DE1639030A1 - Optischer Sender oder Verstaerker - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated P₈W. Smith 1

New York, N. Y., 10007 U. S. A.

Optischer Sender oder Verstärker (Laser)

Die Erfindung bezieht sich auf optische Sender oder Verstärker (Laser), insbesondere auf Einfrequenz-Oszillatoren, in denen innere Eigenschwingungsauswahl bewirkt wird.

Das Aufkommen der optischen Sender oder Verstärker mit stimulierbarem Medium hat die Erzeugung und Verstärkung kohärenter elektromagnetischer Wellen im optischen Frequenzbereich ermöglicht wobei sich dieser Frequenzbereich vom weitesten infraroten bis zum ultravioletten Bereich des Spektrums erstreckt.

Wegen der in diesem Bereich vorhandenen extrem hohen Frequenzen, körinen mit solcher Art erzeugten kohärenten Wellen hohe Mengen von Informationen übertragen werden. Die resultierende Ausdehnung des nutzbaren Teils des elektromagnetischen Spektrums ,hat. daher die Zahl der für Nachrichtenübertragungszwecke und dergleichen verfügbaren Frequenzkanäle stark erhöht.

Ein wesentliches Element des optischen Senders oder Verstärkers mit stimulierbarem Medium ist, wenn derselbe als Oszillator betrieben wird, ein auf die stimulierte Emission angepaßter optischer Resonator»

20/1716 BADORlGlNAi.

1839030-

Der Entwurf von Resonatoren bei Frequenzen des Mikrowellenbereichs ist eine vergleichsweise einfache Angelegenheit, typische Resonatorformen haben hierbei Abmessungen, die einer einzelnen Wellenlänge bei der gewählten Frequenz entsprechen. Die Anwendung dieses Resonatorbauprinzips bei optischen Sendern oder Verstärkern ist jedoch wegen der hier extrem kleinen Wellenlänge nicht praktikabel. Es ist daher notwendig, optische Resonatoren zu entwerfen, die in ihren Abmessungen viele tausendmal größer sind als die Ausgangswellenlänge bei der Betriebsfrequenz. Infolgedessen sind Resonatoren für optische Sender oder Verstärker zwangsläufig vielfach Eigenwert-Vorrichtungen. Bei den typischen optischen Resonatoren mit endständigen parallelen Spieg@ln_s wofür der Fabry-Perot-Resonator repräsentativ ist, hat sich gezeigt, daß der Resonator zu einer Beine charakteristischer Schwingungsformen (Resonanz- oder Eigenschwingungen) angeregt werden kann. Diese Eigenschwingungen unterscheiden sich voneinander in der Zahl der Feldänderungen sowohl längs der die beiden endständigen Spiegel verbindenden Achse wie aueh in den zu dieser Achse quer orientierten Ebenen. Alle Eigenschwingungen, die die gleiche Feldverteilung in Querrichtung (Transversalfeldverteilung) besitzen, haben unabhängig von der Anzahl unterschiedlicher axialer oder Longitudinaländerungen den gleichen Beugungsverlust. Diese "Longitudinalresonanzen" werden bei Frequenzen auftreten, für die die Länge des optischen Resonators einem ganzzahügen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.

OFUGINAL

183903α

Liefert daher das stimulierbare Medium des optischen Senders oder Verstärkers Verstärkung über einen ausreichenden Frequenzbereich, so können eine Mehrzahl dieser Longitudinalresonanz-Eigenschwingungen gleichzeitig angeregt werden, obgleich nur die Transversaleigenschwingung niedrigster Ordnung zugelassen ist.

Die Gegenwart zahlreicher Eigenfrequenzen in einem optischen Sender oder Verstärker für Nachrichtenübermittlungszwecke ist jedoch üblicherweise nachteilig. So wird beispielsweise im wesentlichen mehr Leistung in einem optischen Sender oder Verstärker benötigt, der in vielen Eigenschwingungen schwingt, als in einem solchen, der in nur einer einzigen Eigenschwingung schwingt, um die gewünschte wohldefinierte Ausgangslinie als eich klar von der Hintergrundemission abhebend zu erzeugen, Außerdem hat die Anregung zahlreicher Eigenschwingungen auf die Stabilität des optischen Senders oder Verstärkers nachteilige Wirkung, ferner auf den Modulationsprozeß sowie auf den Demodulationsprozeß. Dies sind sämtlich Faktoren, die bei Übertragungssystemen von großer Bedeutung sind, ·

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Resonator für optische Sender oder Verstärker zu schaffen, der ein Eigenschwingungssystem besitzt, bei welchem nur eine einzige von einer Mehrzahl Eigenschwingungen des das stimulierbare Medium enthaltenden Resonators bevorzugt angeregt wird.

V- .,^s- ,BAD OFUGINAL

1839030

Eine Diskrimination nach einer einzigen Longitudinaleigenschwingung kann erreicht werden durch Unterteilen der stimulierten Energie in zwei Teile, von denen ein jeder individuell in räumlich getrennten Resonatoren in Resonanz gebracht wird, wobei diese Resonatoren einen gemeinsamen endständigen Spiegel besitzen. Durch Entwurf des Hilfsresonators der Art, daß er ein schmalbandigeres Reflexionsvermögen als der Hauptresonator besitzt, können die dem Hauptresonator züge- A ordneten unerwünschten Seiten-Eigenfrequenzen unterdrückt werden«

Es wurde jedoch gefunden, daß die tatsächliche Amplitude und Frequenz der resultierenden einzigen Eigenschwingung dazu neigen, zeitlich zu fluktuieren.

Bisher hat man, um eine derartige unerwünschte Drift bei der gewünschten Mittelfrequenz zu überwinden, die Resonanz des Haupthohlraums auf ein stabileres Element "festgebunden". Sowohl ein Resonator« der völlig außerhalb des Resonators des optischen Senders oder Verstärkers ^w gelegen ist, als auch ein Resonator, der zum Teil durch einen Teil des

Resonators des optischen Senders oder Verstärkers gebildet ist, sind als Mittel dafür vorgeschlagen worden, die Stabilität der stimuliert emittierten Ausgangsstrahiung zu verbessern» In jedem Falle jedoch erforderte das Wirkungsprinzip hierbei eine Modulation der Resonanz*· frequenz des Bezugsresonators mit der resultierenden Modulation der Aus gangs strahlung. In vielen Fällen ist eine von Modulation freie stimuliert emittierte Ausgangsstrahlung erwünscht.

009Ö26/17Ü

BAD ORIGINAL

1839030 *"

Eine derartige Ausgangsstrahlung wird entsprechend der Erfindung in einer Vier-Spiegel-Resonatoranordnung erreicht. Hierbei werden Änderungen in der Energiehöhe innerhalb des Hauptresonators dazu benutzt, die Frequenzdrift der aus dem Resonator abgelenkten Wellenenergie zu korrigieren. Im einzelnen ist bei einem erfindungsgemäß amplituden- und frequenz stabilisierten optischen Sender oder Verstärker ein Primärresonator mit einem ersten und einem zweiten enständigen Reflektor vorgesehen, die senkrcht zur Achse des Resonators orientiert sind, ferner ein innerhalb des Primärresonators gelegenes stimulierbares Medium sowie ein Sekundärresonator, der einen der endständigen Reflektoren des Primärresonators und einen weiteren endständigen Reflektor umfaßt, dessen Achse senkrecht zur Achse des Primärresonators orientiert ist. Ein in der Achse des Primärresonators angeordneter Energieteilungskörper zweigt einen Teil der auf den gemeinsamen Reflektor hin laufenden Energie aus dem Resonator für den Verbraucher ab. Der Sekundärresonator ist für optimalen Ausgang justiert, und die Differenz zwischen einer Bezugsspannung und der Energie im Primärresonator wird dazu benutzt, die Resonanz des Primärresonators auf diejenige des Sekundärresonators festzubinden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigenj

Fig. 1 eine halbschematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung des Wirkungsprinzips und Fig. 4A und 4B Diagramme zur Darstellung des unstabilisierten bzw. stabilisierten Ausgangs der Anordnung nach Fig. 1.

Der optische Sender oder Verstärker 10 der Figs, 1 weist ein stimulierbares Medium auf, das in einem eigenschjjringungsselektiven Resonator untergebracht ist. Ein Paar in axialem Abstand voneinander angeordneter paralleler Reflektoren 11, 12 definieren die Enden eines Primärresonators, dessen Länge gleich L + L_ ist. Die Oberfläche der Reflektoren 11 und 12 können eine Metallschicht auf einem dielektrischen Grundkörper aufweisen, oder eine Mehrzahl Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex, wobei jede dieser Schicht eine viertel Wellenlänge bei der gewünschten Betriebsfrequenz dick ist. Soll Energie über die Resonatorenden abgezogen werden, so können einer oder beide der Reflektoren 11 und 12 teildurchlassig gemacht werden. Die Durchlässigkeit beträgt dabei typis eher weise einige Prozent. Ansonsten würde das Reflexionsvermögen der Reflektoren 11 und 12 besser als 99% gemacht.

Ein dritter Reflektor 14, dessen üormale senkrecht zur Achse 15 des Primärresohators orientiert ist, liegt einem Strahlteilkörper oder Energie aufteilkörper 13 gegenüber. Der Reflektor 14 bildet daher über diesen Strahlteilkörper zusammen mit dem Reflektor 12 einen Sefcundärresonator der Länge L -I- L„. Für bestimmte Anwendungsfälle mag es

BAD ORIGINAL

183SO3a

vorteilhaft sein, den Strahlteilkörper 13 unter dem Brewster*schen Winkel anzuordnen. Die Normale des Reflektors 14 würde dann so angeordnet sein, daß der durch die Teile 12, 13 und 14 gebildete Sekundärresonator weiterhin eine resonante Einrichtung bildet. Die Oberfläche des Reflektors 14 ist typischerweise physikalisch ähnlich zu der der Reflektoren 11 und 12, obgleich auch die Krümmung verschieden sein kann. Üer Strahlteilkörper 13 kann beispielsweise ein unter 45 gegenüber der Achse 15 geneigter halbversilberter Spiegel sein, um etwa gleiche Aufteilung der einfallenden Energie zu erreichen» Falls gewünscht, können auch andere Energieaufteilungsverhältnisse verwendet werden. Bei gegebenen Werten für L_t, L₀ und L₄ werden die Reflektoren 11, und 13 so gewählt, daß ihre Krümmungen gleich denen der hierauf einfallenden Lichtstrahlen sind«

Das stimulierbare Medium, das in der dargestellten Anordnung ein Gas oder eine Gasinischung ist, liegt zwischen Reflektor 11 und Strahlteilkörper 13, Bei dieser Anordnung liegt das stimulierbare Medium ausschließlich im Primärresonator, Das stimulierbare Medium ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, in einem Rohr 16 eingeschlossen, dessen Stirnflächen J7 Und 18 gegenüber der optischen Achse etwa um den Brewster^chen Winkel geneigt sind« Das gasförmige stimulierbare Medium kann beispielsweise eine Helium/Neon-Mischung sein, die mit Hilfe einer Hochfrequenz quelle 19 upd das Rohr 16 umgebenden leitenden Streifen 20 angeregt wird. Optische Sender oder Verstärker mit gas-

009826/1710

ORtGlHAt

1 §39038 *"

förmigem stimulierbarem Medium, ebenso die Wirkungsweise derselben ist allgemein bekannt. Falls gewünscht, können zwei identische gasförmige Medien mit einer zwischengeschalteten Methangaszelle, zur Unterdrückung unerwünschter 3, 39-Mikron-Schwingungen verwendet werden. Jedoch unabhängig hiervon kann die Erfindung in gleicher Weise auch bei festen oder flüssigen stimulierbaren Medien ebenso auch bei gasförmigen stimulierbareh Medien anderer als der erwähnten Zusammen- ^ _s "„ setzung Verwendung finden. Auch kann anstelle der dargestellten Hochfrequenzanregung eine Gleichstromanregung vorgesehen sein, falls dies gewünscht sein sollte.

Der Reflektor 14 ist als auf einem Grundkörper 21 montiert dargestellt.

Dieser Grundkörper ist ein piezoelektrisches Material, dessen Abmessungen über einen begrenzten Bereich durch die Zufuhr einer von einer Quelle 22 herrührenden Abstimmspannung steuerbar sind. Wie ersichtlich, kann dann die Resonanzfrequenz des Hilfsresonators der Länge L + L gesteuert werden.

Der Reflektor 11 ist ebenfalls auf einem piezoelektrischen Grundkörper montiert, an den die Spannung eines Gleichstrom-Differenzverstärkers geliefert werden kann. Diese Spannung, die über ein Tiefpaßfilter 24 geht, wird durch einen Vergleich der Ausgangsenergie P_ über die Fotozelle mit einer Bezugsspannung der Quelle 27 erzeugt. Der Verbraucher 34, Tier ein Verstärker, ein Modulator oder irgendeine andere Nachrichten-

009026/1710-'

■'■'' \^,$M"'% _: .. BAD ORIGINAL

Übermittlungskomponente sein kann, ist für die Verwendung eines unmodulierten Eingangs vorgesehen, sowie so angeordnet, um die Energie P₁ zugeführt zu erhalten.

}_■■_■_

In Fig. 2 sind die Logitudinaleigenfrequenzen des Primärresonators für den Transversaleigenwert niedrigster Ordnung durch die kurzen senkrechten Linien längs der Abszisse des Koordinatensystems 28 dargestellt. Die Linienbreite der stimulierten Strahlung in einem üblichen optischen Sender oder Verstärker ist durch die ausgezogene Kurve 2 9 dargestellt. Die Kurve 29 gibt die Frequne ζ abhängigkeit des Energie gewinne pro Durchgang eines Lichtstrahls durch ein typisches stimulierbares Medium wieder. Der Schwellwert, bei dem der Energiegewinn die Energieverluste infolge Streuung, Reflexion und dergleichen übersteigt, ist durch die horizontale Linie 30 dargestellt. Es ist daher ersichtlich, daß sämtliche Eigenwerte, deren Frequenzen zwischen f

"und f, liegen, zu Schwingungen angeregt werden können, wenn nicht Maßnahmen zu deren Unterdrückung getroffen werden. Ebenso ist ohne weiteres einzusehen, daß, da ein Einfrequenz-Ausgang üblicherweise aus technischen Gründen erwünscht ist, derartige Unterdrückungsmaß*· nahmen eher benötigt werden als nicht. .

Ein einfacher Weg für die Auswahl einer einzigen Eigenschwingung ist der, die optische Verstärkung über dem ganzen Emissionsband zu reduzieren oder, als Äquivalent hierzu, den Schwingungseinsatzpunkt

1ΟΟ9β2β/ϊ-71β-

M»mtm Gäfl' . " BAD ORIGINAL

(Schwellwert) zu erhöhen derart, daß letzterer nur von einem engen Teil der Emissionslinie überschritten wird. Ebenso ist es auch möglich, die Länge d des Resonators zu reduzieren, um dadurch den Frequenzabstand zwischen den Eigenwerten zu erhöhen. Diese Maßnahmen haben aber sämtlich den unerwünschten Effekt einer Reduzierung der verfügbaren Ausgangsleistung. *

fe Entsprechend dem Wirkungsprinzip des Drei-Endspiegel-Resonators

wird die Energie eines nach links längs der Achse 15 in Fig. 1 zum Strahlteilkörper 13 laufenden Strahls dort aufgeteilt, ein Teil geht hindurch und läuft über das stimulierbare Medium zum Reflektor 11 des Primärresonators, und der Rest wird reflektiert und läuft zum Hilfsresonator-Reflektor 14, der senkrecht zur Teilachse 32 des Hilfsresonators orientiert ist. Es ist daher ersichtlich, daß eine Sekundär resonanz für eine Energie erzeugt werden kann, die zwischen den Reflektoren 12 und 14 über den Strahlteilkörper 13 läuft. Die Sekundärresonanzeigenschaft beeinflußt die Verluste, der die Energie im durch die Reflektoren 11 und 12 gebildeten Primärresonator ausgesetzt ist, und wird zur Unterdrückung unerwünschter Lagitudinaleigenschwingungen benutzt. Im einzelnen wird der Sekundärresonator so ausgebildet, daß er ein hohes Reflexionsvermögen nur über ein Frequenzband besitzt, das viel enger ist als die Schwingungsbandbreite, die nach Fig. 2 .£ - f

008826/1718.

BAD ORIGINAL

1839030

Sind die verschiedenen Abstände zwischen den Heflektoren 11, 12, 14 und dem Strahlteilkörper 13 gegeben durch L , L-, bzw. L„, so kann die vom Strahlteilkörper 13 längs der Achse 33 abgezweigte Energie P- bei einer gegebenen Wellenlänge Λ ausgedrückt werden durch .4RsU₁ ²

T² ₊ 4R sin²

wenn R und T das Reflexionsvermögen bzw. Durchlaßvermögen des Strahlteilkörpers bedeuten» Von den Reflektoren 11, 12 tmd 14 ist angenommen, daß deren Reflexionsvermögeii R «* 1 ist» Durch Abstimmen des Hilfsresonators der Art, daß ein hohes spezifisches Reflexionsvermögen bei i_n gesehen vom Primärresonator aus_s vorhanden ist, wird eine kleine Änderung-in. der Wellenlänge zu einer großen Änderung in der Dämpfung der Seiten-Eigensehwingungsenergie führen» Dies deshalb, weil derartige Eigenschwingungen, die üblicherweise einen Frequenz abstand in der Größenordnung 150 Megaherz von der gewünschten Mittelbetriebsfrequenz f_ft haben, gekennzeichnet sind durch einen beträchtlich niedrigeren Reflexionskoeffizienten, Das Abstimmen des Hilfsresonators kann durch richtige Einstellung entweder von aus L„ oder von aus L_ erfolgen, obgleich es häufig einfacher ist L_ zu variieren, also die Primärresonatorlänge ungeändert zu lassen. Die Gesamtlänge L + L„ des Hilfsresonators wird normalerweise so gewählt, daß sie viel kleiner ist als die Gesamtlänge L + L_ des Primärresonators.

009820/1718

1839030

In Fig. 2 ist die Wirkung des hinzugefügten Hilfsresonators dargestellt durch die gestrichelte Dämpfungskurve 31, die einen Teil der periodischen Reflexionskennlinie des Hilfsresonators ist. Es ist zweckmäßig* den Hilfsresonator als einen zusammengesetzten Reflektor senkrecht ' zur Hauptstrahl-Fortpflanzungsrichtung längs der Achse 15 zu betrachten. Ein derartiger Reflektor ist gekennzeichnet durch ein periodisches schmalbandiges spezifisches Reflexionsvermögen, der, wenn bei der gewünschten Frequenz f des Primärresonators zentriert, als hochreflektierender Endspiegel mit zugeordneter niedriger Dämpfung wirkt. Alle übrigen Frequenzen innerhalb der Periode des Hilfsresonators sind niedrigerem spezifischen Reflexionsvermögen demgemäß höherer Dämpfung ausgesetzt, wie dies in Fig. 2 dargestellt iet. Die Periodizität S der Kurve 31 ist L/(^L ₂ +L-) mit c gleich der Lichtgeschwindigkeit. Die Resonanzbreite öS ist in der Hauptsache durch das spezifische Reflexionsvermögen des Strahlteilkörpers 13 bestimmt. Für höhere spezifische Reflexionsvermögen ist die Breite bS kleiner. Bei einer optischen Sender- oder· Yerstärkeranordnung, bei der die Seitenfrequenzen dicht beieinander liegen^, kann es notwendig sein, das spezifische Reflexionsvermögen des Strahlteilkörpers 13 auf mehr als die vorstehend erwähnten 50% anzuheben, damit die benachbarten Seitenfrequenzen des Hauptresonators daran gehindert werden in den Bereich niedriger Dämpfung der Kurve 31 zu fallen» Ist der Hilfsresonator richtig abgestimmt, so sind die Dämpfungswerte bei von der gewünschten Frequenz f_fl .

OO9820/171g

BAD ORfQlNAL

entfernten Schwingungsfrequenzen erhöht^, wodurch die Gesamtverstärkung unterhalb des Schwellwertes gedrückt wird, bei dem Schwingung noch aufrechterhalten werden kann» Das Ergebnis ist eine intensivere Emission bei der einzigen gewünschten Frequenz,,

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß vorgesehenen Rückkopplungs·= systems kann anhand der Fig_o 1 erläutert werden,, Die drei reflektierenden Elemente 12, 13. und "14," die den Hilf sr esonator bilden, wer den wiederum als ein einziger Spiegel variablen spezifischen Reflexions-Vermögens betrachtete wie dies bereits erläutert worden ist. Wenn der Drei-Spiegel-Endreflektor auf Resonanz bei einer gegebenen Frequenz abgestimmt ist, so wird sämtliche bei dieser Frequenz einfallende Energie in den Hohlraum des optischen Senders oder Verstärkers zurückreflektiert, und nichts wird ausgekoppelt. Das heißt, es ist Ρ, ■ 0. Wird die Abstimmung des Drei-Spiegel-Endreflektors geändert, so wird ein Teil der einfallenden Energie aus dem System abgelenkt und P₁ wird größer als 0. Für ausreichend große Verstimmung wird die Dämpfung wegen dieser Energie auskopplung im System so groß,, daß der optische Sender oder Verstärker nicht schwingen wird» Eine weitere Verstimmung in der gleichen Richtung wird veranlassen, daß Schwingung bei einer Frequenz beginnt_s die dicht bei der nächsten Resonanzstelle des Verstärker- oder "Senderresonators li:egt_o

Das RüekkopplungssiswexHmgephsnoBaea kann verstanden w®rden_s wenn

der Energie ausgang am Spiegel 23 mit P_ bezeichnet wird und die Relativwerte von P und P überwacht werden« Unter den Bedingungen, bei denen der Brei-Spiegel-Reflektor auf Resonanz bei einer Resonanz» frequenz des Sender- oder Verstärkerresonators abgestimmt ist, wird die gesamte einfallende Energie in den Sender- oder Verstärksrresonator zurückreflektiert_s und P « 0„ Gleichzeitig jedoch ist, da dies dem höchsten spezifischen Reflexionsvermögen des Drei-Spiegel-Systems entspricht, die Energie im Hauptresonator und damit auch P- ein Maximum«·, Wenn die Abstimmung des Drei-Spiegel-Reflektors in einer der beiden Richtungen geändert wird, nimmt das effektive spezifische Reflexionsvermögen ab, weil ein großer Bruchteil der einfallenden Energie aus dem System, ausgekoppelt wird_a und P₀ nimmt ab. Schließ-, lieh hört die Schwingung auf und sowohl P und P_ sind Null. Es ist

ία

sonach offensichtlich^ daß P- durch ein Maximum während dieses Prozesses geht/ und daß dieses Maximum, auftritt^, wenn, die Verstimmung zu einer optimalen Ausgangsauskopplung aus dem System führt.

Fig. 3 zeigt gleichzeitig experimentelle Beobachtungen von P und P als Funktion der Drei-Spiegel-Reflektorabstimmung unter Verwendung des optischen Senders oder Verstärkers nach Fig. 1 zu Versuchszwecken. P, ist als Kurve 40 aufgetragen und P„ als Kurve 41. Wird der optische

Sender oder Verstärker so abgestimmt, daß er bei einer Frequenz F₁ arbeitet., die einer der Maxima von P- entspricht^, so verursacht eine' kleine FrecpieasverscMeistmg {W^ "-F₁) ®i®@ &%%&$$. Axaplitudenänderung

009826/1710

BAD ORIGINAL J

V.' . Υ' - - 1039030

4*

a, in P , aber eine viel größere Änderung a „ in P₀ Das Vorzeichen der Änderung in P₀ hängt von der Richtung dieser Frequensverschiebung ab. Daher kann durch Überwachen von P bei auf ein Maximum von P₁ abgestimmtem optischen Sender oder Verstärker ein Signal erhalten werden, dessen Amplitude zunimmt, wenn die Frequenz des optischen Senders oder Verstärkers in der einen Richtung wegläuft aber abnimmt, wenn die Frequenz in der anderen Richtung wegläuft. Dieses Signal kann dann zum Erhalt eines Korrektions signals verwendet werden, das einer piezoelektrischen oder anderweitig ansprechenden Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung des optischen Senders oder Verstärkers zuzuführen ist.

Es ist daher ersichtliche dal ctes* Drei-Spiegel^Resonator als stabiler Bezugsresonator verwendet wird, und daß die Hauptfreqtienz des Resonators des optischen Senders oder Verstärkers auf die Frequenz des Bezugsresonators festgebunden ist. Der Drei-Spiegel»Resonator sollte daher so stabil wie möglich ausgebildet werden. Jegliches langsame Weglaufen seiner Resonanzfrequenz, beispielsweise infolge thermischer Effekte, sollte korrigiert werden durch Verwendung einer Rückkopplungsschleife mit niedriger Zeitkonstante und durch Ableiten eines Signals von einer äußeren Absorptionszelle. Auf diese Weise kann absolute Frequenzstabilität aufrechterhalten werden.

Ein experimentelles Modell des frequenzstabilisierten optischen Senders

009826/1716

BAD

oder Verstärkers ist unter Verwendung von Helium/Neon als stimulier·» .bares Medium aufgebaut worden. Die Abmessungen waren: L + L » 280 cfflj L + L_ * 10 cm. Die Spiegel 11 und 12 waren konkav mit einem Krümmungsradius-von 14, 00 m und der Spiegel 14 war konvex mit _; einem Krümmungsradius von 14, 85 m. Der Spiegel 13 war ein Planspiegel mit einem Reflexionsvermögen von 65 % bei 45' Grad. Der verwendete optische Sender oder Verstärker war aus zwei 130 cm langen hintereinander geschalteten 4mm Rohren aufgebaut, wobei der Zwfschenraum zwischen den beiden Rohren mit Methangas gefüllt war, um gleichzeitig die 3, 39 Mikron-Schwingung zu reduzieren. Längs der Rohre des optischen Senders oder Verstärkers waren zum gleichen Zweck auch Mögnete angeordnet. Bei diesem Aufbau wurde^ gefunden, daß 50 Milliwatt Einfrequenz-Ausgangsleistung erhalten werden konnte. Diese Leistung neigte dazu in einer Transversaleigenschwingung zweiter Ordnung zu erscheinen. Aber durch leichtes Ausblenden des Strahls konnten 45 Milliwatt zuverlässig bei der Transversalgrundeigenschwingung erhalten werden. Diese Ausgangsleistungen wurden unter Verwendung einer Sonnenzelle gemessen, die mit Hilfe einer entsprechend den No rravor Schriften des'^iational Bureau of Standards¹¹ geeichten Thermo« säule geeicht worden war. Der Einzel-Eigenschwingungsbetrieb wurde durch Beobachtung des Ausgangs mit einem Abtastinterferometer ger prüft. ~ . -.".-,;.

009826/ 171 S

Die mechanische Halterung für die Spiegel 11,, 12 und 14 wurde so stabil wie möglich unter Verwendung massiver Spiegelfassungen und durch Befestigen derselben auf Invar-Halteplatten gemacht» Die Innenräume der Spiegelfassungen wurden mit Silikongummi gefüllt und die ganze Anordnung wurde mit einer Bleiabschirmung umgeben, die auf einer Schaumgummilage "ächwamm",

Die Wandler elemente 21, 23 waren 2, 45 χ 2,45 cm große piezoelektrische Keramikzylinder. Die Zeitkonstante für die erste mechanische Resonanz der Wandler-Spiegelkombination lag in der Gegend von 1 KHz und das Tiefpaßfilter im Rückkopplungs system war so eingestellt, daß die Schleifenverstärkung bei dieser Frequenz unterhalb eins fiel. Daher war das experimentelle Rückkopplungs system nur in der Lage, mechanische Schwingungen bei Frequenzen ausreichend unterhalb 1 KHz aus zukorrigieren. Nichtsdestoweniger wurde durch Beobachten der Fluktuationen in der Ausgangsleistung gefunden, daß der Resonator des optischen Senders oder Verstärkers auf den Bezugsresonator innerhalb 1 Megaherz festgebunden werden konnte, was gleichbedeutend ist

mit etwa +2 Teile auf 10 . Die Anordnung wurde unter normalen Laboratoriumsbedingungen betrieben, obgleich das Experiment auf einem stabilen Spezialtisch durchgeführt und darauf geachtet wurde, die Spiegelfassungen vor akustischen Schwingungen zu schützen.

Das Bückkopplungssystem stellt den Arbeitspunkt des optischen Senders

0 0902 6/171 β

oder Verstärkers so ein, daß P₀ in der Fotozelle eine Spannung erzeugt, die praktisch immer gleich der Bezugs spannung 27 ist. Es ist daher durch Ändern der Bezugsspannung möglich, den Arbeitspunkt und folglich P kontinuierlich zu ändern. Normalerweise ist die Bezugsspannung so eingestellt, daß P₁ nahezu ein Maximum ist,-

Fig. 4A zeigt ein Diagramm der Ausgangsleistung als Funktion der Zeit ohne Rückkopplung. Es ist ersichtlich, daß die Ausgangsleistung, die durch die "Zitterlinie'¹ 42 dargestellt ist, sich innerhalb einer Minute beträchtlich ändert.

Fig. 4B zeigt anhand der Kurven 43 und 44 die Wirkung des Rückkopplungssystems. Da die Größe der mechanischen Bewegungen anhand des Rückkopplungssignals ermittelt werden kann, wenn man beachtet, daß eine Frequenzänderung von 0/2(L₁ + L) [* 54 MHz"] einer Änderung der Resonatorlänge des optischen Senders oder Verstärkers von λ /2 entspricht, kann der Resonator des optischen Senders oder Verstärkers als auf den Bezugsresonator auf +1 MHz festgebunden betrachtet werden* Wegen des benutzten Schreibers, der auf Frequenzen oberhalb 70 Hz nicht anspricht, wurde ein Prüfversuch mit Hilfe eines Oszillographen durchgeführt, um zu bestätigen, daß keine hochfrequenten Fluktuationen im Ausgang vorhanden sind, die anzeigen würden, daß die Kurzzeitstabilität schlechter als +1 MHz wäre.

0ÖS82B/171S

163903(1 "**.

Der freqüenzstabilisierte optische Sender oder Verstärker ist anhand einer über einen der Endreflektoren des Primärresonätors entnommenen Ausgangsleistung P₉ beschrieben worden. Falls gewünscht, können die Bndreflektoren maximal reflektierend ausgebildet werden, und es kann die Primärhohlraum-L·eistüng an einem der beiden unter dem Brewster¹ sehen Winkel angeordneten Fenster 17 und 18 überwacht werden. Zahlreiche andere Abwandlungen sind möglich*

26/17 16

BAÖ ORiQiNAL

Claims (1)

Patentansprüche

1. Einfrequenter optischer Sender oder Verstärker mit einem optischen Primärresonator, der zwei senkrecht zur Resonator achse (15) orientierte einander gegenüberstehende Reflektoren (11,12) aufweist, einem im Primärresonator liegenden stimulierbaren Medium (16), dessen Verstärkungskennlinie sich über eine Mehrzahl Frequenzen (f " ^fu) einschließlich der gewünschten Ausgangsfrequenz (f) erstreckt, bei denen der Primärresonator resonant ist, einem in der Resonatorachse (15) und zwischen den beiden Reflektoren (11,12) liegenden Strahlteilungskörper (13), der so orientiert ist, daß ein Teil der vom einen Reflektor (12) aus in Richtung des stimulierbaren Mediums (16) laufenden Strahlungsenergie aus dem Primärresonator abgezweigt wird, und einem dritten Reflektor (14), der außerhalb des Primärresonators und senkrecht zur Richtung-(32)- der abgezweigten Strahlungsenergie angeordnet ist, wobei der dritte Reflektor (14) über den Strahlteilungskörper (13) mit dem einen Reflektor (12) einen Hilfsresonator bildet, der bei der gewünschten Ausgangsfrequenz r.esonant ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung (26) zum Abtasten der Strahlungsenergiehöhe (P₀) im Primär resonator (11,12) vorgesehen ist, sowie eine Einrichtung (25) zum Ableiten eines Fehlersignals anhand eines Vergleichs der abgetasteten Strahlungsenergiehöhe (P₀) mit einem Bezugswert (27), und daß das Fehler signal zur Lagesteuerung

009826/1716

des anderen Reflektors (11) des Primärresonators (11,12) vorgesehen

2» Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch l_t dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteilungskörper (13$ zum Auskoppeln von
Strahlungsenergie (PJ bei der gewünschten Ausgangsfrequenz |f_Q) aus den Resonatoren (11,12; 12,l3> 14) zu einem für den Empfang von un~
modulierter Strahlungsenergie (P-) ausgelegten Verbratteher (34) vorgesehenist. ^