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Bracjq-Zelle
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bragg-Zelle nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Der dynamische Bereich der integriert optischen Frequenzanalysatoren
auf der Basis er Bragg-Zelle wird im wesentlichen durch Streulicht im planaren Wellenleiter
der Bragg-Zelle begrenzt. Ein wesentlicher Anteil des Streulichts wird dabei vom
ungebeugten Licht erzeugt.
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Dafür gibt es zwei Gründe: Erstens lenkt die Bragg-Zelle das Licht
nur um wenige Winkelgrade ab, so daß der gebeugte oder abgelenkte Strahl in einem
Winkelbereich liegt, in dem das vorwärts gestreute Licht des ungebeugten strahls
noch nicht vernachlässigbar ist.
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Zweitens ist die Intensität des ungebeugten Lichts wesentlich höher
alE die des gebeugten Lichtes, weil der Ablenkwirkungsgrad von breitbandigen Bragg-Zellen
höchstens einige Prozent beträgt. Zur Verbesserung des dynamischen Bereiches, auch
Eintondynamik genannt, muß daher das ungebeugte Licht vom gebeugten Licht getrennt
werden. Dies kann aufgrund unterschiedlicher Polarisation (Bragg-Zelle mit TE/TDl-Modenwandlung),
unterschiedlicher Frequenzlage (Heterodyndetektion), räumlicher Trennung aufgrund
der unterschiedlichen Strahlposition (siehe Bulk-Ausführung) oder aufgrund der unterschiedlichen
Ausbreitungsrichtungen der beiden Strahlen erfolgen.
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Die Lösung mittels Bragg-Zellen mit TE/TM-Modenwandlung hätte zwar
den großen Vorteil, daß auch das von der Bragg-Zelle entstehende Streulicht ausgeblendet
werden, Ed 1 Sti/ 13.09.82
bisher haben aber derartige Bragg-Zellen
in LiNbO3 einen wesentlich schlechteren Ablenkungswirkungsgrad gezeigt, als die
üblichen mit TE-Mode-Anregung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bragg-Zelle der eingangs genannten
Art anzugeben, mit der eine gute Trennung der ungebeugten von der gebeugten Strahlung
möglich ist, und die zudem einfach aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Diese Lösung ermöglicht insbesondere die Trennung der gebeugten von
der ungebeugten Strahlung unmittelbar nach dem Verlassen der Bragg-Zelle oder der
Gitterstruktur dieser Zelle, wodurch der gemeinsame Weg der beiden Strahlen möglichst
kurz gehalten wird. Dies ist wichtig, weil das vor der Trennung der Strahlungen
entstehende Streulicht des ungebeugten Strahls nicht ausgeblendet werden kann.
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Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen
Bragg-Zelle gehen aus den Ansprüchen 2 bis 10 hervor, während vorteilhafte Bragg-Zellenanordnungen
mit erfindungsgemäßen Bragg-Zellen aus den Ansprüchen 11 bis 15 hervorgehen.
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Bei allen Ausführungsformen empfiehlt es sich, brechende Flächen mit
einer Vergütungsschicht zu entspiegeln. Dies ist insbesondere bei totalreflektierenden
brechenden Trennflächen empfehlenswert. Die Vergütungsschicht kann eine Einfachschicht
oder auch ein Mehrschichtensystem sein.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen in der folgenden Beschreibung
näher erläutert. Von den Figuren zeigen Figur 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Bragg-Zelle mit einer brechenden Trennfläche, die so angeordnet ist, daß die von
der Gitterstruktur gebeugte Strahlung totalreflektiert wird, während die ungebeugte
Strahlung durch diese Fläche hindurchtritt; Figur 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Bragg-Zelle mit einer brechenden Trennfläche, die so angeordnet ist, daß die von
der Gitterstruktur der Bragg-Zelle gebeugte Strahlung durch diese Fläche hindurchtritt,
während die ungebeugte Strahlung totalreflektiert wird; Figur 3 eine Draufsicht
auf eine erfindungsgemäße Bragg-Zelle, bei der die von der Gitterstruktur der Bragg-Zelle
gebeugte Strahlung und die ungebeugte Strahlung durch eine weitere Gitterstruktur
noch weiter voneinander getrennt werden; und die Figuren 4 bis 10 spezielle Bragg-Zellenanordnungen
mit erfindungsgemäßen Bragg-Zellen, die auf den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten
Trennprinzipien beruhen.
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Die in Figur 1 dargestellte Bragg-Zelle BZ1 besteht aus einem planaren
Wellenleiter BW1, auf dem ein Ultraschallwandler W aufgebracht ist, welcher die
Gitterstruktur GS
im Wellenleiter BW1 erzeugt. Auf diese G tterstruktur
GS trifft aus einer Richtung R eine im Wellenleiter BW1 geführte Strahlung, von
der ein Anteil US diese Gitterstruktur GS ungebeugt durchstrahlt, während ein Anteil
AS gebeugt wird. Beide Strahlungsanteile US und AS treffen schräg auf eine brechende
Trennfläche BF1, die durch eine brechende Seitenfläche dieses lellenleiters BW1
gebildet wird und an ein Medium Ml grenzt, das einen kleineren Brechungsindex aufweist
als der Wellenleiter BW1, und das auch aus Luft bestehen kann. Die brechende Trennfläche
BF1 ist derart schräg zu den Atsbreitungsrichtungen der Strahlungsanteile US und
AS angeordnet, daß der gebeugte Strahlungsanteil AS an dieser Fläche totalreflektiert
wird, während der ungebeugte Strahlungsanteil US aus dieser Fläche in das Medium
Ml austreten kann. Der totalreflektierte Strahlungsanteil AS kann über eine brechende
Seitenfläche S1 des Wellenleiters BW1 in ein angrenzendes Medium austreten, das
ebenfalls Luft sein kann.
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Die in Figur 2 dargestellte Bragg-Zelle BZ2 ist der Bragg-Zelle nach
Figur 1 sehr ähnlich. Der Unterschied zur Bragg-Zelle BZ1 nach Figur 1 besteht im
wesentlichen nur darin, daß die brechende Trennfläche BF2, die ebenfalls durch eine
brechende Seitenfläche des Wellenleiters BW2 dieser Bragg-Zelle gebildet ist, von
dem durch die Gitterstruktur GS gebeugten Strahlungsanteil AS und von dem ungebeugten
Strahlunsanteil US so getroffen wird, daß im Gegensatz zur Bragg-Zelle BZ1 nach
Figur 1 der ungebeugte Strahlungsanteil US an der brechenden Trennfläche BF2 totalreflektiert
wird, während der gebeugte Strahlungsanteil AS (.us dieser Trennfläche in das angrenzende
Medium Ml austreten kann. Der an der Trennfläche BF2
totalreflektierte
Strahlungsanteil US kann durch eine brechende Seitenfläche S2 des Wellenleiters
BW2 in ein angrenzendes Medium, das auch Luft sein kann, austreten.
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Beim Vergleich der Figur 1 mit der Figur 2 ist zu entnehmen, daß sich
die beiden beispielhaft dargestellten Bragg-Zellen BZ1 und BZ2 äußerlich kaum unterscheiden.
Im wesentlichen sind nur die Richtungen R bzw. R', aus denen die in beiden Fällen
von einem Ultraschallwandler W erzeugten Gitterstrukturen GS von der Strahlung getroffen
werden, voneinander verschieden.
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Die brechende Trennfläche BF1 bzw. BF2 ist so zur Strahleinfallsrichtung
R bzw. R' schräg anzuordnen, daß der Einfallswinkel des gebeugten Strahlungsanteils
AS bzw.
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des ungebeugten Strahlungsanteils US im Totalreflexionsbereich liegt,
während der Einfallswinkel des ungebeugten Strahlungsanteils US bzw. des gebeugten
Strahlungsanteils AS hinreichend weit vom Grenzwinkel der Totalreflexion entfernt
liegt. Der Grenzwinkel hängt bekanntlich vom Verhältnis der Brechzahlen der beiden
an die brechende Trennfläche angrenzenden Medien ab und ist durch geeignete Wahl
dieser Medien einstellbar.
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Bei der Bragg-Zelle BZ3 nach Figur 3 erfolgt die Trennung des gebeugten
Strahlungsanteils AS vom ungebeugten Strahlungsanteil US durch eine weitere Gitterstruktur
G, die wie die eine Gitterstruktur GS in dem Wellenleiter BW3 dieser Bragg-Zelle
BZ3 durch einen Ultraschallwandler W erzeugt werden kann.
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Die weitere Gitterstruktur G ist derart schräg zu den Ausbreitungsrichtungen
der beiden Strahlungsanteile US und AS angeordnet, daß der von der einen Gitterstruktur
GS ungebeugte Strahlungsanteil an der weiteren Gitter-
struktur
oder dem Bragg-Gitter G reflektiert wird, während der gebeugte Strahlungsanteil
AS die Bragg-Bedingung nicht erfüllt und somit ungestört durch die weitere Gitterstruktur
hindurchgeht. Der gebeugte Strahlungsanteil AS kann durch eine brechende Seitenfläche
SA des Wellenleiters BW3 dieser Bragg-Zelle 3 in ein anderes Medium austreten, während
der ungebeugte und an der weiteren Gitterstruktur G reflektierte Strahlungsanteil
US durch eine andere brechende Seitenfläche SU in ein anderes Medium austreten kann.
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Es ist nicht notwendig, daß die brechende Trennfläche oder auch die
weitere Gitterstruktur auf den lVellenleiter der Bragg-Zelle angeordnet sind. Wesentlich
ist, daß beide in den Strahlengängen des gebeugten Strahlengangs AS und des ungebeugten
Strahlenganges US angeordnet sind.
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Die Figur 4 zeigt ein Beispiel, bei dem die brechende Trennfläche
durch eine Seitenfläche BF3 eines an den Wellenleiter BW der Bragg-Zelle BZ gekoppelten
Wellenleiters GW gebildet ist. Diese Fläche kann an Luft oder ein anderes Medium
grenzen, dessen Brechzahl kleiner ist als die des gekoppelten Wellenleiters GW.
Analoges gilt für die weitere Gitterstruktur G.
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Der Anordnung nach Figur 4 liegt das Prinzip nach Figur 1 zugrunde,
d.h. der im Wellenleiter BW der Bragg-Zelle BZ sol dem Ultraschallwandler W gebeugte
Strahlungsanteil AS wird an der durch eine brechende Seitenfläche des planaren Wellenleiters
GW gebildeten Trennfläche BF3 totalreflektiert, während der ungebeugte Strahlungsanteil
US aus dieser Trennfläche austritt. Der total reflektierte Strahlungsanteil AS durchstrahlt
eine auf dem Wellenleiter GW ausgebildete geodätische Linse L zur Durchführung einer
Fourier-Transformation und trifft dann auf eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
dieser
Strahlung angeordnete brechende Seitenfläche S3 dieses Wellenleiters
Gil, die in einem Abstand von dieser Linse L angeordnet ist, der der Brennweite
f dieser Linse entspricht. Auf diese Seitenfläche S3 ist eine Detektorzeile DZ aufgebracht,
die zur Analyse der Fourier-Transformierten dient.
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Welches der beiden Prinzipien nach Figur 1 bzw. 4 oder nach Figur
2 gewählt wird, hängt unter anderem von folgenden Eigenschaften ab: Wird die von
der Gitterstruktur oder dem Bragg-Ablenker GS abgelenkte oder gebeugte Strahlung
so wie in den Figuren 1 oder 4 an der Trennfläche BF1 bzw. BF3 totalreflektiert,
so ist der Zusammenhang zwischen der Strahlauslenkung in der Brennfläche einer Linse
zur Durchführung einer Fourier-Transformation, in welcher die Detektorzeile anzubringen
IStr und der Schall frequenz linear. Wird dagegen gemäß Figur 2 die ungebeugte Strahlung
an der brechenden Trennfläche BF 2 total reflektiert und die gebeugte Strahlung
an dieser Fläche gebrochen, so ergibt sich aufgrund des Brechungsgesetzes und des
schrägen Einfalls der gebeugten Strahlung auf die Trennfläche ein nichtlinearer
Zusammenhang zwischen Strahlauslenkung und Schalifrequenz in der Brennfläche einer
Linse zur Durchführung einer Fourier-Transformation.
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Die Inkaufnahme eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Strahlungsbeugung
und -auslenkung der Schall- oder Ablenkfrequenz bietet aber die vorteilhafte Möglichkeit
der starken Vergrößerung des Ablenkwinkels, wodurch eine kleinere Brennweite der
Linse und somit eine kleinere Baulänge ermöglicht wird, bzw. bei gleichen Abmessungen
und gleichem Rastermaß der Detektorzeile das Frequenzspektrum feiner aufgelöst werden
kann, wobei eine ausreichende optische Apertur des Systems Voraussetzung ist.
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Die Prinzipien nach Figur 1 und Figur 2 zur Trennung des Streulichts
der nullten Ordnung vom gebeugten Licht sind auch für eine Bulk-Version der Bragg-Zelle
anwendbar.
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Hier besteht die Möglichkeit, die nullte Ordnung mit einer Blende
vom gebeugten Licht zu trennen. Das setzt aber die räumliche Trennung beider Strahl
querschnitte und damit - wegen des geringen Winkel unterschiedes zwischen beiden
Strahlen - relativ große Baulängen voraus. Die Strahltrennung durch Totalreflexion
einer der beiden Strahlen an einer brechenden Trennfläche führt demnach vor allem
zu einer Verkürzung der Baulänge des Bulk-Frequenzanalysators.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei zweckmäßige Bragg-Zellenanordnungen
mit Bragg-Zellen, die nach dem in Figur 1 dargestellten Prinzip arbeiten. Bei der
Anordnung nach Figur 5 sind auf einem gemeinsamen planaren Wellenleiter BW7 mit
einer die brechende Trennfläche BF1 bildenden Seitenfläche zwei Ultraschallwandler
W neben dieser Trennfläche BF1 und im Abstand voneinander angeordnet.
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Dadurch sind auf einem gemeinsamen Wellenleiter zwei Bragg-Zellen
BZ1 realisiert. Die beiden von den Ultraschallwandlern W erzeugten Strukturen werden
von zwei Strahlungen aus Richtungen durchstrahlt, bei denen sich die von den Gitterstrukturen
gebeugten und an der Trennfläche BF1 total reflektierten Strahlungen AS im Wellenleiter
BW1 schneiden. Dort ist eine für beiden Bragg-Zellen BZ1 gemeinsame geodätische
Linse L zur Durchführung einer Fourier-Transformation im Wellenleiter BW1 ausgebildet.
Jede der beiden aus der Linse L austretenden Strahlungen AS trifft senkrecht auf
eine ihr zugeordnete Seitenfläche S1 des Wellenleiters BW1, auf der eine Detektorzeile
DZ angeordnet ist. Jede der beiden Seitenflächen S1 ist in einem Abstand von der
Linse L
angeordnet, der ihrer Brennweite entspricht. Das bedeutet,
daß jede Seitenflache S1 bzw. jede Detektorzeile DZ auf einer Brennfläche oder -ebene
der Linse angeordnet ist.
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Speziell sind bei der Anordnung nach Figur 5 die Abmessungen des Wellenleiters
BW1, die Strahlrichtungen und die Brechzahl des an die Trennfläche BF1 angrenzenden
Mediums so gewählt, daß sich die gebeugten und totalreflektierten Strahlungen AS
senkrecht in der Linse L schneiden und die Seitenflächen S1 demnach aufeinander
senkrecht stehen. Die von den Ultraschallwandlern W erzeugten Gitterstrukturen verlaufen
parallel zu diesen Seitenflächen S1.
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Bei der Anordnung nach Figur 6 sind drei getrennte Bragg-Zellen BZ1
nach Figur 1 vorgesehen, von denen jede mit ihrer Seitenfläche S1 an eine Seitenfläche
S1' eines planaren Wellenleiters M2 angrenzt, der einen Umriß in Form eines regelmäßigen
Sechsecks aufweist. Jede Bragg-Zelle BZ1 ist so bemessen, daß die gebeugte und an
der brechenden Trennfläche BF1 total reflektierte Strahlung senkrecht aus der Seitenfläche
S1 des Wellenleiters BW1 der Bragg-Zelle austritt und in den Wellenleiter M2 senkrecht
durch dessen Seitenfläche S1' eintritt. Außerdem ist jede Bragg-Zelle EZ1 so angeordnet,
daß die austretende gebeugte Strahlung AS das Zentrum des sechseckigen Wellenleiters
M2 trifft, wo eine geodätische Linse L zur Durchführung einer Fourier-Transformation
in dem Wellenleiter M2 ausgebildet ist.
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Diese Linse I. ist demnach ebenfalls allen drei Bragg-Zellen BZ1 gemeinsam.
Die Strahlung AS aus jeder Bragg-Zelle BZ1 trifft nach Durchgang durch die Linse
L senkrecht auf eine Seitenfläche S1" des Wellenleiters M2, an der eine Detektorzeile
DZ angeordnet ist. Der
sechseckige Wellenleiter M2 ist bezüglich
der Linse L so bemessen, daß jede Detektorzeile bzw. jede Seitenfläche S1" in einer
Brennebene oder -fläche der Linse angeordnet ist.
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Die Figuren 7 und 8 zeigen zwei Bragg-Zellenanordnungen mit einer
bzw. zwei Bragg-Zellen nach Figur 2. In beiden Anordnungen grenzt die brechende
Trennfläche BF2 der Bragg-Zelle BZ2 an eine Seitenflache BS eines planaren Wellenleiters
M3, in dem die an der durch einen Ultraschallwandler W erzeugten Gitterstruktur
gebeugte Strahlung AS übertritt. Sie durchstrahlt eine auf dem planaren Wellenleiter
M3 ausgebildete geodätische Linse L zur Durchführung einer Fourier-Transformation
und trifft nach Durchgang durch die Linse senkrecht auf eine weitere Seitenfläche
BS' des Wellenleiters MS, an der eine Detektorzeile DZ angeordnet ist. Auch hier
hat die Fläche BS' einen Abstand von der Linse L, der ihrer Brennweite f entspricht.
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Die Abmessungen der Anordnung nach Figur 8 sind so gewählt, daß die
aus den beiden Bragg-Zellen BZ2 in den Wellenleiter M3 übertretenden Strohl!ingen
AS sich im Wellenleiter M3 schneiden. An dieser Stelle ist die beiden Bragg-Zellen
gemeinsame Linse L angeordnet.
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Schließlich zeigen die Figuren 9 und 10 zwei Bragg-Zellenanordnungen
mit einer bzw. zwei Bragg-Zellen nach Figur 3. Bei der Anordnung nach Figur 9 durchstrahlt
die an der durch einen Ultraschallwandler W erzeugten Gitterstruktur gebeugte und
die weitere Gitterstruktur G unabgelenkt durchstrahlend Strahlung AS eine auf dem
Wellenleiter BW3 dieser Bragg--Zelle BZ3 ausgebildete geodätische Linse L und trifft
senkrecht auf eine
Seitenfläche SA dieses Wellenleiters, an der
eine Detektorzeile DZ angeorndet ist. Die Seitenfläche SA ist wieder in einem Abstand
von der Linse L angeordnet, der ihrer Brennweite f entspricht. Die von der weiteren
Gitterstruktur abgelenkte Strahlung tritt an einer anderen Seitenfläche SU des Wellenleiters
BW aus. Bei der Anordnung nach Figur 10 grenzt die Seitenfläche SA des Wellenleiters
BW3 einer jeden Bragg-Zelle BZ3 an je eine Seitenfläche SA' eines rechteckförmigen
oder quadratischen Wellenleiters M5, in den die Strahlung AS eintritt. Die beiden
genannten Seitenflächen SA' stehen senkrecht aufeinander, so daß sich die im Wellenleiter
M5 ausbreitenden Strahlungen AS senkrecht schneiden und senkrecht auf gegenüberliegende
Seitenflächen SA" des Wellenleiters M5 auftreffen, an denen Detektorzeilen DZ angeordnet
sind. An der Schnittstelle der beiden Strahlungen AS im Wellenleiter M5 ist eine
beiden Bragg-Zellen BZ3 gemeinsame geodätische Linse zur Durchführung einer Fourier-Transformation
ausgebildet.
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Der Abstand der beiden Seitenflächen SA" von dieser Linse entspricht
wieder deren Brennweite.
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Insbesondere bei den Bragg-Zellen nach Figur 1, 2 oder 4 oder bei
Anordnungen mit solchen Bragg-Zellen empfiehlt es sich, zumindest die brechenden
Trennflächen BF1, BF2, BF3 für die aus dieser Fläche austretende Strahlung durch
eine Einfachschicht oder ein Mehrfachschichtsystem AR zu entspiegeln. Dies ist insbesondere
bei dem Prinzip nach Figur 1 wichtig, um die Restreflexion des ungebeugten Strahls
zu unterdrücken. Ebenso ist es bei allen Ausführungen mit Bragg-Zellen, die nach
dem in Figur 1 gezeigten Prinzip arbeiten, und bei ausreichend hohem Brechungsindex
des Wellenleiters der Bragg-Zelle, beispielsweise bei einem LiNbO3-Wellenleiter
mit einer
Brechzahl von n = 2,2, vorteilhaft, die totalreflektierende
Grenzflache nicht gegen Luft sondern gegen ein aufgekitteten Glaskörper auszuführen,
um die Oberfläche vor Verschmutzung zu schützen und einen geringeren Brechzahl sprung
und somit einen kleineren Einfluß von Gberflächendefekten auf die Streuung der Crenzfläche
zu erreichen. In der Bragg-Zelleninordnung nach Figur 5 ist ein solcher Glaskörper
durch das Medium Ml angedeutet.
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Das Prinzip nach Figur 2 ist besonders für den in der deutschen Patentanmeldung
P 31 38-727.6 vorgeschlagenen hybriden Aufbau eines Frequenzanalysators geeignet.
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1 6 Patentansprüche 10 Figuren
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