DE2903838A1 - Elektrooptisches lichtmodulationselement - Google Patents

Description

philips Patentverwaltung gmbh, steindamm 94, 2000 Hamburg 1

# PHD 79-006 "Elektrooptisches Lichtmodulationselement"

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches Lichtmodulationselement, bestehend aus einem elektrooptischen Kristall mit zueinander parallelen ebenen Seiten, auf denen jeweils über eine transparente Zwischenschicht transparente erste Elektroden liegen, und aus an den Außenseiten des Lichtmodulation elementes angeordneten reflexionsvermindernden Schichter·.

Bei dem oben beschriebenen elektrooptischen Lichtmodulationselement wird das Licht unter Ausnutzung des longitudinalen elektrooptischen Effekts (Pockels-Effekt) phasenmoduliert. Dieser Effekt tritt in einer einkristallinen Platte eines Materials auf, dessen optische Achse senkrecht zur Plattenoberfläche verläuft und das T5 zur Familie der Kaliumhydrogenphosphate gehört. Bringt man einen derartigen Kristall in ein parallel zu seiner optischen Achse c (Kristallachse) gerichtetes elektrisches Feld E, so erhält man einen Unterschied &n im Brechungsindex für Lichtkomponenten eines sich in Richtung der optischen Achse ausbreitenden Lichtstrahls, die rechtwinklig zueinander polarisiert sind. Diese anfangs gleichphasigen Lichtkomponenten weisen einen Phasenunterschied φ auf, wenn sie den Kristall der Dicke d verlassen. Da der Effekt linear ist, ist hn proportional zum Feld E und φ proportional zum Produkt E ► d, d.h., φ

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ist proportional zur Potentialdifferenz V zwischen Ein- und Ausgangsflache des Kristalls. Mit Hilfe eines derartigen Kristalls läßt sich also der Polarisationszustand eines linear polarisierten Lichtstrahls beeins flüssen. (Optica Acta, Vol.24, Nr.4, S. 413-425, 1977)

Lichtmodulationselemente dieser Art können beispielsweise in verschiedenen Systemen wie Polarisations-Analysen-Geräten, elektrisch gesteuerten Lichtverschlüssen und Meßanordnungen zur Messung der Dicke und der Brechungsindices von Filmen usw. verwendet werden.

Ein derartiges Lichtmodulationselement ist bereits aus der DE-OS 24 29 813 bekannt. Zwischen den ebenen parallelen Seiten des elektrooptischen Kristalls und den Elektroden befinden sich Zwischenschichten zur Isolierung des Kristalls gegen die Umgebungsfeuchtigkeit. Die Elektroden selbst bestehen aus halbtransparenten Metallfilmen hoher elektrischer Leitfähigkeit, z.B. aus Gold, Silber, Kupfer usw. , die direkt auf den Zwischenschichten liegen und für Gold etwa zwischen 5nm und I6nm dick sind. Sowohl die Zwischenschichten als auch die Elektroden sind durch Aufdampftechniken auf den Kristall aufgebracht worden,

Die Elektroden besitzen somit zwar eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit, ihre Transparenz ist aber nur gering. Derartige Lichtmodulationselemente sind daher zur Phasenmodulation intensitätsschwacher Lichtstrahlen nur bedingt geeignet.

Zur Erzeugung hoch leitfähiger und gleichzeitig hoch transparenter Elektroden ist bereits bekannt, (siehe DE-OS 24 29 813, Seite 3, Absatz 2) einen transparenten, leitenden Film aus Titanoxid oder Indiumoxid gleichmäßig auf die lichtdurchlässigen Oberflächen des elektrooptischen Kristalls aufzubringen. Um z.B. durch Aufdampfen derartige Elektroden auf den Oberflächen zu erhalten, müßte der Kristall selbst über längere Zeit auf eine

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Temperatur von mindestens 150⁰C gebracht werden. Wird jedoch ein optischer Kristall, z.B. ein KDP-Kristall, derart erhitzt (getempert), so werden seine elektrooptischen Eigenschaften zerstört.

Es wurde ferner vorgeschlagen, Elektroden, z.B= aus Indiumoxid, mit hoher Leitfähigkeit und großer Transparenz auf einem Substrat, z.B. auf Glas, aufzubringen. Die hierzu erforderlichen hohen Temperaturen würden das Substrat (z.B. eine ebene Glasplatte) nicht schädigen. Um jedoch die Elektroden mit dem Kristall in Kontakt zu bringen, müßte die Glasplatte mit dem Kristall verkittet werden. Hierbei entstünde aber der Nachteil, daß sich das elektrische Feld im Innern des Kristalls nicht homogen genug ausbildet. Es könnten sich ungleichförmige Feldverteilungen infolge von Sperrschichtbildungen an den Grenzflächen des Kristalls ergeben. Ferner könnten ungleichförmige Feldverteilungen durch ungleichförmige Leitfähigkeit des Kristalls oder durch keilförmige Kittschichten bzw. Blasen in den Kittschichten entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrooptisches Lichtmodulationselement mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit bei vergrößerter Transparenz und verbesserten Homogenitätseigenschaften bezüglich des elektrischen Feldes innerhalb des Lichtmodulationselementes zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich zusätzlich auf den jeweüs ersten Elektroden eine transparente Kittschicht befindet, welche von einer zweiten transparenten Elektrode, die mit einem Pol einer Spannungsquelle verbindbar ist, bedeckt ist und deren Leitfähigkeit bei gleicher Transparenz erheblich größer ist als die der ersten Elektrode, wobei die zweiten

•js Elektroden jeweils mit einem Substrat verbunden sind.

Elektroopti sehe LichtmoduD-ationselemente sollen ein möglichst homogenes Modulationsvermögen über ihre ge-

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samte Apertur besitzen, d.h., an verschiedenen Stellen auf eine Eingangsfläche des Lichtmodulationselementes auftreffende Lichtstrahlen, die wenigstens annähernd parallel zur Kristallachse verlaufen, sollen in gleicher Weise phasenmoduliert v/erden. Ihre Elektroden, die als ebene , dünne Schichten ausgebildet sind, sollen ferner für eine gegebene Wellenlänge möglichst transparent sein, damit der durch das Lichtmodulationselement hindurchtretende Lichtstrahl in seiner Intensität nur wenig geschwächt wird. Dies ist von Vorteil, wenn das Lichtmodulationselement beispieüaTOise in digitalen Lichtablenkern zum Einsatz kommt. Die Forderung nach niederohmigen Elektroden erklärt sich daraus, daß beim Schalten des Lichtmodulationselementes kurzzeitig beträchtliche Umladeströme in diesem fließen, was zu Spannungsabfällen und bei hohen Schaltfrequenzen zur Erwärmung des Lichtmodulationselementes führt.

Die ersten Elektroden des elektrooptischen Lichtmodulationselementes bestehen nun aus hochtransparenten Schichten mit geringer Leitfähigkeit, die z.B. hauptsächlich Indiumoxid (in-pO,) enthalten, welche unmittelbar auf die auf dem Kristall liegenden Zwischenschichten aufgebracht sind. Ihre Flächenwiderstände sind aber relativ groß, da die ersten Elektroden nur bei etwa Zimmertemperatur aufgedampft werden können.

Die Überbrückung der Flächenwiderstände der ersten Elektroden erfolgt mit Hilfe der zweiten Elektroden, die jeweils auf einem ebenen, transparenten Substrat, z.B. Glas, angeordnet sind, und die über eine transparente Kittschicht mit den ersten Elektroden verbunden sind. Die zweiten Elektroden, die Wenfalls als dünne, ebene Schichten ausgebildet sind, besitzen gleichfalls eine hohe Transparenz aber auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Derartige Schichten bzw. Elektroden, die ebenfalls aus Indiumoxid bestehen können, lassen sich bevorzugt bei hohen Temperaturen herstellen. Durch eine

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Temperung bei einigen 100⁰C können aber auch bei Zimmertemperatur hergestellte Schichten in ihrer Leitfähigkeit verbessert werden.

Die zweiten Elektroden übernehmen daher beim Betrieb (bzw. beim Schalten) des elektrooptischen Lichtmodulationselements den größten Teil des Verschiebestromes, indem sie die Ladungen kapazitiv auf die ersten Elektroden koppeln* Die erste Elektrode führt also im wesentlichen nur noch Ströme, die in Richtung der Kristallachse, also senkrecht zu der sie darstellenden Schicht hindurchtreten. Da diese Wege wegen der geringen Schichtdicke der ersten Elektroden sehr kurz sind, sind die entsprechenden Widerstände ebenfalls sehr gering. Die erste Elektrode verteilt nun das elektrische Feld homogen über den Kristall und liefert Ladungen nach, die über den Leckwiderstand des Kristalls langsam abfließen. Hieraus ergeben sich zwar geringe Ausgleichsströme parallel zur ersten Elektrode, die aber gegenüber denen in der zweiten Elektrode vernachlässigbar sind.

Insgesamt wird durch diese Maßnahmen erreicht, daß das Lichtmodulationselement eine hohe Transparenz und Homogenität besitzt sowie aufgrund der niederohmigen zweiten Elektroden bei hohen Schaltfrequenzen arbeiten kann, ohne sich über das normale Maß hinaus zu erwärmen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der elektrooptische Kristall ein deuterierter Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall, der eine große Sättigungspolarisation und ein hohes Modulationsvermögen besitzt.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die transparente Zwischenschicht aus einer auf der Oberfläche des elektrooptischen Kristalls liegenden Al₂O^ -Schicht und einer daraufliegenden SiO₂-Schicht.

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Die Zwischenschichten stellen einen transparenten Schutzfilm dar, der direkt auf die Kristalloberflächen aufgebracht ist. Er dient unter anderem zum Schutz des Kristalls gegenüber der Umgebungsfeuchtigkeit, wenn der

s Kristall feuchtigkeitsempfindlich ist. Die Zwischenschichten dienen aber auch als Haftschicht für die ersten Elektroden, die unmittelbar auf die Zwischenschichten z.B. durch Sputtern bei Zimmertemperatur aufgebracht sind. Ferner dienen die Zwischenschichten aber auch der optimalen Einkopplung des elektrischen Feldes in den Kristall.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung bestehen die ersten Elektroden im wesentlichen aus einer bei Zimmertemperatur auf die Zwischenschichten aufgebrachten Indiumoxid-/Zinnoxidschicht, da aus diesen Materialien mit Vorteil die Elektroden mit den für sie geforderten Eigenschaften herstellbar sind.

Nach einer anderen sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bestehen die zweiten Elektroden im wesentlichen ■ aus einer bei hohen Temperaturen hergestellten und auf einem transparenten Substrat aufgebrachten Indiumoxid-/ Zinnoxidschicht. Diese Schichten weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger hoher optischer Transparenz auf.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Es zeigen:

Fig.1 ein elektrooptisches Lichtmodulationselement nach der Erfindung und

Fig.2 ein einfaches Ersatzschaltbild des Lichtmodulationselementes.

Fig.1 zeigt einen Schnitt durch ein elektrooptisches Lichtmodulationselement 1 mit einem elektrooptischen Kristall 2, der z.B. ein deuterierter Kaliumdihydrogenphosphat-

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Kristall oder ein anderer geeigneter elektrooptischer Kristall sein kann. Der elektrooptische Kristall 2 besitzt die Form einer dünnen, ebenen Schicht, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt und die beispielsweise eine ebene Fläche von etwa 100 mm und eine Dicke von 1 mm besitzt. Die Schichtfläche kann dabei rechteckförmig oder rund sein oder eine sonstige geeignete Form aufweisen. Senkrecht auf den parallel zueinander liegenden, polierten Schichtflächen steht die optische Achse 3 des Lichtmodulationselements 1, die gleichzeitig eine Kristallachse ist und parallel zu der eine Strahlung I in das LichtmodulatL onselement eintritt.

Die Schichten 4 und 4¹, die etwa 0,1/um dick sind, bestehen aus transparenten Aluminiumoxid-(AlpO^)Filmen, die unmittelbar auf den Kristall 2 durch Vakuumverdampfung oder Sputtern bei nahezu Zimmertemperatur aufgebracht sind. In gleicher Weise sind die auf den Aluminiumoxidfilmen haftenden SiliciumdioxJd-^SiO₂)Filme 5 und 5' aufgebracht, die etwa 1,0 Aim dick sind. Beide Filme 4, 4' und 5, 5^f bilden eine Zwischenschicht und dienen sowohl als Isolator zum Schutz des Kristalls 2 gegen die Umgebungsfeuchtigkeit als auch als Haftschicht für die auf den Zwischenschichten liegenden ersten Elektroden 6, 6'. Ihre Dicken sind so abgestimmt, daß sie zusammen mit den anderen Schichten ein reflexionsminderndes System bilden.

Die ersten Elektroden 6, 6' bestehen beispielsweise hauptsächlich aus Indiumoxid (in^O·,) und sind bei Zimmertemperatur mit Hilfe von Vakuumverdampfung oder Sputtern direkt auf die Zwischenschicht, also auf die Siliciumdioxidschicht 5, 5^r aufgebracht worden. Hierbei wurde der elektrooptische Kristall nicht aufgeheizt und von daher nicht beschädigt. Die ersten Elektroden 6, 6^f sind etwa 0,1yum dick. Sie besitzen einen hohen Flächenwiderstand, während ihre Transparenz für Licht im Wellenlängenbereich um annähernd 633 nm aui3erordentlich groß ist. Entsprechend dieser Wellenlänge sind auch alle anderen

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Schichten des Lichtmodulationselementes ausgelegt, so daß eine maximale Transparenz gegeben ist. Selbstverständlich können die Lichtmodulationselemente nach der Erfindung auch für andere Wellenlängen ausgelegt werden. Die Dicke der einzelnen Schichten ist dann nur an die entsprechende Wellenlänge anzupassen.

Die a?sten Elektroden 6, 6¹ stellen also zusammen mit dem elektrooptischen Kristall 2 eine Kapazität C₁,,, _ von etwa

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44 pF dar, bei 1 cm Fläche, wobei der Kristall 2 eine Dielektrizitätskonstante e von etwa e = 50 besitzt.

Parallel zu den ersten Elektroden 6, 6' liegen die auf einem ebenen Glassubstrat 7, 7' aufgebrachten zweiten Elektroden 8, 8', die über eine transparente Kittschicht 9, 9¹ mit den ersten Elektroden 6, 6^! verbunden ist.

Die zweiten Elektroden 8, 8¹ besitzen eine Dicke von etwa 0,15/um und bestehen ebenfalls hauptsächlich aus

Indiumoxid (In₂O,). Sie sind bei erhöhter Temperatur

von einigen 100⁰C auf das Glassubstrat 7, 7' aufgebracht worden, z.B. durch Aufdampfen, Sputtern oder Abscheiden aus der Gasphase. Die Dicke des Glassubstrats 7, 7' selbst liegt im Millimeterbereich. Die zweiten Elektroden 8, 8' besitzen somit etwa die gleiche optische Transparenz wie die ersten Elektroden 6, 6'. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist jedoch erheblich großer.

Die Kittschicht 9, 9' besteht beispielsweise aus Epoxydhaiz oder Polyesterharz und besitzt eine Dicke von ca. 5/um und eine Dielektrizitätskonstante von ca 3. Zusammen mit den jeweils ersten 6, 6' bzw. zweiten Elektroden 8, 8¹ stellt sie eine Koppelkapazität Ck von etwa 530 pF dar.

Es ist zweckmäßig, die ersten und zweiten Elektroden 6, 6' und 8, 8' ein wenig parallel gegeneinander zu verschieben, so daß am Rande der entsprechenden Schichten

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eine freie Fläche zum Anbringen von inneren Anschlußkontakten 10 und äußeren Anschlußkontakten 10' verbleibt.

Zusätzlich können die Außenflächen der transparenten Substrate 7, 7' mit nichtreflektierenden Filmen (nicht dargestellt) überzogen sein, die durch Aufbringen von dielektrischen Materialien mit bestimmten Brechungsindices bei der gewünschten Wellenlänge des Lichtes I in ein oder mehreren Lagen hergestellt sind,

Das elektrooptische Lichtmodulationselement 1 kann z.B. zwischen zwei Schaltzuständen "0" und "1" betrieben werden, von denen der Schaltzustand "0" durch Anlegen einer Spannung U=O an den äußeren Klemmen 11 erzeugt wird und durch den beispielsweise die Schwingungsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls, der durch das Lichtmodulationselement 1 hindurchtritt, nicht gedreht wird. Der zweite Schaltzustand "1" kann durch Anlegen eines positiven oder negativen Gleichspannungsimpulses U+ oder U- erzeugt werden, so daß die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtstrahls I gedreht wird. Der Betrag der Gleichspannungsimpulse liegt hierbei etwa zwischen 2 und 4 KV, während die Schaltfrequenz über 50 KHz liegen kann. Die Spannungen U+, U- sind hierbei so gewählt, daß sie eine Drehung der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtstrahls um den gleichen Betrag bewirken.

In der Fig.2 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des elektrooptischen Lichtmodulationselementes nach Fig.1 dargestellt. Die Kapazität C., stellt die Kapazität des elektrooptischen Kristalls 2 dar, dessen Leckwiderstand R, parallel zu C₁,, liegt. Elektrisch in Reihe hierzu befinden sich jeweils die Parallelschaltungen aus der Koppelkapazität C, und deren Leckwiderstand R, , der den Widerstand der Kittschicht 9, 9' darstellt. Der Spannungsabfall an der Koppelkapazität C. sollte dabei möglichst klein sein.

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Jeweis in Reihe zu diesen Parallelschaltungen aus C, und R₁ liegen die Bahnwiderstände R_K der niederohmigen, zweiten Elektroden 8 bzw. 8', an deren Enden sich die Anschlüsse 11 befinden. Parallel zur Reihenschaltung aus dem Bahnwiderstand Rv₁ der zweiten Elektroden 8, 8' und der Parallelschaltung aus C, und R, liegt jeweils noch die Reihenschaltung aus dem Bahnwiderstand Ri und der ersten Elektrode 6 bzw. 6¹ und einem Vorwiderstand Rv zur ersten Elektrode 6 bzw. 6'. Die auf jeweils einer Seite des Lichtmodulationselementes 1 liegenden ersten und zweiten Elektroden 6, 8 bzw. 6', 8' liegen som; j am gleichen Pol der Spannungsquelle U (Spannungsquelle U nicht dargestellt).

Gibt man nun z.B. einen rechteckförmigen Spannungsimpuls auf die Anschlüsse 11 eines derartigen Systems, so nehmen die ersten Elektroden 6, 6' im ersten Moment ein Potential an, das sich aus dem kapazitiven Spannungsteilerverhältnis von C, , und C_k ergibt. Danach bestimmen die ohmschen Widerstände den weiteren Potentialverlauf, so daß sich im allgemeinen irgendeine Dachschräge des am Kristall 2 anliegenden Spannungsimpulses einstellt.

Im einfachsten Fall sind die ersten Elektroden 6, 6' nicht an die Spannungsquelle angeschlossen (Rv = oo). Der zeitliche Spannungsverlauf am Kristall 2 wird dann durch dessen Zeitkonstante und durch die der Kittschicht 9> 9¹ bestimmt. Hierbei sollten möglichst beide Zeitkonstanten (R, ,C, bzw. R_L C, , ) gleich sein, da sich dann keine „ Dachschräge des am Kristall 2 anliegenden, optisch wirksamen Spannungsimpulses ergibt. Der Verzicht auf den Anschluß der ersten Elektroden 6, 6' bietet sich vor allem bei geringer Breite des Spannungs impuls es an, da in diesem Fall die Neigung der Dachschräge keinen Einfluß auf die optischen Modulationseigenschaften des Lichtmodulationselementes 1 hat.

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Die ersten Elektroden 6, 6¹ und die zweiten Elektroden 8, 8^f können auch elektrisch miteinander verbunden sein. Der 'Vorxvi der stand Rv wird dann so gewählt, daß sich keine oder nur eine möglichst kleine Dachschräge des am Kristall 2 anliegenden Spannungsimpulses einstellt, so daß die ersten Elektroden β, β' möglichst schnell ein definiertes Potential annehmen.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fallen bei einem Eingangsimpuls von U = 4 KV insgesamt 14,5 % des elektrischen Eingangsimpulses an den Koppelkondensatoren C, ab. Um diesen Betrag vermindert sich der optisch wirksame Spannungsimpuls am Kristall 2. Hieraus resultiert eine Modulation von 95 % des einfallenden linearpolarisierten Lichtes für einen 1 mm dicken Kristall 2. Bei 4 mm Kristalldicke verbessert sich die Modulation auf 99,6 % des einfallenden Lichtes.

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Claims (8)

• PHD 79-006 PatentansOrüche: ^t"UOO OO

1. Elektrooptisches Liehtmodulationselement (1), bestehend aus einem elektrooptischen Kristall (2) mit zueinander parallelen ebenen Seiten, auf denen jeweils über eine transparente Zwischenschicht (4,5!4',5O transparente erste Elektroden (6,6^!) liegen, und aus an den Außen-Seiten des Lichtmodulationselementes angeordneten reflexionsvermindernden Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß sich zusätzlich auf den jeweils ersten Elektroden (6,6') eine transparente Kittschicht (9,9') be&idet, welche von einer zweiten transparenten Elektrode (8,8^!), die mit einem Pol einer Spannungsquelle (U) verbindbar ist, bedeckt ist und deren Leitfähigkeit bei gleicher Transparenz erheblich größer ist als die der ersten Elektrode, wobei die zweiten Elektroden jeweils mit einem Substrat (7,7') verbunden sind.

2. Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Kristall (2) ein deuterierter Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall ist.

3. Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Zwischenschicht aus einer auf der Oberfläche des elektrooptischen Kristalls (2) liegenden A^O^-Schicht (4,40 und

einer daraufliegenden SiO₂-Schicht (5,50 besteht.

4. Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (6,60 im wesentlichen aus einer bei Zimmertemperatur auf die Zwischenschichten aufgebrachten Indiumoxid- oder Indiumoxid-/Zinnoxidschichten bestehen.

5. Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach An-

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spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (8,8') im wesentlichen aus einer bei hohen Temperaturen hergestellten und auf einem transparenten Substrat (7,7^f) aufgebrachten Indiumoxid- oder Indiurnoxid-yZinnoxidschicht bestehen.

6«, Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Kittschicht (9,9') aus einem transparenten Klebstoff, wie z.B. Epoxydharz, Polyesterharz oder dergleichen,, besteht .

7. Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der transparenten Kittschicht (9,9') kleiner oder gleich der Zeitkonstanten des elektrooptischen Kristalls (2) ist.

8. Elektrooptisches Lichtmodulationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf jeweils einer Seite des elektrooptischen Kristalls (2) liegenden ersten und zweiten Elektroden (6,6^f;8,8') mit jeweils dem gleichen Pol der Spannungsquelle (U) verbunden sind.

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