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Anordnung zur Modulation der Strahlung eines Lasers
Die physikalischen Grundlagen, die zur Erzeugung oder Verstärkung kohärenter monochromatischer Strahlung in Maser- bzw. Laseranordnungen führen, sind allgemein bekannt. Die Beschreibung der Erfindung zur Modulation von nach dem Maser-bzw. Laserprinzip erzeugter oder verstärkter Strahlung kann sich daher auf die für die Erfindung wesentlichen physikalischen Einzelheiten beschränken. Im allgemeinen wird die Modulation der Laserstrahlung, beispielsweise die Modulation der Laserstrahlung mit einer Nachricht zum Zweck der Übertragung dieser Nachricht, in der Weise durchgeführt, dass die von einem Laser erzeugte Strahlung in einer Modulationseinrichtung ausserhalb des eigentlichen Laserresonators, d. h. des Systems, in dem die Strahlung erzeugt wird, vorgenommen wird.
Verwendet werden als Modulationseinrichtungen vorzugsweise in ihrer Wirkung steuerbare elektrisch doppelbrechende Zellen zusammen mit einem Analysator und, soweit dies erforderlich ist, einem Polarisator. Solche Anordnungen sind beispielsweise unter Verwendung des elektrisch doppelbrechenden Nitrobenzols realisiert worden.
Allgemein haben die Anordnungen, die eine Modulation der Laserstrahlung ausserhalb des eigentlichen Laserstrahlerzeugersystems bewirken (im folgenden als externe Modulation bezeichnet), die nachteilige Eigenschaft, dass sie zur Erreichung eines grösseren Modulationsgrades, z. B. grösser als 0,2, insbesondere bei höheren Frequenzen, etwa im Bereich von MHz und GHz enorm hohe Steuerleistungen erfordern.
In der Zeitschrift für Physik 172 (1963), 5. 1. 63 wurde ein Verfahren zur Modulation von Laserstrahlung vorgeschlagen, bei dem die Modulation der Laserstrahlung in den Laserresonator verlegt worden ist. Dieses, im folgenden als interne Modulation bezeichnete Verfahren hat gegenüber der externen Modulation den wesentlichen Vorteil, mit sehr viel kleinerer Modulationsleistung einen etwa gleich gro- ssen Modulationsgrad wie bei externer Modulation zu erreichen.
Bei der internen Modulationsart wird die Leistung der im Laserresonator enthaltenen Strahlung, d. h. die im Resonator enthaltene Blindleistung gesteuert. Unter Blindleistung ist hier die gesamte im Laserresonator enthaltene, durch induzierte Emission erzeugte Laserstrahlungsleistung zu verstehen. Diese Steuerung wird z. B., wie in der zitierten Literaturstelle näher ausgeführt, durch die Wirkung eines steuerbar doppelbrechenden Kristalles, der in dem Laserresonator im Strahlengang der Laserstrahlung angeordnet ist, erreicht.
Von der im Laserresonator enthaltenen steuerbaren Strahlungsleistung wird ein Teil als modulierte Laserstrahlung ausgekoppelt.
In der Tatsache, dass bereits modulierte Strahlung aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird, liegt der offensichtliche Unterschied der internen Modulationsart gegenüber der externen, denn bei letzterer wird die auszusendende Strahlung unmoduliert ausgekoppelt und erst dann moduliert.
Dieses vorgeschlagene Verfahren der internen Modulation stellt eine der Steuerung entsprechende Güteänderung des Laserresonators dar, hat aber den Nachteil, dass diese bei Steuerung eintretende Güte- änderung die Höhe der Modulationsfrequenz eines solchen Resonators praktisch auf etwa 10-100 MHz
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begrenzt ; ausserdem steigt in diesem Bereich die erforderliche Modulationsleistung mit der Modulationsfrequenz sehr stark an.
Bei dieser internen Modulation wird also durch das Prinzip der Modulation durch Änderung der Güte des Laserresonators die Höhe der maximalen Modulationsfrequenz und damit auch die maximal verfügba- re Bandbreite in Abhängigkeit vom möglichen Aufwand an Modulationsleistung begrenzt.
Bei der externen Modulation ist zwar die Bandbreite allgemein gesprochen nicht begrenzt, jedoch ist es dort, wie oben erwähnt, nicht möglich, unter vertretbarem Aufwand an Modulationsleistung mit hohem Modulationsgrad modulierte Laserstrahlung, d. h. Strahlung mit hohem Signalanteil, zu erhalten.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, bei einer Anordnung zur Modulation von nach dem Laserprinzip erzeugter Strahlung mit im Strahlengang der im Resonator verlaufenden Strahlung angeordneten Modulations- und Auskoppelmitteln zur Variation der Intensität der ausgesendeten Strahlung diese bisher als unvermeidlich angesehene Verknüpfung von Aufwand an Modulationsleistung und oberer Frequenzgrenze der Modulation und/oder dem Modulationsgrad unwirksam zu machen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer solchen Anordnung die Laserstrahlung unter möglichst geringem Aufwand an Modulationsleistung mit hohen Frequenzen, insbesondere grösser als etwa 1 GHz, vorzugsweise in einer vereinfachten Anordnung mit Signalen mit Bandbreiten bis zu etwa 1 GHz, zu modulieren.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, diese Anordnung bei Modulation mit breitbandigem Signal so auszuführen, dass der Laser, in dem die Laserstrahlung erzeugt und moduliert wird. bei möglichst gro- sser abgegebener Signalleistung möglichst wenig gedämpft wird, d. h. ihm dabei möglichst wenig Strahlung abverlangt wird. Die Lösung dieser Aufgabe hat allgemeines Interesse, weil es schwierig ist, mit Laseranordnungen Strahlungsintensitäten verfügbar zu machen, die für Nachrichtenübertragung ausreichend hoch sind, so dass ihr Signalanteil noch ausreichende Intensität hat.
Eine weitere Aufgabe ist es, bei der genannten Anordnung einen hohen Modulationsgrad zu erzielen, insbesondere eine 2-Seitenband-modulierte Laserstrahlung mit unterdrücktem oder mit gegenüber der Seitenbandleistung nur sehr kleinem Träger zu erzeugen, d. h., dass der Anteil der insgesamt ausgekoppelten Strahlungsleistung, der dem aufmodulierten Signal entspricht und dieses überträgt, gross ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Laserstrahlung mit möglichst geringem Klirr- faktor im modulierten Signal zu modulieren.
Diese Aufgaben der Erfindung können auch in unterschiedlicher Weise kombiniert gestellt sein.
Die genannten Aufgaben lassen sich mit einer Anordnung zur Modulation von nach dem Laserprinzip erzeugter kohärenter Strahlung, insbesondere optischer Strahlung, mit im Strahlengang der im Resonator verlaufenden Strahlung angeordneten Modulations- und Auskoppelvorrichtungen, die die im Resonator verlau - fende Strahlung modulieren und einen Teil dieser modulierten Strahlung abzweigen und auskoppeln, gemäss der Erfindung dadurch lösen, dass die einen oder die mehreren Modulations- und Auskoppelvorrichtungen, die durch ihr Zusammenwirken bei der Modulation der im Resonator verlaufenden Strahlung von der Trägerleistung dieser modulierten Strahlung nur einen geringeren Anteil als von der Seitenbandleistung die- ser Strahlung auskoppeln.
Die Seitenbandleistung ist der Anteil der aus dem Resonator ausgekoppelten, mo- dulierten Strahlung, der die eigentliche Modulation, d. h. den z. B. zu übertragenden Informationsinhalt dieser Strahlung darstellt.
Die oben erwähnte Aufgabe, die Verknüpfung von Aufwand an Modulationsleistung und oberer Frequenzgrenze unwirksam zu machen, wird durch die Anwendung der speziellen Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung gelöst, die im folgenden als Gegentaktmodulation bezeichnet wird, und für die die speziellenAusführungsbeispiele der Fig. 3, 4, 5 und 6 angegeben sind. Bei dieser Anordnung wird, trotz Auskopplung eines mit einem Signal modulierten Strahles aus dem Laserresonator, die Güte des Resonators konstant gehalten, so dass bei geringem Aufwand an Modulationsleistung mit hohen Frequenzen und gro- ssen Bandbreiten modulierte Strahlung erzeugt werden kann.
Für die Lösung der oben erwähnten Aufgabe, mit möglichst geringem Aufwand bei hohen Frequenzen, vorzugsweise mit Bandbreiten bis zu 1 GHz, zu modulieren, sind die Ausführungsformen der einfachen Auskoppelmodulation besonders zweckmässig, zu der die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 gehören.
Minimale Dämpfung des Lasers bei entsprechend grösstmöglicher Signalleistung wird erreicht, wenn man erfindungsgemäss die Anordnung so betreibt, dass bei fehlendem Modulationssignal keine Strahlungsintensität dem Laser entnommen wird. Auf die oben beschriebene erfindungsgemässe Weise kann insbesondere mit hohem Modulationsgrad modulierte 2-Seitenband-modulierte Strahlung erzeugt werden, die bei der erfindungsgemässen Anwendung des bekannten linearen elektrooptischen Effektes ein Minimum an Klirren im modulierten Signal aufweist.
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Bei der bekannten internen, sogenannten inneren Modulation (K. Gürs, "Zeitschrift für Physik", 172, S. 163-171, Jg. 1963) wird im wesentlichen die Intensität der im Resonator gespeicherten Strahlungsenergie gesteuert und ein durch die Anordnung gegebener fester Anteil der im Resonator gespeicherten Intensität als modulierte Strahlung ausgesendet, d. h. aus dem Resonator ausgekoppelt.
Bei der Modulationsart, die der erfindungsgemässen Anordnung zugrunde liegt, wird jedoch die Intensität der im Resonator gespeicherten Strahlung durch die Modulation entsprechend dem erfindungsgemässen Gegentaktprinzip gar nicht oder entsprechend der erfindungsgemässen internen Auskoppelmodulation nur wenig variiert. Die Intensität der im Resonator gespeicherten Strahlung kann bei der erfindungsgemässen Anordnung einer hochfrequenten Modulation, z. B. höher als 1 GHz, nur noch unvollkommen folgen.
Die dabei auftretenden Schwankungen der gespeicherten Intensität werden, wie noch ausführlicher beschrieben wird, sogar bewusst so klein gehalten, dass kein störendes Klirren des modulierten Signals durch diese Schwankungen hervorgerufen werden kann. Die Anordnung der Gegentaktmodulation ermöglicht sogar, die Schwankungen ganz zu eliminieren.
Die erfindungsgemässe Anordnung kann, wie bereits erwähnt und wie aus der Beschreibung noch näher hervorgeht, durch verschiedene Ausführungsformen realisiert werden. Eine weitgehend allgemein verwendbare Art der Ausführung der Anordnung ist die folgende. Es handelt sich dabei darum, dass von den Reflexionsanordnungen, die den Strahlengang der Laserstrahlung im Resonator durch das laseraktive Material, z. B. Rubin, hindurchlenken, eine oder mehrere so ausgebildet sind, dass ihr Reflexions- und Durchlassvermögen für die Laserstrahlung steuerbar ist. Die steuerbare Reflexionsanordnung wirkt direkt auf die im sogenannten Laserresonator verlaufende Strahlung und lässt einen entsprechend der Steuerung des Refle- xions- und Durchlassvermögens veränderlichen Anteil dieser Strahlung austreten.
Die Reflexionsanordnungen, die allgemein Begrenzungen des Resonators sind, sind als zu dem Resonator zugehörig anzusehen.
Die spezielle Art der Ausführung der erfindungsgemässen Anordnung ist gekennzeichnet durch eine für die im Resonator verlaufende Strahlung teildurchlässige Reflexionsanordnung des Resonators als Modulations- und Auskoppelvorrichtung, deren Reflexions- und Durchlassvermögen (R und D) zugleich durch ein elektrisches Feld steuerbar ist (Fig. l, 3).
Das Reflexionsvermögen R des Steuerorgans ist der Prozentsatz der im Resonator auf das Steuerorgan auftreffenden Strahlung, der vom Steuerorgan wieder reflektiert wird, das Durchlässigkeitsvermögen ist der Prozentsatz der auftreffenden Strahlung, der vom Steuerorgan durchgelassen wird. Der vom Steuerorgan durchgelassene Anteil der im Resonator verlaufenden, auf das Steuerorgan auftreffenden Strahlung ist der aus dem Resonator entsprechend der Steuerung des Steuerorgans moduliert auftretende, ausgekoppelte Strahl.
Unter"zugleich steuerbar"ist zu verstehen, dass sich R und D bei der Steuerung durch das elektrische Feld in entgegengesetzter Weise ändern, d. h., wenn R des Steuerorgans grösser wird, wird die Durchlässigkeit D kleiner und umgekehrt. Insbesondere kann bei der Steuerung die Summe von R und D konstant sein.
Diese spezielle Art der Auskopplung der internen Auskoppelmodulation ermöglicht es, z. B. unter Aufwand von nur geringer Modulationsleistung einen zig modulierten Laserstrahl hoher Intensität aus dem Resonator auszukoppeln. Dies ist leicht einzusehen, wenn man bedenkt, dass schon bei kleiner Modulationsleistung, d. h. bei kleinem Grad der Auskopplung auf Grund der im Laserresonator befindlichen hohen Intensität absolut gewertet eine hohe Intensität ausgekoppelt werden kann. Bei Modulation der Laserstrahlung ausserhalb des Resonators wirkt die Modulationsleistung dagegen nur auf eine gegenüber der im Resonator befindlichen Strahlungsintensität zum Zeitpunkt der Modulation wesentlich schwächere, zum Zeitpunkt der Modulation bereits ausgekoppelte Strahlungsintensität.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung kann ausserdem ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad des Lasers erzielt werden. Unter"Gesamtwirkungsgrad"ist dabei das Verhältnis der Signalleistung im ausgekoppelten Laserstrahl zur Strahlungsleistung der im Laserresonator erzeugten und von ihm ausgesendeten Strahlung zu verstehen.
Weitere Einzelheiten dieser speziellen Art der Ausführung der Erfindung gehen aus der Beschreibung der Zeichnungen eines diesbezüglichen bevorzugten Ausführungsbeispieles hervor.
In Fig. l stellt 1 den eigentlichen laseraktiven Teil der gesamten Anordnung, beispielsweise einen stabförmigen Einkristall, wie etwa Rubin oder auch ein mit einem oder mehreren laseraktiv wirkenden Gasen gefülltes Rohr, dar. 1 kann auch ein Halbleiterkörper mit einem pn-Übergang oder einer Übergangszone zwischen Bereichen verschieden hoher Dotierung sein, der bei entsprechender Materialauswahl und Dimensionierung bekanntlich ebenfalls als laseraktives Material verwendet werden kann.
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Unter"laseraktiv"ist zu verstehen, dass in dem betreffenden Medium, dem diese Eigenschaft zukommt, durch Umbesetzung von Energietermen ein Überwiegen der stimulierten Emission gegenüber der Absorption und der spontanen Emission von Strahlung bestimmter Frequenz möglich ist. Wie diese Umbesetzung erreicht wird, hängt von den jeweils zu verwendenden Medien in an sich bekannter Weise ab und ist in den Zeichnungen nicht berücksichtigt.
Üblicherweise werden derartige Laserstoffe zwischen zwei Reflexionsflächen 2 und 2'so angeordnet, dass sich stehende Wellen der Laserstrahlung wie in einem Resonator zwischen den Reflexionsflächen 2 und 2'ausbilden. In unserem Beispiel ist 2 eine für die Laserstrahlung teildurchlässige Reflexionsfläche, so dass ein Teil der Strahlung 3, die in der Laserresonatoranordnung verläuft, durch 2 hindurchtreten kann.
Gemäss der Erfindung ist nun auf der Seite von 2 des Teiles 1, wie in den Zeichnungen ersicht lich, eine weitere für die Laserstrahlung teildurchlässige Reflexionsfläche 4 parallel zu 2 ausgerichtet angeordnet, wobei sich jeweils zwischen 2 und 4 das eigentliche, noch näher zu beschreibende Steuerglied 5 befindet. 2 ist, ausser fur Strahlung aus 1, auch für Strahlung von 4 her kommend reflektierend. Diese Anordnung, welche aus 2, 4 und 5 besteht, \\irkt wegen 5 als in seinem Reflexionsvermögen steuerbaren Interferenzspiegel für die Laser-Resonatorstrahlung und wird im folgenden so bezeichnet. Er wird von dem aus 1 durch 2 hindurch austretenden Anteil 6 der Strahlung 3, allgemein einige Prozent der in 1 als 3 hin-und herlaufenden Strahlung durchsetzt.
Gemäss der Erfindung ist der steuerbare Interferenzspiegel so aufgebaut, dass er, abhängig von einer vorzusehenden Steuerspannung, einen mehr oder weniger grossen Anteil der Strahlung 6 als 7 aus dem System austreten lässt. Auf diese Weise kann erfindungsgemäss ein modulierter Strahl aus dem Laserresonator, zu dem wie oben definiert, der Interferenzspiegel gehört, ausgekoppelt werden.
Der in diesem Ausfuhrungsbeispiel verwendete steuerbare Interferenzspiegel, der aus Reflektoren 2,4 und 5 besteht, hat maximale Durchlässigkeit, wenn die optische Weglänge zwischen den Reflektoren 2
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stehende Wellen der Laserstrahlung im Interferenzspiegel ausbilden können.
Eine geringe Änderung der optischen Weglänge zwischen 2 und 4 in dem vorher wie oben angegebenen abgestimmten Interferenzspiegel bewirkt, dass sich keine stehenden Wellen der Laserstrahlung mehr ausbilden können und dass der durch die Interferenzspiegel hindurchtretende und als 7 austretende Strahl steuerbar in seiner Intensität geschwächt wird. Durch die steuerbare Veränderung der optischen Weglänge in dem Interferenzspiegel wird also die aus dem Laser austretende Strahlung 7 moduliert.
Eine Änderung der optischen Weglänge - es kommen Weglängenänderungen bis zu einigen 1/10 der Wellenlänge in Frage-kann beispielsweise durch Einfügen eines in seinem Brechungsindex steuerbaren Mediums 5 erreicht werden. Davon abgesehensind auchandere Steuerungsverfahren für die Interferenzspiegel anwendbar, z. B., dass der Spiegelabstand zwischen 2 und 4 auf mechanische Weise verändert wird. Allgemein werden dabei aber maximal zu kleine Modulationsfrequenzen erzielt, so dass die mechanische Veränderung nur in Einzelfällen sinnvoll erscheint.
Es sei erganzend erwähnt, dass zur Verstärkung des Steuereffektes auch mehrere, insbesondere gleiche derartig steuerbare Interferenzspiegel hintereinander angeordnet werden können. Ein für den Aufbau der erfindungsgemässen Anordnung verwendbarer Interferenzspiegel kann auch in an sich bekannter Weise aus mehreren aneinandergereihten dielektrischen Schichten mit aufeinanderfolgend voneinander unterschiedlichen Brechungsindices, die bei einer oder mehreren Schichten steuerbar sind, bestehen. Die Dicke der einzelnen Schichten wird, wie dies für derartige Schichten bekannt ist, so gross gewählt, dass Interferezen auftreten können.
Für den Aufbau des steuerbaren Interferenzspiegels empfiehlt sich für 5 beispielsweise die Verwendung von Kaliumdihydrogenphosphat (KDP)-Kristallen. Diese besitzen, in bestimmter Orientierung in ein elektrisches Feld gebracht, einen durch die Grösse der elektrischen Feldstärke steuerbaren Brechungsindex, der bekannterweise unter anderem von der Richtung und von der Polarisation des in einem derartigen Kristall abhängig von dessen Orientierung verlaufenden Lichtstrahles abhängt.
Bei der Verwendung von KDP empfiehlt es sich, einen Kristall von einigen Millimetern Länge und mit planparallelen Flächen der Orientierung 001, d. h. senkrecht zur optischen Achse geschnitten, zu verwenden, auf die man den Strahl 6 senkrecht auffallen lässt. Vorteilhaft ist es, die Polarisationsebene der Strahlung so zu wählen, dass der elektrische Vektor der Strahlung in eine der 110-Richtungen zeigt.
Das elektrische Feld wird in Richtung der optischen Achse, d. h. in Strahlrichtung von 6 des feldfreien Kristalls an diesen angelegt.
An Stelle von KDP können allgemein auch andere Stoffe mit steuerbarem Brechungsindex, bei-
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spielsweise elektrisch oder magnetisch, doppelbrechende Materialien verwendet werden.
8 und 9 in Fig. 1 sind die Elektroden, durch die die zur Steuerung vorgesehene elektrische Spannung an das Steuerglied 5 angelegt wird. 8 und 9 sind entweder für die Laserstrahlung weitgehend durchlässig oder es fällt beispielsweise die Elektrode 8 mit dem Reflektor 4, 9 mit 2 zusammen. Mit den Anschlüssen 10 und 11 werden die Elektroden 8 und 9 an die Quelle der Modulationsspannung angeschlossen.
Wenn der Interferenzspiegel so justiert ist, dass er bei fehlender Modulationswechselspannung minimale bzw. keine Durchlässigkeit für die im Resonator erzeugte Strahlung hat, ergibt sich bei Anlegen einer Modulationswechselspannung eine Frequenzverdoppelung der Intensitätsschwankungen des ausgekoppelten Strahles 7.
Die Frequenzverdoppelung wird vermieden, wenn der Interferenzspiegel so justiert ist, dass er bei fehlender Modulationswechselspannung bereits eine über dem Grad der oben genannten minimalen Auskopplung liegende Intensität auskoppelt. Diese muss so viel über der Intensität der minimalen Auskopplung liegen, wie die Auskopplung des Spitzenwertes des Signals ausmacht. Das gleiche kann auch dadurch erreicht werden, dass zusätzlich zur Modulationswechselspannung noch eine Gleichspannung an das Steuerglied gelegt wird. Diese Modulation der Strahlung 7 macht sich dann als eine der mittleren Intensität von 7 überlagerte Intensitätsschwankung bemerkbar. Auf diese Weise wird ein bis zu 100%mordu- lierter Strahl aus dem Laserresonator ausgekoppelt.
Besondere Bedeutung kommt dieser speziellen erfindungsgemässen Anordnung für die Modulation von Laserstrahlung mit Signalen hoher Frequenzen zu, da bei diesen Frequenzen grosse Bandbreiten der Modulation erreicht werden können, was insbesondere für die Nachrichtentechnik wichtig ist. Unter "hohen Frequenzen" sind dabei Frequenzen zu verstehen, deren entsprechende Periodendauer T klein gegen die Aufbau- bzw. Abklingzeit T der Laserschwingung im Resonator ist, die sich bei einer durch die Modulation gegebenen Güteänderung des Resonators ergibt. Einer Modulation mit derart hohen Frequenzen kann der Laser nicht mehr oder nur noch unvollständig mit einer Schwankung seiner im Resonator enthaltenen Strahlungsenergie folgen. Eine Abschätzung ergibt, dass dies für Frequenzen gilt, deren Periodendauer T etwa um den Faktor 10 kleiner als T ist.
Bei diesen hohen Frequenzen können die Verzerrungen in der Modulation der Laserstrahlung so klein gehalten werden, dass sie z. B. für die Nachrichtentechnik noch tragbar sind. T lässt sich in an sich bekannter Weise einfach ermitteln.
Die Bedeutung der erfindungsgemässen Anordnung ist einmal in dem hohen Gesamtwirkungsgrad und zum andern darin zu sehen, dass, abgesehen vom Auftreten geringer Modulationsverzerrungen, die jedoch ausreichend klein gehalten werden können, mit gegenüber bei externer Modulation relativ sehr viel kleineren Leistungen des Modulationssignals ein hoher Modulationsgrad, z. B. von 1 der aus dem Resonator ausgesendeten Strahlung erreicht werden kann.
Für die erfindungsgemässe Anordnung gilt jedoch noch eine Bedingung. die aber in praxi keine we- sentliche Einschränkung bedeutet. Durch Überlegungen findet man, dass die Laufzeit der Strahlung in der Anordnung und die Frequenzen des Modulationssignals nicht aufeinander abgestimmt sein dürfen. Diese Einschränkung ergibt sich daraus, dass bei Übereinstimmung des Reziprokwertes der Laufzeit mit den Frequenzen des Modulationssignals der im Resonator verlaufende Energiestrom wiederholt an dergleichen Stelle geschwächt werden würde. Dies würde, wie leicht einzusehen, zu grösseren und unter Umständen
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Laserresonator sowie mit den ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes übereinstimmen.
Ein einfaches Beispiel soll dies näher erläutern. Angenommen, die Zeit für einen Hin- und Herlauf der Lasetstrahlung im Resonator beträgt eine Nanosekunde. Dieser Zeit entspricht die Frequenz 1 GHz. Dann dürfen in den Modulationssignalen die Frequenz 1 GHz sowie deren ganzzahlige Vielfache nicht mit wesentlicher Intensität enthalten sein.
Diese Frequenzen werden als verbotene Frequenzen bezeichnet. Das gleiche gilt auch für Frequenzen des Modulationssignals, die in der Nähe von 1 GHz bzw. den ganzahligen Vielfachen davon liegen.
Es kann dagegen beispielsweise mit Frequenzen moduliert werden, die unter 0, 9 GHz und zwischen 1, 1 und 1, 9, 2, 1 und 2, 9, 3 1 und 3, 9 GHz usw. liegen.
Wie stark die Modulationsfrequenzen von den verbotenen Frequenzen entfernt liegen müssen, ergibt sich aus dem Grad der Auskopplung, mit dem die betreffende Modulationsfrequenz im ausgekoppelten Strahl vertreten ist, d. h. wie stark sie dämpfend auf den Resonator wirkt. Ist der betreffende Auskopplungsgrad z. B. kleiner als 2%, so genügt es, alle Frequenzen auszuschliessen, die von den verbotenen Frequenzen um weniger als etwa 10% des Wertes der niedrigsten verbotenen Frequenz entfernt liegen. Dieser zu
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wählende Frequenzabstand gibt im übrigen auch die untere Frequenzgrenze der oben definierten hohen Frequenzen an.
Wie leicht einzusehen ist, ist es nötig, bei hohen Modulationsfrequenzen den optischen Weg der Strahlung im Steuerorgan, wie in dem Beispiel der Figur, im Interferenzspiegel klein zu halten ; so klein zu halten, dass die Laufzeit der Strahlung für diesen Weg beispielsweise weniger als ein Viertel der Periodendauer des Modulationssignals beträgt. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass in einem Interferenzspiegel für die Laufzeit der Strahlung ein Mehrfaches, etwa das Zehn- bis Zwanzigfache der Zeit für einen einfachen Hin- und Herlauf der Strahlung im Interferenzspiegel einzusetzen ist.
Da die Strahlung bekanntlich bei den üblicherweise erreichbaren Werten des Reflexionsvermögens der zu dem Interferenzspiegel gehörenden Reflexionsflächen etwa sovielmal mit wesentlicher Intensität in diesem hin-und herläuft. Ohne Schwierigkeiten kann man in der Anordnung der Figur mit Frequenzen bis etwa 5 GHz modulieren.
Eine weitere besonders vorteilhafte im folgenden beschriebene Art der Ausführung der Erfindung betrifft eine Anordnung, bei der auf an sich bekannte Weise linear polarisierte Strahlung im Laserresonator erzeugt wird, die erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch ein in dem Strahlengang im Resonator angeordnetes Steuerorgan als Modulationsmittel, durch das die Polarisation der linear polarisierten, im Resona- tor verlaufenden Strahlung entsprechend der Modulation steuerbar beeinflusst werden kann und durch eine Einrichtung als Auskoppelmittel zur Auskopplung der durch die steuerbare Beeinflussung der Polarisation der im Resonator erzeugten linear polarisierten Strahlung erzeugten, zu dieser linear polarisierten Strahlung senkrecht polarisierten Komponente.
Unter dem Begriff"im Resonator angeordnet sind, wie bei der im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsart auch die Begrenzungsflächen des Resonators, d. h. die die im Resonator verlaufende Strahlung reflektierenden Flächen als miteingeschlossen zu verstehen.
Auch diese spezielle Art der Auskopplung der Auskoppelmodulation ermöglicht es, z. B. unter Aufwand von nur geringer Modulationsleistung einen zig modulierten Laserstrahl hoher Intensität aus dem Resonator auszukoppeln.
Auch mit dieser Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung kann ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad des Lasers erzielt werden.
Weitere Einzelheiten dieser speziellen Art der Ausführung der Erfindung gehen aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Fig. 2 hervor.
21 ist ein laseraktiver Körper, der 1 in der Fig. 1 entspricht und der beispielsweise ein RubinKristall ist. 22 und 23 sind Reflexionsflächen, zwischen denen ein Hin- und Herlauf der Laserstrahlung, wie 24 angibt, zustandekommt. 25 ist das Steuerorgan, das sich im Strahlengang 24 im Resonator, wie für die interne Auskoppelmodulation erforderlich, befindet.
26 ist in diesem Beispiel die Einrichtung, die erfindungsgemäss zur Auskopplung vorzusehen ist, und die hier eine Art Nicol'sches Prisma ist. Dieses Prisma ist jedoch, wie aus der Figur ersichtlich, den Anforderungen des Beispieles entsprechend, gegenüber einem üblichen Nicol in zweckmässiger Weise abgeändert. Die Abschrägung der einen Kante des Prismas 26 ist so ausgebildet, dass der von links in 26 eintretende Strahl senkrecht in das Prisma einfällt, wodurch der Reflexionsverlust beim Durchtrittder Strahlung durch die Grenzfläche klein gehalten wird. Das Prisma 26 ist in der Figur so angeordnet, dass die Strahlung 24 an der Kittfläche 213 total, d. h. mit einem Minimum an Verlusten, reflektiert wird.
Das Prisma 26 wird in an sich bekannter Weise so angeordnet, dass nur die Strahlung einer bestimmen Polarisationsrichtung an der Kittfläche 213 total reflektiert wird. Je nach dem Vorzeichen der Doppelbrechung des Materials des Prismas ist dies die in der Einfallsebene bzw. die senkrecht dazu schwingende Komponente der Strahlung 24.
Durch diese spezielle Anordnung des Nicol'schen Prismas wird unter anderem erreicht, dass nur linear polarisiertes Licht, u. zw. mit der Schwingungsrichtung, die in 26 an 213 total reflektiert wird, in dem Resonator erzeugt werden kann. Für alle andern Schwingungsrichtungen der Strahlung hat der Resonator eine erheblich kleinere Güte. Im Falle der Verwendung eines bereits linear polarisiertes Licht liefernden Kristalls, z. B. eines Rubin-Kristalls, in dem die Strahlung senkrecht zur optischen Achse verläuft,. ist darauf zu achten, dass dieser Kristall passend zur Anordnung des Prismas 26 orientiert wird.
28 und 29 sind Elektroden, mit denen mittels der Zuleitungen 210 und 211 die vom Generator 212 gelieferte Modulationsspannung an das Steuerorgan 25 angelegt wird. Die Elektroden 28 und 29 sind so ausgebildet, dass sie für die Strahlung 24 durchlässig sind.
Es empfiehlt sich auch, 23 und 28 in eine Fläche zusammenfallen zu lassen, die die Eigenschaft einer elektrisch leitenden Reflexionsfläche hat. Hiedurch wird der Weg der Strahlung von 25 über 23
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nach 25 zurück, wie später noch näher ausgeführt wird, vorteilhafterweise auf ein Minimum verkürzt. Im übrigen sei erwähnt, dass es meistensteils vorteilhaft ist, die in der Figur in auseinandergezogener Anordnung dargestellten Teile mindestens teilweise dicht zusammen, z. B. aufeinandergekittet anzuordnen. Durch das Aneinanderkitten können ausserdem die an den Grenzflächen auftretenden Reflexionsverluste vermindert werden.
Das Steuerelement 25 ist in unserem Beispiel ein steuerbar doppelbrechender Kristall. Es sei erwähnt, dass auch andere Medien, z. B. steuerbar doppelbrechende Flüssigkeiten wie Nitrobenzol oder aber auch die Polarisationsrichtung der Strahlung steuerbar drehende, insbesondere nichtreziprok drehende Stoffe, verwendet werden können. Auch hiedurch wird, wie beim Effekt der Doppelbrechung, eine Komponente der Laserstrahlung erzeugt, die senkrecht zur Polarisationsrichtung der im Resonator nach dem Laserprinzip erzeugten Strahlung 24 polarisiert ist und die gemäss der Erfindung aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Unter"nichtreziprok"ist zu verstehen, dass die Drehung der Polarisationsrichtung beim Hin- und Herlauf der Strahlung durch das Medium nicht aufgehoben wird.
Für das Steuerorgan 25 eignen sich besonders Kristalle aus Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) oder Amoniumdihydrogenphosphat (ADP), die elektrisch doppelbrechend sind. Die für den feldfreien Fall gültige optische Achse der Kristalle wird vorteilhafterweise, wie noch näher behandelt, nahezu oder genau, parallel zur Strahlung 24 ausgerichtet. Die eine der a-Achsen des Kristalls wird in die Polarisationsebene der linear polarisierten Strahlung 24 gelegt. Im feldfreien Zustand wird jetzt die Strahlung 24 praktisch unbeeinflusst durch 25 und 26 zwischen 22 und 23 hin-und herlaufen.
Für den Fall, dass jedoch an die Elektroden 28 und 29 eine elektrische Spannung angelegt wird, tritt auf Grund der elektrischen Doppelbrechung in 25 eine senkrecht zur Polarisationsrichtung von 24 schwingende Komponente auf, deren Intensität abhängig von der an 28 und 29 angelegten Spannung ist. Diese Komponente tritt als Strahl 27 in der erfindungsgemäss vorzusehenden Einrichtung 26 aus, 27 ist der gemäss der Erfindung moduliert aus dem Resonator austretende Anteil, der im Resonator befindlichen Strahlung, der durch die steuerbar doppelbrechende Wirkung von 25 von der im Laser verlaufenden linear polarisierten Strahlung 24 als zu 24 senkrecht polarisierte Strahlung abgetrennt wird.
Da die auftretende elektrisch doppelbrechende Wirkung von 25 auf 24 in der angegebenen Anordnung unabhängig von der Feldrichtung in 25 ist, tritt eine Frequenzverdoppelung der Intensitätsschwankung der ausgekoppelten Strahlung auf.
Diese Frequenzverdoppelung kann vermieden werden, wenn durch eine zusätzlich an 28 und 29 angelegte Gleichspannung ein Strahl 27 mit konstanter Amplitude ausgekoppelt wird. Der gleiche Effekt kann auch durch eine zusätzliche natürliche Doppelbrechung von 25 bewirkt werden. Diese zusätzliche Doppelbrechung kann man z. B. in einfacher Weise dadurch erzielen, dass die optische Achse von 25 - wie schon erwähnt-nicht genau mit der Richtung von 24 in 25 parallel ist. Durch diese einstellbare natürliche Doppelbrechung bzw. durch eine der Modulationswechselspannung überlagerte Gleichspannung wird bewirkt, dass die Modulation der Strahlung 27 sich als eine der mittleren Intensität von 27 überlagerte Intensitätsschwankung bemerkbar macht.
Es empfiehlt sich, die durch die Wirkung der natürlichen bzw. durch Gleichspannung hervorgerufene Doppelbrechung erzeugte Amplitude der ausgekoppelten Strahlung 27 so gross zu wählen, dass sie grö- sser oder gleich der maximal vorkommenden Wechselamplitude der Modulationswechselspannung ist.
Auf diese Weise wird ein bis zu 100% modulierter Strahl 27 aus dem Laserresonator ausgekoppelt, der die gleiche Frequenz wie das Modulationssignal hat.
Bezüglich der Modulation mit hohen Frequenzen gilt auch bei dieser Ausführung der erfindungsgemässen Anordnung das, was diesbezüglich bereits im Zusammenhang mit dem im vorangehenden beschriebenen Beispiel ausgeführt worden ist.
Auch für diese erfindungsgemässe Ausführungsform gilt die oben erwähnte Bedingung, dass im Frequenzband des Signals die verbotenen Frequenzen sowie die in deren Nähe liegenden Frequenzen im Modulationssignal auszuschliessen sind.
Wie leicht einzusehen ist, ist es nötig, bei hohen Modulationsfrequenzen den optischen Weg der Strahlung im Steuerorgan z. B. in der Figur den Weg von 25 über 23 zurück nach 25 klein zu halten ; so klein zu halten, dass die Laufzeit der Strahlung für diesen Weg z. B. weniger als ein Viertel der Periodendauer des Modulationssignals beträgt. Ohne Schwierigkeiten kann man in der Anordnung der Figur mit Frequenzen bis etwa 20 GHz modulieren.
Bei noch höheren Frequenzen des Modulationssignals empfiehlt es sich, die erfindungsgemässe Anordnungso auszuführen, dass das Steuerorgan in einer Art Wanderfeld-Anordnung des Modulationssignals in
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der in an sich bekannter Weise die Beeinflussung zwischen den beiden elektromagnetischen Wellen des Modulationssignals und der Strahlung eintritt, derart angeordnet ist, dass Laserstrahlung und Modulationssignal synchron nebeneinander herlaufen, d. h. sich mit wenigstens angenähert gleicher und gleichgerichteter Drift-Geschwindigkeit fortpflanzen. Als Wanderfeld-Anordnung kommt z. B., wie bekannt, eine wendelförmige Leitung in Frage.
Eine besondere Art der Ausführung der erfindungsgemässen Anordnung ist die, bei der das im folgenden beschriebene Prinzip der sogenannten Gegentaktmodulation angewendet wird. Diese Ausführungsform ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass Modulations- und Auskoppelmittel zur Gegentaktmodulation der im Resonator verlaufenden Strahlung vorgesehen sind.
Unter Gegentaktmodulation ist zu verstehen, dass von den mindestens zwei Modulations- und Auskoppeleinrichtungen, die für die Modulation der Laserstrahlung im Strahlengang im Laserresonator enthal ten sind, mindestens zeitweise eine Modulationseinrichtung im zu den andern Modulationseinrichtungen entgegengesetzten Sinne modulierend auf wenigstens einen Teil der Verluste des Resonators, die insbesondere die vom Resonator ausgesendete Strahlung sind, wirkt. Die Gegentaktmodulation wirkt sich im Gegensatz zur oben beschriebenen einfachen Auskoppelmodulation und im Gegensatz zur bekannten inter-
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verständlich abgesehen von Einschwingvorgängen u. ähnl. Prozessen, konstanten Wert hat, d. h. einen Wert hat, der nicht im Takt der Modulation schwankt.
Die Konstanthaltung der Intensität der im Laser befindlichen Strahlung entspricht einer konstanten Güte des Resonators, wodurch also eine wie oben beschriebene Begrenzung der maximalen Frequenz der Modulation durch die Resonatorgüte nicht mehr gegeben ist. Eine Begrenzung ist in erster Linie nur noch durch das Steuerelement selbst und den Aufbau des Lasers gegeben, dessen maximal mögliche Modulationsfrequenz, wie z. B. aus der Beschreibung der Figuren näher hervorgeht, jedoch bei entsprechender Ausführung sehr gross gemacht werden kann, etwa im Bereich von GHz liegt.
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung tritt gegenüber der externen Modulation der Vorteil der Einsparung von Modulationsleistung auf. Gegenüber den bisher beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung kann aber-wie noch näher erläutert-von der Ausschliessung der sogenannten verbotenen Frequenzen abgesehen werden, so dass wie bei der externen Modulation mit hohen Frequenzen und mit sehr grossen Bandbreiten moduliert werden kann.
Die Gegentakt-Modulation der im Laser verlaufenden Strahlung wird z. B. durch die GegentaktSteuerung von zwei oder entsprechend mehreren, z. B. wie oben beschriebenen steuerbaren Modulationsund Auskoppelmitteln etwa durch je eine an den beiden Enden des Laserresonators befindliche, in ihrem Reflexionsvermögen steuerbare Reflexionseinrichtungen erreicht. An Stelle von steuerbaren Auskoppelgliedern können zum Teil auch die im Laser verlaufende Strahlung dämpfende Einrichtungen verwendet werden, die in dem Gegentakt entsprechendem Mass gesteuert werden.
Für den Aufbau einer Anordnung zur steuerbaren Auskopplung von Laserstrahlung eignen sich beispielsweise in ihrem Reflexionsvermögen steuerbare Reflexionsflächen bzw. - anordnungen, z. B. solche, wie sie bei dem Beispiel der Fig. l verwendet werden, sowie aber auch andere steuerbare Einrichtungen, die es ermöglichen, einen Teil der im Laser befindlichen Strahlungsintensität als modulierten Strahl aus dem Laser auszukoppeln, so z. B. Kombinationen aus steuerbar doppelbrechenden Vorrichtungen und Analysatoren, wie sie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 verwendet wurden.
Weitere Einzelheiten der als Gegentaktmodulation bezeichneten speziellen Ausführungsform erfindungsgemässen Anordnung gehen aus der Beschreibung und den Figuren der folgenden bevorzugten Ausführungsbeispiele hervor, die sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau auszeichnen und keine oder nur geringe Verkleinerung des Gütefaktors des Lasers gegenüber dem maximal möglichen Wert bei einem entsprechenden Laser ohne Modulationseinrichtung aufweisen.
In Fig. 3 ist 31 das laseraktive Medium, das 1 in Fig. 1 entspricht. In dem Strahlengang der in 31 verlaufenden Strahlung 33 werden, im Gegensatz z. B. der Fig. l, zwei derartige steuerbare Reflexionsanordnungen angeordnet, die die Strahlen 37 und 37'aus dem Resonator auskoppeln. Als steuerbare Reflexionsanordnungen können solche verwendet werden, wie sie schon im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. l beschrieben und erläutert wurden. Die mit 32, 34, 35, 38, 39, 310 und 311
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Gemäss der Erfindung werden diese Interferenzspiegel im Gegentakt so gesteuert, dass die Intensitäten von 37 und 37'd. s. die moduliert aus dem Laserresonator der Fig. 3 austretenden Strahlen. zusammengenommen zeitlich konstanten Wert haben. Dadurch hat die im Resonator zwischen 34 und 34'
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gegenüber dem durch die Berührungsflächen der beiden Prismen des Nicols hindurchtretenden Strahl die geringeren Verluste im Nicol erleidet.
Diese spezielle Anwendung des Nicol'sehen Prismas ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend, d. h., diese spezielle Ausführungsform der Fig. 4 kann auch mit normalen Nicol'sehen Prismen oder auch mit Polarisationsprismen nach Rochon, Wollaston u. a. unter entsprechender Änderung der Anordnung aufge- baut werden.
Durch die erfindungsgemässe Gegenkontaktsteuerung von 325 und 325'wird erreicht, dass die moduliert austretenden Strahlen 326 und 327 in ihrer Intensität zueinander komplementär sind. Dadurch ist gewährleistet, dass entsprechend der Erfindung der Wert der Strahlungsintensität im Resonator zwischen 322 und 322'unabhängig von der Modulation konstant ist.
Die Anordnung der Fig. 4 hat ebenfalls wie die der Fig. 3 einen hohen Gütefaktor, d. h. geringe innere Verluste, aber gegenüber der in Fig. 3 eine wesentlich höhere maximale Modulationsfrequenz. Bei der Verwendung von KDP für 325 und 325'empfiehlt es sich, Schnitte senkrecht zur optischen Achse des KDP-Kristalls zu nehmen und sie mit ihrer optischen Achse parallel zum Strahl 323 und mit ihrer (1) - bzw. 100- Ebene parallel zur Polarisationsebene des Strahles 323 im feldfreien Kristall 325 bzw. 325'auszurichten.
An die Steuerglieder, insbesondere KDP-Kristalle 325 bzw. 325', werden die zur Steuerung erforderlichen, bei KDP elektrischen Felder zweckmässigerweise in Richtung der optischen Achse, d. h. in Strahlrichtung 323 an die Kristalle angelegt. 329 und 330 bzw. 329'und 330'sind die hiezu erforderlichen, für die Strahlung 323 durchlässigen Elektroden, die in der der Fig. 4 entsprechenden Weise an die in Fig. 4 nicht dargestellte Quelle für die Modulationsspannung angeschlossen werden.
Bei dieser speziellen Auswahl von elektrischer Feldstärke, optischer Achse und Strahlrichtung im Kristall wird eine zusätzliche Gleichspannung an den Elektroden 329 und 330 bzw. 329'und 330'erforderlich, damit bei Fehlen einer steuernden Spannung die Strahlen 326, 326' bzw. 327, 327'mit einer mittleren Intensität ausgekoppelt werden. Die durch die Modulationsspannungen hervorgerufenen Wechselfelder an 325 bzw. 325'lassen die Intensität der Strahlen 326, 326'bzw. 327, 327'entsprechend der Modulation um den Mittelwert, der bei fehlendem Modulationsfeld an 325 bz. 325'auftritt, schwanken.
Für KDP u. ähnl. Kristalle lassen sich aber auch noch andere für die erfindungsgemässe Modulation der Laserstrahlung geeignete Orientierungen des Kristalls und geeignete Richtungen des anzulegenden
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bzw. 325'angeordnet ist. Dadurch wird vermieden, dass die Strahlung durch die erforderlichen Elektroden hindurchtreten muss. Es lassen sich auch Orientierungen des Kristalls angeben, bei denen bei fehlendem, der Modulation dienendem Wechselfeld bereits natürliche Doppelbrechung vorhanden ist, und bei denen demzufolge kein elektrisches Gleichfeld zur Auskopplung einer mittleren Intensität der Strahlung 327 und 327'erforderlich ist.
Die mit der Anordnung der Fig. 4 erreichbare maximale Modulationsfrequenz ist gegeben durch die Laufzeit t der Laserstrahlung zwischen 325 und 325'. Diese Laufzeit t muss kleiner als die Periodendauer T der maximalen Modulationsfrequenz sein. Für den Fall, dass nicht zu hohe Modulationsfrequenzen gefordert werden, können die Auskoppelglieder 324', 324" entfallen. In diesem Falle geht im wesentlichen die Laufzeit t'der Laserstrahlung von 325 über 322, 325. 325., 322',. bis 325'ein. t muss indiesem Falle kleiner als T sein.
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lassen des Auskoppelgliedes 324'entfällt der selbständige Strahl 327', dessen Intensität dann mit 327 zusammen austritt. In diesem Falle geht sowohl die Laufzeit t als auch die Laufzeit t" der Laserstrahlung von 325'über 322'zurück zu 325'ein.
Es können - wie leicht einzusehen-in diesem Falle praktisch ebenso hohe Modulationsfrequenzen er- reicht werden wie bei der Anordnung der Fig. 4 mit dem Auskoppelglied 324', jedoch ergibt sich beim Fehlen von 324'eine geringe, vom Modulationsgrad der ausgekoppelten Strahlung abhängige Güte- änderung des gesamten Laserresonators und damit eine frequenzabhängige Modulationsverzerrung.
Im übrigen können die in Fig. 4 getrennt voneinander angeordneten Teilstücke aneinandergefügt werden, z. B. kann 322 die verspiegelte linksseitige Fläche des Laserstrahles 321 sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung hoher maximaler Modulationsfrequenz bietet die Anordnung der Fig. 5. Auch diese Anordnung ist der der Fig. 2 soweit ähnlich, als hier die Modulations- und Auskop -
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pelmittel die gleichen sind wie bei der Anordnung der Fig. 2. Aber auch in der Anordnung der Fig. 5 kommen sie zweifach vor.
Die Anordnung der Fig. 5 unterscheidet sich noch dadurch von jenen der Fig. 1-4, dass die Strahlen nicht hin und her, sondern in der Anordnung umlaufen. In Fig. 5 ist 331 wieder ein Laser kristall, wie
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Steuerglieder für die Laserstrahlung, z. B. solche, wie sie für 325 und 325'in Fig. 4 verwendet werden.
333 und 333'sind Auskoppelglieder, beispielsweise Nicol'sche Prismen, die einfallende Strahlen verschiedener Polarisationsrichtung in verschiedener Richtung aufteilen.
Sie können insbesondere auch so beschaffen und angeordnet werden, wie das Auskoppelglied 26 in Fig. 2. 334 und 334'sind Umlenkprismen, die durch Totalreflexion eine Richtungsumkehr der in der Anordnung der Fig. 5 umlaufenden Strahlung 335 bewirken. Wie noch weiter unten näher angeführt, empfiehlt es sich, um mit dieser Anordnung hohe Modulationsfrequenzen erreichen zu können, den Umlauf der Strahlung 335 in einer der beiden möglichen Richtungen zu unterbinden. Hiezu dient die nichtreziproke Richtungsleitung 336 ; sie besteht beispielsweise aus zwei, die Polarisationsrichtung drehenden Gliedern 337, 337', die die Polarisationsrichtung beispielsweise durch den Einfluss des magnetooptischen Rotationseffektes drehen. Zwischen 337 und 337'befindet sich ein Analysator 338.
Das Drehglied 337 ist so beschaffen, dass es die von 337'hervorgerufene Drehung der Polarisationsebe- ne gerade wieder aufhebt und der Analysator 338 so orientiert ist, dass er die von 337'gedrehte Polarisationsrichtung durchlässt.
In der Anordnung der Fig. 5 ist dieser nichtreziproke Richtungsleiter so beschaffen, dass er die Strahlung 335 in der Richtung der angegebenen Pfeile 339, 339' umlaufen lässt.
Je nach der Höhe der Modulationsfrequenz werden die Steuerglieder 332, 332'-für niedrige Frequenzen etwa bis 0, 1 oder 1 GHz-durch mittels Elektroden angelegte elektrische Felder, wie dies z. B. bei den Steuergliedern 325, 325' der Fig. 4 näher ausgeführt ist, in ihrem optischen Verhalten gesteuert.
Für höhere Frequenzen als etwa 1 GHz werden 332 und 332'in Hohlleiteranordnungen eingebaut, in denen sie. durch die Felder der in den Hohlleitern geführten elektromagnetischen Wellen gesteuert werden. Eine derartige Hohlleiteranordnung ist in Fig. 5 durch 340 angedeutet.
Zum besseren Verständnis ist diese Hohlleiteranordnung in Fig. 6 im Schnitt um 900 um die Achse gedreht dargestellt. Diese Hohlleiteranordnung ist in der Fig. 6 in der Ausführungsform einer Interdigitalleitung 341 dargestellt. 342 und 342'sind die Steuerglieder 332, 332' der Fig. 5. Die in Richtung 343, 343' in den Hohlleitern 341', 341" verlaufende Welle durchsetzt in zeitlicher Aufeinan- derfolge die Steuerglieder 342 und 342'. Zudem erleidet die besagte Welle in der Zone 341"auf Grund der Feldumkehr eine Phasenumkehr.
Die Laufzeit der Welle in der Anordnung der Fig. 6 besonders von 342 über 341"'nach 342'wird gerade wenigstens angenähert so gross bzw.. um ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der mittleren Modulationsfrequenz, beispielsweise eines relativ schmalen Bandes hoher Frequenzen, grösser oder kleiner gewählt wie die Laufzeit, die die Laserstrahlung von 332 über 334 nach 332'benötigt.
Auf diese Weise wirken die Steuerglieder 332, 332' bzw. 342, 342' in entgegengesetzer Weise auf die umlaufende Strahlung 335, wodurch die erfindungsgemässe Gegentaktmodulation verwirklicht wird. Die in der Interdigitalleitung 341 verlaufende Welle wird beispielsweise in einem gegebenenfalls modulierbaren Generator 244 erzeugt und in einem Abschlusswiderstand 345 reflexionsfrei gedämpft.
Wie oben bereits bemerkt, können die Steuerglieder 342, 342' so beschaffen sein wie 325, 325. in Fig. 4. Die in sie eintretende Laserstrahlung wird danach auf Grund ihrer steuerbar doppelbrechenden Eigenschaft in zwei Polarisationseinrichtungen zerlegt. Die Strahlung der einen Polarisationseinrichtung verläuft weiter in der Anordnung wie 335 angibt, der Anteil der Laserstrahlung, die auf Grund der Steuerung in der dazu senkrechten Richtung polarisiert ist, wird durch die Auskoppelglieder 333 bzw. 333'in Richtungen 335', 335" abgelenkt. 335'und 335" sind die im Gegentakt moduliert aus der Laseranordnung austretenden Strahlen des Lasers.
Bei sehr hohen Modulationsfrequenzen ist es auch möglich, die Steuerglieder 332, 332', im Ge- gensatz zur Anordnung, wie sie insbesondere durch die Fig. 6 angegeben ist, im gleichen Takt zu modulieren. Auch in diesem Falle werden die Steuerglieder im Hohlleiter, vorzugsweise dicht nebeneinander, ja sogar unter Umständen als ein einziger Teil, in dem 332 und 332'vereinigt ist, eingebaut.
Die Laseranordnung wird in diesem Fall so abgestimmt, dass die Laufzeit der gleichsinnig in der Laseranordnung umlaufenden Strahlung zwischen 332 und 332'gleich oder etwa gleich der halben Pe-
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riodendauer oder einem ungeradzahligen Vielfachen der Periodendauer der Modulationsfrequenz ist.
Auf diese Weise wirken die beiden Steuerglieder trotz gleichsinniger Steuerung im Gegentakt auf die Strahlung. Damit wird eine Schmalbandmodulation mit Frequenzen, auf die diese Laseranordnung abgestimmt ist, möglich. Trotz der relativ geringen Frequenzbandbreite dieses Modulationsverfahrens können wegen der hohen, mittleren Modulationsfrequenz, trotzdem absolut sehr hohe Bandbreiten übertragen werden.
Eine weitere Möglichkeit, insbesondere eine Schmalbandmodulation durchzuführen, ist es, die Laufzeit der Mikrowellenstrahlung von einem zum andern der beiden zur Gegentaktmodulation vorgesehenen, insbesondere in Hohlleiter angeordneten Steuerglieder genau oder angenähert um die Hälfte der Periodendauer, die der mittleren Modulationsfrequenz entspricht, länger oder kürzer zu wählen als die Laufzeit der Laserstrahlung von einem zum andern Steuerglied.
Bei dieser Abstimmung entfällt die Notwendigkeit der Phasenumkehr. Bei extrem hohen Modulationsfrequenzen, bei denen die Laufzeit der Mikrowellen- und/oder Laserstrahlung im Steuerglied in die Grö- ssenordnung der Periodendauer, die der Modulationsfrequenz entspricht, kommt, empfiehlt es sich, die Anordnungen so zu wählen, dass die Laser- und die Mikrowellenstrahlung die Steuerglieder parallelgerichtet in gleicher Richtung durchlaufen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Modulation der Strahlung eines Lasers, insbesondere optischer Strahlung, mit im Strahlengang der im Resonator verlaufenden Strahlung angeordneten Modulations- und Auskoppelvorrichtungen, die die im Resonator verlaufende Strahlung modulieren und einen Teil dieser modulierten Strahlung abzweigen und auskoppeln, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zur Modulation und Auskopplung, die durch ihr Zusammenwirken bei der Modulation der im Resonator verlaufenden Strahlung von der Trägerleistung dieser modulierten Strahlung nur einen geringeren Anteil als von der Seitenbandleistung dieser Strahlung auskoppeln.