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F. Bammer:
"Single Crystal Photoe Elastic Modulators";
TU Wien/Fakultät Maschinenbau, 2008.

Die Arbeit stellt eine grundsätzlich neue Anwendung zweier bekannter elektrooptischer Materialien, nämlich LiTaO3 und LiNbO3, vor. Hierbei werden diese piezoelektrischen Materialien elektrisch auf einer mechanischen Eigenfrequenz angeregt, so dass sich eine starke Resonanz, ähnlich wie bei einem Schwingquarz, einstellt. Die dadurch induzierten starken mechanischen Spannungen im Material führen über den photoelastischen Effekt zu einer induzierten künstlichen Doppelbrechung. Bei geeigneter Durchstrahlung mit polarisiertem Licht wird dessen Polarisation stark moduliert. Zusammen mit einem Polarisationsfilter kann hiermit die Transmission durch die Anordnung zwischen 0 und 100% moduliert werden. Dies ist mit sehr geringen Spannungen um ~5V möglich, was um 2 Größenordnungen geringer ist als die Treiberspannungen von üblichen elektrooptischen Schaltern. Eine wichtige Einschränkung dieser Einkristallmodulatoren ist die fixe Modulationsfrequenz, welche je nach Größe des Kristalls vernünftigerweise im Bereich 50-1000kHz liegt. Trotzdem zeigt die Arbeit interessante Anwendungen auf. Diese betreffen das Güteschalten von Lasern, Ellipsometrie, Pulse-Picking, Time-multiplexing, optische Leistungsregelung.
Beim Güteschalten wird der Modulator zusammen mit einem Polarisationsfilter im Resonator eines Lasers eingebaut und zwingt den Laser zu gepulsten Betrieb. Es ist hierbei leicht mehrere 100kHz bis zu 1MHz Pulsfrequenz zu erzielen, was bisher nicht einfach realisierbar war. Die Durchschnittsleistung bleibt dabei gleich, Anwendungen können Schneiden und Markieren (insbesondere von Glas) sein.
In der Ellipsometrie kann solch einen Modulator zur Modulation der Polarisation des Lichtstrahls, welcher die zu messende Oberfläche abtastet, verwendet werden. Dies führt zu einem besonders kompakten und einfachen Messaufbau, der sehr schnell Messungen durchführen kann und somit in der Qualitätssicherung von optischen Oberflächen verwendet werden kann.
Pulsepicking dient zur Reduktion der Pulsfrequenz von passiv gütegeschalteten Lasern.
Time-multiplexing führt Lichtpulse von verschiedenen Quellen, vorzugsweise Laserdioden, auf einen gemeinsamen optischen Pfad.
Bei der Anwendung als optischer Leistungsregler wird die Leistung eines kontinuierlichen Laserstrahls variabel auf zwei Richtungen aufgeteilt.

This work introduces a new application of two well-known electro-optical materials, namely LiTaO3 und LiNbO3. It is based on an electrical excitation of these piezo-materials on a mechanical eigenfrequency, such that a strong resonance, similar to that of an oscillation-quartz, occurs. The strong mechanical tensions introduced hereby lead via the photo-elastic effect to an induced artificial birefringence. With a proper illumination with polarized light a strong polarisation modulation happens. Together with a polarization filter the transmission can be easily modulated between 0 and 100%. This is possible with very low voltages in the order of ~5V, which is by two orders of magnitude smaller than the driver voltages for electro-optic modulators. An important constraint is the fixed modulation frequency, which depends on the size of the crystal and lies usually in the range 50-1000 kHz. Nevertheless interesting applications are described in the work. These are Q-switching, ellipsometry, pulse picking, time-multiplexing, and optical switching.
In case of Q-switching the modulator is placed together with a polarization filter inside the laser resonator and forces the laser to pulsed operation. It is easy to achieve pulse frequencies in the order of 100-1000 kHz, which cannot be addressed nowadays with state of the art modulators. The average power is hardly affected by the modulation. Possible applications can be cutting and marking (particularly glass).
In Ellipsometry such a modulator can be used for the modulation of the polarization of a light beam, which scans the surface of the specimen. This yields a compact and simple setup, which can do measurements very fast and can therefore be used for high volume quality control.
Pulse-picking is used for the reduction of the pulse frequency of passively Q-switched lasers.
Time-multiplexing guides light pulses from different sources, especially laser diodes, on a common optical path.
For the application as an optical switch the power of a continuous laser beam can be divided into two beams with arbitrary power division.

Photo-Elastic Modulators, LiTaO3, LiNbO3