μm, so daß die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung erweitert werden, beispielsweise auch auf faseroptische Anwendungen.
Die eingangs beschriebene Vorrichtung zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht ist zur Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Magnetfeldern von zumindest zwei unterschiedlichen Magnetfeldstärken Hl, H2 ausgelegt ist. Damit kann die Vorrichtung schnelle Schaltzeiten und gleichzeitig eine große Apertur für die Veränderung des Polarisierungszustandes des Lichts erreichen, welche durch das Wechseln der magnetischen Polarisierung der größeren Domäne(n) des Kristalls, im meist vorliegenden Fall der zentralen Domäne, durch Anlegen des starken Magnetfeldimpulses hervorgerufen wird. Das Zurückwechseln dieses Bereichs des Kristalls in die ursprüngliche Magnetisierung und daher die Rückkehr des Kristalls in den Multidomänen-Zustand kann durch das Halte-Magnetfeld verhindert werden, so daß die grö- ßere(n) Domäne(n) für das Durchleiten des Lichts genutzt werden kann(können).
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung der steuerbaren Magnetfeldquelle zumindest zwei Schaltzustände aufweist, die die Magnetfeldquelle zur Erzeugung von Magnetfeldern bzw. Magnetfeldimpulsen von unterschiedlichere Magnetfeldstärke Hl, H2 ansteuert. Als steuerbare Magnetfeldquelle kann bei einfacher Ausführung der Vorrichtung eine einzelne, den Kristall umgebende Magnetspule vorgesehen sein, wobei eine Steuereinrichtung dafür ebenfalls einfach zu realisieren ist.
Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform die Vorrichtung zur Erzeugung von und Beaufschlagung des Kristalls mit Magnetfeldern eine steuerbare Magnetfeldquelle mit zumindest zwei Schaltzuständen und eine permanente Magnetfeldquelle aufweist, wobei die steuerbare Magnetfeldquelle in einem Schaltzustand Magnetfeldimpulse mit wesentlich höherer Magnetfeldstärke Hl liefert als die Magnetfeldstärke H2 der permanenten Magnetfeldquelle, kann die Steuereinrichtung noch einfacher sein und kann sich auf Ein- und Ausschalten der steuerbaren Magnetfeldquelle beschränken. Die permanente Magnetfeldquelle kann einfachst durch einen allenfalls auf oder neben dem Kristall montierten Permanentmagneten realisiert sein.
Um die Rückpolarisierung des Kristalls in den Multidomänen-Zustand nach Ende des Magnetfeldimpulses für den Monodomänen-Zustand zu beschleunigen und damit auch hier die Schaltzeiten zu verbessern, ist erfindungsgemäß eine Ausführungsform vorgesehen, bei der eine weitere steuerbare Magnetfeldquelle vorgesehen ist, welche lediglich einen Bereich des Kristalls mit einem Magnetfeld oder Magnetfeldimpulsen beaufschlagt, welcher Bereich der durch die Magnetfeldimpulse der ersten Magnetfeldquelle umpolarisierten Domäne entspricht, und wobei die Polarität der weiteren steuerbaren Magnetfeldquelle der Polarität der Magnetfelder bzw. -impulse mit den Magnetfeldstärken Hl, H2 entgegengesetzt ist. Aufgrund der rein lokalen Beaufschlagung des - im meist vorliegenden Anfangszustand des Kristalls mit drei magnetischen Domänen zentralen - Bereich des Kristalls, welcher der(den) Domäne(n) mit wechselnder Polarität entspricht, kann dieser Vorteil mit relativ geringem Energie- und Apparate-Aufwand erzielt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Kristall Inhomogenitäten aufweist, welche die Domänen in vorgegebenen Positionen fixieren, welche Inhomogenitäten sich vorzugsweise auf den Seitenflächen des Kristalls befinden.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der entsprechenden Vorrichtung werden in der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt die Rg. Ia schematisch einen Kristall der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit umgebender Magnetspule in einem Drei-Domänen-Zustand, Hg. Ib zeigt den Kristall der Rg. Ia im Monodomänen-Zustand nach Anlegen eines Magnetfeldimpulses negativer Polarität, und Rg. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines Kristalls für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit schematischer Darstellung von Inhomogenitäten zur örtlichen Stabilisierung der Domänen.
Der in den Zeichnungsfiguren dargestellte Kristall 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht beispielsweise aus Yttrium Orthoferrit oder einem ähnlichen magnetisch einachsigem Material. Er ist senkrecht zur optischen Achse für eine vorgegebene Wellenlänge geschnitten. Für Yttrium Orthoferrit liegen die optischen Achsen in der kristallographischen bc- Ebene und schließen für Lichtwellenlängen von 1,3 μm mit der c-Achse Winkel von 47 Grad ein. Die für eine Drehung der Polarisationsebene um 45° notwendige Dicke für die genannten Wellenlänge ist 1,1 mm, die Höhe des Kristalls 1 beträgt 1,2 mm.
Ohne äußeres Magnetfeld liegt der Kristall 1 anfänglich in einem Zustand mit drei magnetischen Domänen 3, 4, 5 vor. In einem solchem Kristall 1 sind die Domänenwände 2 der aneinander angrenzenden und jeweils in entgegengesetztem Sinn magnetisierten Domänen 3, 4, 5 senkrecht zur Richtung der kristallographischen «y-Achse ausgerichtet, siehe Rg. Ia. Die Höhe der oberen und unteren Domäne 3, 4, welche im gezeigten Beispiel der Rg. Ia negativ magnetisiert sind, beträgt ca. 300 bis 350 μm, die mittlere Domäne ist dagegen positiv magnetisiert und weist eine Höhe von ca. 500 μm auf, allenfalls auch etwas mehr.
Bei Anlegen eines Magnetfeldimpulses von negativer Polarität mit einer Magnetfeldstärke Hl mittels einer den gesamten Kristall 1 umgebenden Spule 6 wird der Kristall 1 bis in den reversiblen Monodomänen-Zustand magnetisiert, der in Fig. Ib dargestellt ist. Die Spule 6 ist in Rg. Ia und Ib nur schematisch dargestellt und ist tatsächlich höher bzw. dicker als der Kristall 1. Beispielsweise wird für einen Kristall 1 mit einer Höhe von 1,2 mm die Spule eine Höhe von ca. 1,5 mm aufweisen.
Nach Erreichen des Monodomänen-Zustandes durch den Kristall 1 aufgrund des angelegten Magnetfeldimpulses wird dieser jedoch nicht vollständig beendet, sondern dessen anfängliche Magnetfeldstärke Hl lediglich auf eine ebenfalls durch die Spule 6 erzeugte HaI- te-Magnetfeldstärke H2 zurückgenommen, die maximal ein Drittel der Magnetfeldstärke Hl beträgt. Meist wird mit Halte-Magnetfeldstärken H2 von maximal 10% der Magnetfeldstärke Hl das Auslangen gefunden. Durch dieses Halte-Magnetfeld H2 wird der Monodomänen- Zustand der Fig. Ib mit sehr geringem Energieverbrauch aufrechterhalten und das Ummag- netisieren der zentralen Domäne 5 in die ursprüngliche Orientierung (Fig. Ia) verhindert.
Die Verminderung der Magnetfeldstärke auf Null durch Beendigung der Stromzufuhr zur Spule 6 erlaubt dann dem Kristall die Rückkehr in den Multidomänen-Zustand der Fig. Ia mit positiver Magnetisierung der zentralen Domäne 5. Dieser Zustand kann wieder ohne äußere Energiezufuhr aufrecht erhalten werden. Der Übergang zurück in diesen Zustand erfolgt ohne äußere Energiezufuhr allerdings sehr langsam, im Mikrosekundenbereich. Um diese Rückkehr zur Verbesserung der Schaltzeiten der Vorrichtung zu beschleunigen, kann lokal an der zentralen Domäne 5 ein lokaler positiver Magnetfeldimpuls Hloc angelegt werden, der nur die schneller Ummagnetisierung der zentralen Domäne auf positiven Sinn bewirkt. Das kann beispielsweise durch eine zweite, die zentrale Domäne 5 umgebende bzw. auf der zentralen Domäne 5 aufliegende Magnetspule 7 realisiert sein, was noch den zusätzlichen Vorteil hat, daß außerhalb der Spule 7 die negativ magnetisierten Domänen 3, 4 nicht negativ be- einflusst werden.
Ein auf den gesamten Kristall 1 wirkender positiver Magnetfeldimpuls hingegen würde - bei entsprechender Magnetfeldstärke - eine dauerhafte Ummagnetisierung des gesamten Kristalls auf positiv bewirken, so daß für nachfolgende Ummagnetisierungen jedesmal die sehr hohen Koerzitivkräfte überwunden werden müssen.
Das Halte-Magnetfeld H2 kann anstelle durch die Spule 6 allenfalls auch durch einen Permanentmagneten am oder neben dem Kristall 1 erzeugt werden, wobei dann die Magnetfeldquelle zur Erzeugung des Magnetfeldimpulses mit der Magnetfeldstärke Hl ganz abgeschaltet werden und der Kristall 1 ganz ohne externe Energieversorgung im ummagnetisier- ten Zustand der Fig. Ib gehalten werden kann.
Für die örtliche Stabilisierung der Domänen 3, 4, 5 kann man wieder Inhomogenitäten (Nichtuniformitäten) 8 am Kristall 1 verwenden. Diese Inhomogenitäten 8, beispielsweise Ritzen, Kratzern od. dgl., werden auf den Oberflächen des Kristalls 1 angebracht, eventuell der bzw. den Seitenflächen des Kristalls 1, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Richtung der Ritzen bzw. Kratzer 8 ist senkrecht zur kristallographischen a-Achse und parallel zu den Ebenen der Wände 2 der Domänen 3, 4, 5.
Werden nun Lichtstrahlen durch die zentrale Domäne 5 gelenkt, so wird sich die Polarisationen des Lichts in Abhängigkeit vom Sinn der Magnetisierung - und damit schnell schaltbar - verändern.
Patentansprüche:

Claims

Patenta nsprüche :
1. Verfahren zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht mit einem magnetisch einachsigen Kristall, der zunächst eine bestimmte Multidomänen-Struktur aufweist, wobei Licht durch vorgegebene Bereiche des Kristalls hindurchtritt, und an den Kristall (1) ein Magnetfeldimpuls mit einer Magnetfeldstärke Hl angelegt wird, bei der der Kristall (1) in einen reversiblen Monodomänen-Zustand übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß nach Übergang des Kristalls (1) in den reversiblen Monodomänen- Zustand an den Kristall (1) ein Halte-Magnetfeld gleicher Polarität und mit einer Magnetfeldstärke H2 angelegt wird, welche Magnetfeldstärke H2 kleiner ist als die Magnetfeldstärke Hl und den reversiblen Monodomänen-Zustand aufrechterhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halte-Magnetfeld H2 durch Verringerung der Magnetfeldstärke des zuvor angelegten Magnetfeldimpulses eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (1) mit dem Halte-Magnetfeld der Magnetfeldstärke H2 und gleicher Polarität wie jener des Magnetfeldimpulses mit der Stärke Hl permanent beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstärke H2 des Halte-Magnetfeldes maximal ein Drittel der Magnetfeldstärke Hl des Magnetfeldimpulses beträgt, vorzugsweise maximal 10% dieser Magnetfeldstärke Hl, welche zur Erzielung des reversiblen Monodomänen-Zustandes des Kristalls (1) erforderlich ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einen Bereich (5) des Kristalls (1), welcher reversibel umpolarisiert wurde, ein Magnetfeld mit zum reversibel umpolarisierenden Magnetfeldimpuls entgegengesetzter Polarität angelegt wird, bis die ursprüngliche Polarisierung des Kristalls (1) in diesem Bereich (5) wieder hergestellt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Domänenwände (2) durch im Kristall (1) erzeugte Inhomogenitäten (6) in vorgegebenen Positionen gehalten werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen durch solche Bereiche des Kristalls (1) geleitet werden, welche durch Anlegen des Magnetfeldimpulses mit der Magnetfeldstärke Hl umpolarisiert werden.
8. Vorrichtung zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem magneto-optischen Rotator gebildet aus einem magnetisch einachsigen Kristall (1), der zunächst eine bestimmte Multido- mänen-Struktur aufweist, und mit zumindest einer Vorrichtung zur Erzeugung von und Beaufschlagung des Kristalls (1) mit Magnetfeldern, umfassend zumindest eine steuerbare Quelle für Magnetfelder und Magnetfeldimpulse und eine Steuerschaltung für die Magnetfeldquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Magnetfeldern von zumindest zwei unterschiedlichen Magnetfeldstärken Hl, H2 ausgelegt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung der steuerbaren Magnetfeldquelle zumindest zwei Schaltzustände aufweist, die die Magnetfeldquelle zur Erzeugung von Magnetfeldern bzw. Magnetfeldimpulsen von unterschiedlicher Magnetfeldstärke Hl, H2 ansteuert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von und Beaufschlagung des Kristalls (1) mit Magnetfeldern eine steuerbare Magnetfeldquelle mit zumindest zwei Schaltzuständen und eine permanente Magnetfeldquelle aufweist, wobei die steuerbare Magnetfeldquelle in einem Schaltzustand Magnetfeldimpulse mit wesentlich höherer Magnetfeldstärke Hl liefert als die Magnetfeldstärke H2 der permanenten Magnetfeldquelle.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere steuerbare Magnetfeldquelle vorgesehen ist, welche lediglich einen Bereich (5) des Kristalls (1) mit einem Magnetfeld oder Magnetfeldimpulsen beaufschlagt, welcher Bereich der durch die Magnetfeldimpulse der ersten Magnetfeldquelle umpolarisierten Domäne (5) entspricht, und wobei die Polarität der weiteren steuerbaren Magnetfeldquelle der Polarität der Magnetfelder bzw. -impulse mit den Magnetfeldstärken Hl, H2 entgegengesetzt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (1) Inhomogenitäten (8) aufweist, welche die Domänen (3, 4, 5) in vorgegebenen Positionen fixieren, welche Inhomogenitäten (8) sich vorzugsweise auf den Seitenflächen des Kristalls (1) befinden.
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