AT254264B

AT254264B - Aus mehreren Kristall-Teilsystemen bestehende Anordnung zur Erzeugung bzw. Verstärkung elektromagnetischer Strahlung

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Publication number: AT254264B
Application number: AT404364A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1963-08-30
Filing date: 1964-05-08
Publication date: 1967-05-10

Description

Aus mehreren Kristall-Teilsystemen bestehende Anordnung zur Erzeugung bzw. Verstärkung elektromagnetischer Strahlung
EMI1.1

Nachbarsystem mit gleicher Frequenz kohärent gestreut, wobei dieses Nachbarsytem zur Verstärkung dieser Teilfrequenz optisch oder akustisch angeregt wird. Gemäss der Erfindung wird die Kombinationsstrahlung in ein Nachbarsystem eingestrahlt und dort kohärent gestreut bzw. reflektiert. Hiedurch wird die Kombinationsstrahlung einer wählbarenFrequenz aus verschiedenen Systemen in einem bestimmten Teilsystem als kohärentes Strahlungsfeld nach dem Interferometerprinzip gesammelt und durch Anregung die- sesTeilsystems verstärkt.

Die Anpassung der Eigenfrequenz des kohärent streuenden Systems an eine Kombinationsfrequenz des Nachbarsystems kann beispielsweise durch Deformation des Kristallgitters erfolgen.

Zur Erzeugung neuer Frequenzen durch Kombinationsstrahlung werden in Teilsystemen der Gesamtanordnung Molekülschwingungen angeregt. Die hieraus bei Wechselwirkung mit dem eingestrahlten Strahlungsfeld entstehenden Kombinationsfrequenzen werden in diesen bzw. weiteren Teilsystemen kohärent verstärkt.

Bei einer andern Ausführungsform ist vorgesehen, dass die nicht auf Molekülschwingungen beruhenden festen Eigenfrequenzen, insbesondere die von angeregten Energiezuständen paramagnetischer Fremdionen bzw. von ferromagnetischen Eisenverbindungen, Verwendung finden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die bewirken, dass die Verstärkung frei wählbarer Frequenzen, die von den durch die Stoffeigenschaften der Teilsysteme festgelegten Eigenfrequenzen unabhängig sind, durch Kombinationsstrahlung erfolgt, die Einstrahlung mit einer beliebigen Frequenz durch Wechselwirkung der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen mit den angeregtenMolekularschwingungen mindestens eines der Teilsysteme entsteht.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass die frei wählbare Frequenz bzw. Frequenzen der Primärstrahlung so gewählt sind, dass wenigstens teilweise die zu verstärkende Frequenz bzw. Frequenzen der entstehenden Kombinationsstrahlung mit den Eigenfrequenzen benachbarter Teilsysteme übereinstimmen oder in ganzzahligen Verhältnissen korrespondieren.

Zweckmässigerweise ist die geometrischeanordnung benachbarterteilsysteme derart, dass die Kopplung der beiden Teilsysteme hinsichtlich des zu verstärkenden Strahlungsfeldes durch Kombinationsstrahlung erfolgt.

Zur Erzeugung einer kohärenten streuenden Verstärkung einer Kombinationsstrahlung mit einer zu wählenden Frequenz wird zu einem Teilsystem ein Nachbarsystem gewählt, das mindestens eine Eigenfrequenz besitzt, die mit der zu verstärkenden, mit der Primärstrahlung nicht kohärenten Kombinationsstrahlung des Teilsystems korrespondiert.

Dabei ist vorgesehen, dass die Materialien für die Teilsysteme so gewählt sind, dass die Eigenfrequenz eines kohärentstreuenden und verstärkenden Teilsystems sich nur wenig von der von einem Nachbarsystem eingestrahlten Kombinationsfrequenz unterscheidet, da hiedurch bei Differenzfrequenzen relativ niedrige Frequenzen erzeugt werden können.

Bei einer speziellen Ausbildung der Erfindung sind Hilfsmittel vorgesehen, die eine Deformation des Kristallgitters eines kohärent streuendenTeilsystems zur Anpassung der Eigenfrequenz bewirken. Als Hilfsmittel geeignet sind Spitzen, Klemmen oder Schneiden.

Bei einer Ausführungsform der Anordnung gemäss der Erfindung ist zur notwendigen Anregung bestimmter Energiezustände bzw. Schwingungszustände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw.

Signalfrequenzen ausNachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, eine Zuführung von Primärstrahlung auf diese Teilsysteme von aussen mit geeigneter Frequenz bzw. geeigneten Frequenzen vorgesehen.

Bei einer andernAusführungsform wird die Anordnung so ausgebildet, dass für den für die Verstärkung interessierenden Frequenzbereich die einzelnen Teilsysteme in einer bestimmten geometrischan Zuordnung zueinander stehen und so ausgewählt sind, dass die Dispersionseigenschaften ihrer Kristalle an den bezüglich der elektromagnetischen Wechselwirkung der Teilsysteme vorgegebenen Strahlengang angepasst sind.

Für den Fall, dass Durchlässigkeit gefordert wird, ist es notwendig, dass die Kristalle keine anormale Dispersion des interessierenden Frequenzbereiches aufweisen. Wird dagegen Reflektion gefordert, so ist es notwendig, dass die Kristalle eine anormale Dispersion des interessierenden Frequenzbereiches aufweisen.

Eine Weiterbildung der Anordnung gemäss der Erfindung sieht vor, dass einzelne Teilsysteme als dünne Schichten ausgebildet sind, die zwischen den Grenzflächen benachbarter Teilsysteme eingebettet sind.

Bei einer Ausführungsform der Anordnung gemäss der Erfindung sind zwischen den einzelnen Teilsystemen Fremdschichten angebracht, die hinsichtlich ihrer Wirkung auf bestimmte Frequenzen selektive Eigenschaften besitzen, wie beispielsweise polarisierende oder doppelbrechende Eigenschaften.

Eine Weiterbildung der Anordnung gemäss der Erfindung sieht kraftübertragende Mittel vor, die durch Deformation des Kristallgitters durch äussere mechanische Kräfte eine Modifizierung der spannungsopti- schen Eigenschaften der Teilsysteme bewirken. Diese kraftübertragenden Mittel sind Schneiden, Klemmen oder Spitzen.

Es sind weiterhin Justiervorrichtungen vorgesehen, die eine unabhängige Einwirkung der äusseren mechanischen Kräfte auf die einzelnen Teilsysteme ermöglichen.

Bei einer andern Ausführungsform der Anordnung gemäss der Erfindung ist zur notwendigen Anregung bestimmter Energiezustände bzw. Schwingungszustände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw.

Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, die Einstrahlung von Kombinationsstrahlung aus benachbarten Teilsystemen mit angepasster Frequenz vorgesehen.

Bei einer weiterenAusführungsform der Anordnung gemäss der Erfindung ist zur notwendigen Anregung bestimmter Energien vonKristallschwingungszuständen in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw.

Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, ein Ultraschallgenerator vorgesehen, der auf diese Teilsysteme einwirkt.

Bei einer speziellen Weiterbildung sind ultraschallstrahlende Medien zur Erzeugung von Eigenschwingungen inTeilsystemen, die vonNachbarsystemen mindestens teilweise durch schallreflektierende Fremdschichten akustisch getrennt sind, vorgesehen.

Mindestens eines der Teilsysteme kann aus Halbleiterkristallen mit vorwiegend Valenzbindung be- stehen, vorzugsweise aus homöopolaren Kristallen, beispielsweise Germanium oder Silizium. Ebenso ist es möglich, dass mindestens eines der Teilsysteme aus halbleitenden Ionenkristallen, beispielsweise aus AIIIBV-Verbindungen, mit heteropolarem bzw. gemischtemBindungscharakter besteht oder dass wenigstens eines der Teilsysteme aus mit paramagnetischen Ionen stark dotierten Einkristallen halbleitender Elemente besteht.

Bei einer Ausführungsform der Anordnung gemäss der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Teilsysteme aus Molekülkristallen mit vorwiegend van-der-Waal'schemBindungscharakter besteht, beispielsweise aus organischen Halbleiterkristallen.

Gleicherweise ist es möglich, dass wenigstens eines der Teilsysteme aus magnetischen Verbindungen, deren Spinsysteme eigene Frequenzen aufweisen, die mit bestimmten Kombinationsfrequenzen anderer Teilsysteme korrespondieren, besteht.

Nähere Einzelhei ten gehen aus den an Hand der in denFig. 1-16 beschriebenen Ausführungsbeispielen her- vor. Die Erfindung ist nicht auf die lediglich zur Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiele beschränkt.

Die Fig. 1-4 dienen der Erläuterung der in den Ausführungsbeispielen als Grundprozesse vorkommenden Strahlungsübergänge.

In Fig. l sind aus dem Energieschema eines Kristalls die beiden Energieniveaus der Schwingungszustände Ein und En herausgegriffen, wobei Em grösser als En sein soll. Der Schwingungszustand mit der Energie En soll thermisch oder durch elektromagnetische Beeinflussung angeregt sein, was durch * auf dem Energieniveau En angedeutet ist. Es wird nun in den Kristall eine elektromagnetische Strahlung mit der Frequenz f primär eingestrahlt. Die zugehörige Quantenenergie ist durch den Pfeil hf angedeutet. Als Folge dieser Einstrahlung in diesen Kristall entsteht eine Strahlung hf mit gleicher Frequenz ; f= : f', was durch einen umgekehrten Pfeil gleicher Länge wie die eingestrahlte Quantenenergie angedeutet ist.

Ausserdem entsteht eine Streustrahlung mit der Frequenz fi = i-f mnl wobei f mn die der Energiedifferenz der beiden gezeigten Energiezustände entsprechende Frequenz einer Kristalleigenschwingung ist. Hiebei wird vom Kristallgitter die Energie Em-En absorbiert.

In Fig. 2 sind ebenso wie in Fig. l der Energiezustand Em und En dargestellt. Jetzt ist aber der höhere Energiezustand angeregt, was beispielsweise durch Wärme oder elektromagnetische Energie geschieht. Wird nunmehr die Primärstrahlung hu in den Kristall eingestrahlt, so entsteht neben der Strahlung mit gleicher Frequenz f = f'insbesondere eine Streustrahlung mit der Frequenz f2 = f + fmn' In diesem Fall entsteht die Frequenz indem der angeregte Kristall die Energiedifferenz Ern-En an das Strahlungsfeld abgibt.

In Fig. 3 sind wieder zwei Energieeigenwerte der Schwingungszustände des Kristallgitters herausgegriffen, die mit Em und En bezeichnet werden. Der Schwingungszustand En sei angeregt, was durch'" auf dem Energieniveau En angedeutet sei. Wird nun eine Primärstrahlung hu indenKristall eingestrahlt, deren Quantenenergie kleiner als die Energiedifferenz Em-En ist, so findet eine kohärente Streuung mit gleicherFrequenz ; f= ; f statt. An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Streufrequenzen ; fi und f : in den Fig. l und 2 mit der Primärstrahlung der Frequenz f nicht kohärent sind.

In Fig. 4 sind die gleichen Energiezustände aus dem Energiespektrum der Kristalleigenschwingungen

wie in den vorausgegangenen Figuren angezeigt. Der obere Energiezustand Em sei angeregt, was durch * auf dem Energieniveau Ein bezeichnet wird.

Wird nun die Primärenergie hv eingestrahlt, so entsteht neben der in Fig. 2 bereits erwähnten inkohärenten Streustrahlung mit der Frequenz eine kohärente Streustrahlung mit der Frequenz ; f= ; f' und ausserdem eine inkohärente Streustrahlung mit derFrequenz fs = f f - f, wobei im vorliegenden Fall die Frequenz f der Primärstrahlung kleiner ist als die Frequenz der Eigenschwingungen des Kristalls fmn'In Fig. 1 war demgegenüber die Frequenz der Primärstrahlung u grösser als die Eigenfrequenz des Kristallgitters ffmn' Die Anzahl der angeregten Energiezustände nimmt mit wachsender Temperatur zu. Die Intensität der Streustrahlung geht mit der eingestrahlten Primärstrahlung.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das an Hand der Fig. 5-8 beschrieben wird, ist das Zusammenwirken eines aus mehreren Teilsystemen bestehenden Gesamtsystems dargestellt.

In Fig. 5 sind zwei Energiezustände Ein und En der Kristallschwingungen des Teilsystems 1 dargestellt. Der untere Energiezustand En ist angeregt, was durch. angedeutet ist. Die Anregung erfolgt beispielsweise im vorliegenden Beispiel durch Einhalten einer bestimmten Temperatur des Teilsystems 1. Es wird nun eine Primärstrahlung hoher Intensität mit der Frequenz f in das Teilsystem 1 eingestrahlt, wobei die Streustrahlung mit der Frequenz fs entsprechend Fig. l entsteht. Diese Strah- lung der Frequenz f5 wird im Teilsystem 2, das in Fig.6 mit seinen Energieniveaus Em und En dargestellt ist, primär eingestrahlt.

Die Strahlung mit der Frequenz f5 ist nur relativ wenig verschieden von der durch die Differenz derEnergiezustände gegebenen Eigenfrequenz ; fj n des Teilsystems 2, so dass nunmehr bei Anregung des Energiezustandes En eine Streustrahlung hjg entsteht, wobei die Frequenz f6 relativ klein gegen die Frequenzen f5 und f ist. Im Teilsystem 2 ist durch eine entsprechend höhere Temperatur, als sie das Teilsystem 1 besitzt, der untere Energiezustand En stärker angeregt als im Teilsystem 1. Ausserdem wird im Teilsystem 2 auch eine Strahlung mit der Frequenz 5 ' erzeugt, deren Frequenz der aus dem Teilsystem 1 eingestrahlten Frequenz entspricht.

Die im Teilsystem 2 entstandene Streustrahlung h ; fg mit der Frequenz f6 wird in das Teilsystem 3 primär eingestrahlt. Das Teilsystem 3 mit seinen interessierenden, in Fig. 7 dargestellten Energiezuständen Em und En hat die gleiche Eigenfrequenz fmn wie die Teilsysteme 1 und 2 in Fig. 5 bzw. 6, d. h. die Energiedifferenzen Em-En sind in den Teilsystemen 1,2 und 3 alle gleich gross. Im Gegensatz zu den Teilsystemen 1 und 2 ist aber im Teilsystem 3 der Schwingungszustand mit der Eigenfrequenz f rnn durch eine bestimmte Temperatur angeregt, die sich von den Temperaturen in den Teilsystemen 1 und 2 unterscheidet. Die Temperatur im Teilsystem 3 ist grösser als die Temperatur im Teilsystem 2.

Demzufolge ist imTeilsystem 3 der Kristall im Energiezustand Ems was durch *** aufdemEnergieniveau E angedeutet ist. Es erfolgt deshalb im Teilsystem 3, wie in Fig. 7 ersichtlich, eine Streustrahlung mit der Frequenz 7, wobei jetzt aber der Kristall seinen angeregten Energievorrat in die Streustrahlung mit der Frequenz f7 emittiert. Die Frequenz f7 entspricht der Streustrahlung gemäss f2 in Fig. 2. Aus dem bisher Gesagten geht hervor, dass die Strahlung mit der Frequenz f7 in bezug auf die Frequenz mit der Strahlung der Frequenz f5 übereinstimmt.Die Phasenbeziehungen dieser Teilstrahlungen f5 und f7 in den Teilsystemen 1, 2 und 3 sind jedoch verschieden.

Es wird nun einerseits die Strahlung mit der Frequenz f7 aus dem Teilsystem 3 in die Teilsysteme 1 bzw. 2 zurückgestrahlt, wobei in den Teilsystemen 1 und 2 dieIntensitätderStrahlung mit der Frequenz in gewissen Grenzen beliebig verstärkt werden kann, insofern nur im Teilsystem 3 die Eigenfrequenz f mn hinreichend stark angeregt ist. Aus den Teilsystemen 1, 2 und 3 wird ausserdem in ein System von Unterteilsystemen 40, 41, 42 usw. des Teilsystems 4 die Strahlung mit der Frequenz f5 = f7 eingestrahlt. Diese Strahlung wird durch kohärente Streuung an dem angeregten Energiezustand Ei sowie durch mehrfache Reflexion an Begrenzungsflächen einzelner Untersysteme des Teilsystems 4 als in sich kohärentes Strahlungsfeld zur Emission der gewünschten Strahlung am Ausgang des Gesamtsystems ausgebildet.

Die Eigenfrequenzen der Teilsysteme 4 sind von den Eigenfrequenzen der Teilsysteme 1, 2 und 3 verschieden. Im vorliegenden Falle sei beispielsweise die Eigenfrequenz f ij erheblich grösser als fmn. Es sei der Energiezustand Ei im Teilsystem 4 und seinen Unterteilsystemen angeregt. Die im Teilsystem 1 eingestrahlte Primärstrahlung mit der Frequenz f besitzt eine gewisse Bandbreite. Auf die genannte Weise entsteht schliesslich eine gewünschte niederfrequente Strahlung, die durch die Quantenenergie der Schwingungszustände der Teilsysteme 2 und 3 beliebig in bezug auf die Intensität verstärkt werden kann. Gemäss der Erfindung besteht jedoch der wesentliche Zweck der Anordnung darin, dass auf die beschriebene Weise nunmehr im Gegensatz zu herkömmlichen Maser- und Laseranordnungen wählbare Frequenzen erzeugt und ausserdem verstärkt werden können.

Diese Frequenzen sind von den von der Natur vorgegebenen festen Eigenfrequenzen der quanten-

mechanischen Systeme der verwendeten Festkörper verschieden.

Die in den Untersystemen 40, 41 usw. vorhandene Strahlung ist in sich kohärent, da in den Untersystemen des Teilsystems 4 nur kohärente Streuung stattfindet. Das Teilsystem 4 hat eine gewisse Analogie zu einem Interferometer. Die Anregung der Zustände der Kristallschwingungen kann an Stelle einer thermischen Anregung wie im vorliegenden Beispiel auch elektromagnetisch erfolgen. Zu diesem Zweck besitzen die einzelnen Teilsysteme einen Eingang für die anregende elektromagnetische Strahlung, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz der Kristallschwingungen übereinstimmen muss.

Die zur Anregung bestimmte elektromagnetische Strahlung kann unabhängig von der Primärfrequenz des Teilsystems 1 von aussen eingestrahlt werden ; sie kann aber auch in bestimmten Teilsystemen aus der Pri- mÅarfrequenz durch Kombinationsstrahlung gebildet werden, die dann je nach Wahl in bestimmten Nachbarteilsystemen zur Anregung verwendet wird. In diesem Fall sind in einem bestimmten Teilsystem entsprechend angepasste Energieverteilung sowie entsprechend angepasste Energiedifferenzenvorzusehen, was durch Wahl geeigneter Substanzen erfolgen kann.

In den Fig. 9-12 ist ein weiteres Beispiel für ein Gesamtsystem, welches aus verschiedenen Teilsystemen besteht, in bezug auf das hiebei interessierende Termschema schematisch dargestellt.

Fig. 9 zeigt zwei Energiezustände der Kristallschwingungen eines Teilsystems 1 dieses Gesamtsystems. Die beiden Energiezustände sind mit Em und En bezeichnet. Der untere Energiezustand En ist thermisch oder elektrisch angeregt. Es wird nun auf dieses Teilsystem 1 eine Primärstrahlung hf mit der Frequenz f eingestrahlt, wobei die Kombinationsfrequenz f9 entsteht. Das Teilsystem 1 besteht aus einem Ionenkristall, in speziellen Fällen auch aus einem Molekülkristall. Die Strahlung hfg aus dem Teilsystem 1 wird nun als Pumpfrequenz in ein Teilsystem 2, wie in Fig. 11 dargestellt, eingestrahlt. Dieses Teilsystem 2 besteht nicht aus einem Ionenkristall, sondern aus einem Valenzkristall mit eingestreuten paramagnetischen Ionen. Das Termschema der Spinzustände dieser Ionen ist in Fig. 11 schematisch dargestellt.

Die im Teilsystem 1 in Fig. 9 erzeugte Frequenz fg ist auf die Pumpfrequenz abgestimmt, die denEnergiezuständen Es, E1 des Teilsystems 2 entspricht. In Fig. 10 sind zwei Energiezustände der Kristallschwingungen des Teilsystems 3 dargestellt. Das Teilsystem 3 besteht ebenso wie das Teilsystem 1 aus einem Ionenkristall bzw. aus einem Molekülkristall. Es wird nun in das Teilsystem 3 entweder die Frequenz v oder gleiche Primärstrahlung wie in Fig. 9 eingestrahlt oder es kann auch eine neue Primärstrahlung in das Teilsystem 3 eingestrahlt werden. Wir beschränken uns beispielsweise auf den Fall, dass im Teilsystem 3 die gleiche Primärstrahlung hv wie imTeilsystem 1 eingestrahlt wird. Die Energiezustände des Teilsystems 3, die hier herausgegriffen sind, sollen als E'jund E'n bezeichnet werden.

Hiedurch ist gekennzeichnet, dass das Teilsystem 3 ein anderes Termschema als das Teilsystem 1 in Fig. 9 besitzt. Dies kann durch Wahl eines Kristalls anderer Zusammensetzung geschehen oder in speziellen Fällen auch dadurch, dass das Teilsystem 3 zwar aus der gleichen Kristallart besteht wie das Teilsystem 1, im Teilsystem 3 aber die Differenz der Energiezustände durch Kompression des Kristallgitters oder durch ein starkes elektrischesFeld in der angedeuteten Weise vergrössert worden ist. Sowohl in dem einen als auch in dem andern Fall sei im Teilsystem 3 der untere Energiezustand E'n thermisch oder elektrisch angeregt.

Bei Einstrahlung der Primärstrahlung hf entsteht im Teilsystem 3 die Kombinationsstrahlung hf10 mit der Frequenz f10'Der Kristall des Teilsystems 3 ist so gewählt bzw. die Deformation des Kristallgitters ist von solcher Grösse, dass die Strahlung mit der Frequenz f10 mit der zu verstärkenden Schwingung des Teilsystems 2 in Fig. 11 übereinstimmt, deren Frequenz der Energiedifferenz 3, 2 entspricht. Im Teilsystem 3 ist der oberste Energiezustand 3 durch die Quantenenergie hv hinreichend stark angeregt, so dass die relativ niedrige Frequenz, welche den Energiezuständen Es, E2 entspricht, in der üblichen Weise nach dem Maserprinzip verstärkt wird. Das Gesamtsystem enthält ausserdem ein Teilsystem 4, das in Fig. 12 in bezug auf zwei Energiezustände dargestellt ist.

Das Teilsystem 4 besteht wieder aus einem Ionenkristall. Dieser kann von gleicher Beschaffenheit sein wie das Teilsystem 1 in Fig. 9. Der verschiedene Energieabstand gegenüber dem Teilsystem 1 wird in diesem Fall beispielsweise durch äussere mechanische Kräfte erzeugt. Es kann aber auch ein Ionenkristall gewählt werden, der von den Teilsystemen 1 und 3 verschieden ist und eine geeignet gewählte Eigenfrequenz besitzt. Im
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Im vorliegenden Beispiel wird die Primärstrahlung in Teilsysteme eingestrahlt, deren Eigenfrequen- zen beispielsweise durch äussere Deformation vergrössert ist im Vergleich zu den normalen Eigenfrequen- zen der nicht deformierten Teilsysteme am Ausgang des Gesamtsystems. In ganz entsprechender Weise lassen sich sinngemäss auch Gesamtsysteme mitstufenförmigemTermschema angeben, bei denen die Einstrahlung der Primärstrahlung inTeilsystemen mit relativ niedriger Eigenfrequenz vorgenommen wird und die zu erzeugende gewünschte Frequenz in Teilsystemen mit einer modifizierten, relativ hohen Eigenfrequenz am Ausgang des Gesamtsystems verstärkt emittiert wird.

Derartige aus mehrerenKristallteilsystemen bestehendeAnordnungen sind geeignet zur Erzeugung und Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung wählbarer, nicht durch einen bestimmten Kristall festge- legter Frequenzen bzw. Frequenzbänder, sofern nicht bestimmte Frequenzen durch Spinsysteme para- magnetischer Ionen in bestimmten Teilsystemen bevorzugt werden sollen. Die Anwendung derartiger Anordnungen kann sich auf Strahlungsbereiche beziehen, die sich vom Mikrowellenbereich bis in den sichtbaren Bereich bzw. ultravioletten Bereich erstrecken. Im allgemeinen wird man in einer bestimmten Anordnung beispielsweise die Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellenstrahlungen bevorzugen und durch- führen.

Nach dem gleichen Prinzip eines mehrstufigen Verstärkers der Kombinationsstrahlungen von Teilsystemen, die in gegenseitiger Strahlungswechselwirkung stehen, können auch Frequenzen im sichtbaren Spektralbereich erzeugt und verstärkt werden.

Weiterhin ist eine Anwendung gemäss der Erfindung als Verstärker und bzw. oder Frequenzwandler vorgesehen, wobei in verschiedenen Teilsystemen relativ hohe und in andern Teilsystemenrelativ niedere Frequenzen verstärkt werden. Ausserdem ist die Anordnung zur Verwendung als Seitenbandverstärker mit mehreren Verstärkerstufen geeignet.

Auf Grund der geringen räumlichen Ausdehnung sowie auf Grund der freien Wählbarkeit des Spektralbereiches ist die entsprechend den Erkenntnissen der Erfindung aufgebaute Anordnung als Sonde für strahlentherapeutische Zwecke verwendbar.

Weiterhin ist es möglich, eine Kombination mehrerer gleichartiger Anordnungen zur Erhöhung der Intensität bestimmter ausgewählter Frequenzen bzw. Frequenzbereiche anzuwenden. Ausserdem kann eine Kombination mehrerer gleichartiger Anordnungen zur wechselseitigen Beeinflussung der einzelnen Anordnungen verwendet werden, derart, dass beispielsweise eine Anordnung in einem tieferen Frequenzband auf eine andere einwirkt, während letztere in einem höheren Frequenzband auf die erstere einwirkt oder umgekehrt und dass aus einem bestimmten Teilsystem einer der Anordnungen eine verstärkte Kombinationsfrequenz austritt. Ausserdem sind Kombinationen aus mehreren gleichartigen Anordnungen zur Verwendung als Filter bzw. als Tief- oder Hochpass geeignet.

Eine Kombination aus einer grossen Anzahl gleichartiger Anordnungen kleiner geometrischer Ausdehnung ist für die Verwendung als Bildwandler geeignet.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Aus mehreren Kristall-Teilsystemen bestehende Anordnung zur Erzeugung bzw. Verstärkung elek- tromagnetischer Strahlung unter Ausnutzung des Ramaneffektes, da durch gekennzeichnet, dass jedes Teilsystem (1, 2, 3, 4) der Anordnung aus einem Halbleiter besteht, bei dem die von Natur vorgegebenen quantenmechanischen Schwingungszustände der atomaren Bausteine des Kristalls, beispielsweise der Moleküle, zu Schwingungen angeregt sind, welche energetisch höheren Termen entsprechen, so dass bei einer eingestrahlten Primärstrahlung Kombinationsfrequenzen auftreten, deren Grösse der Summe oder der Differenz von Primärstrahlung und Eigenfrequenz entspricht, und dass die Kombinationsstrahlung eines Systems (1) als Primärstrahlung des Nachbarsystems (2)

zur Erzeugung einer neuen Kombinationsstrahlung Verwendung findet (Fig. 5-8).

Claims

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine wechselseitige optische Kopplung wenigstens zweier verschieden angeregterTeilsysteme (2, 3, 4) vorgesehen ist, derart, dass eine in einem Teilsystem (2) aus einer eingestrahlten Primärfrequenz erzeugte Kombinationsstrahlung in ein anderes Teilsystem (3) einstrahlbar ist, in welchem eine der Frequenz der Primärstrahlung entsprechende Kombinationsstrahlung entsteht, und dass ein weiteres als Resonator ausgebildetes Teilsystem (4) mit den wechselseitig optisch gekoppelten Teilsystemen optisch gekoppelt ist, in welchem sich die eingestrahlte Primärfrequenz und die mit dieser hinsichtlich der Frequenz übereinstimmende Kombinationsstrahlung kohärent gestreut überlagern und infolgedessen verstärkbar sind (Fig. 6-8).

EMI7.1 <Desc/Clms Page number 8> paramagnetischer Fremdionen bzw. von ferrromagnetischen Eisenverbindungen, Verwendung finden.

4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die frei wählbare Frequenz bzw. frei wählbaren Frequenzen der Primärstrahlung so gewählt sind, dass wenigstens teilweise die zu verstarkendenFrequenzen der entstehendenKombinationsstrahlung mit den Eigen- frequenzen benachbarter Teilsysteme übereinstimmen oder in ganzzahligen Verhältnissen korrespondieren.

5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Teilsystem ein Nachbarsystem gewählt ist, das mindestens eine Eigenfrequenz besitzt, die mit der zu verstärkenden, mit der Primärstrahlung nicht kohärenten Kombinationsstrahlung des Teilsystems korrespondiert und somit eine kohärente Streuung dieser Kombinationsstrahlung ermöglicht.

6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien für die Teilsysteme so gewählt sind, dass die Eigenfrequenz eines kohärent streuenden und verstärkenden Teilsystems sich derart von der von einemNachbarsystem eingestrahltenKombinations- frequenz unterscheidet, dass die dabei entstehende Differenzfrequenz in einen andern Frequenzbereich, beispielsweise in das Submillimeterwellengebiet. fällt..

7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei geforderter Durchlässigkeit die Kristalle keine anomale Dispersion des interessierenden Frequenzbereiches aufweisen.

8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei geforderter Reflexion die Kristalle anomale Dispersion des interessierenden Frequenzbereiches aufweisen.

9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Teilsysteme als dünne Schichten in der Grössenordnung von 10-7 bis 10-5 cm ausgebildet sind.

10. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche l bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Teilsystemen optisch selektive Fremdschichten angebracht sind.

11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das zwischen einzelnen Teilsystemen polarisierende Fremdschichten angebracht sind.

12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Teilsystemen doppelbrechende Fremdschichten angebracht sind.

13. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Spitzen, Klemmen oder Schneiden vorgesehen sind, die eine Deformation des Kristallgitters eines kohärent streuendenTeilsystems zur Anpassung derEigenfrequenz an die von einem Nachbarsystem eingestrahlte Kombinationsfrequenz bewirken.

14. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass kraftübertragende Mittel, wie beispielsweise Druckstempel oder Schneiden, vorgesehen sind, die durch Deformation des Kristallgitters durch äussere mechanische Kräfte eine Modifizierung der spannungsoptischen Eigenschaften des Teilsystems bewirken.

15. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristall-Teilsysteme unabhängig voneinander mechanisch deformierbar sind.

16. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezustände bzw. Schwingungszustände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw.

Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, fremderregt sind.

17. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur notwendigen Anregung bestimmter Energiezustände bzw. Schwingungszustände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, die Einstrahlung von Kombinationsstrahlung aus benachbarten Teilsystemen mit angepasster Frequenz vorgesehen ist.

18. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur notwendigen Anregung bestimmter Energien von Kristallschwingungszuständen in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, ein Ultraschallgenerator vorgesehen ist, der auf diese Teilsysteme einwirkt.

19. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ultraschallstrahlende Medien zur Erzeugung von Eigenschwingungen in Teilsystemen, die von Nachbarsystemen mindestens teilweise durch schallreflektierende Fremdschichten akustisch getrennt sind, vorgesehen sind. EMI8.1 <Desc/Clms Page number 9> dass mindestens eines der Teilsysteme aus Halbleiterkristallen mit Valenzbindungen besteht, vorzugsweise aus homöopolaren Kristallen, beispielsweise Germanium oder Silizium.

21. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Teilsysteme aus mit paramagnetischen Ionen stark dotierten Einkristallen halbleitender Elemente (Valenzkristallen) besteht.

22. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teilsysteme aus Molekülkristallen mit vorwiegend van-der-Wall'schem. Bin- dungscharakter besteht.

23. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Teilsysteme aus magnetischen Verbindungen, deren Spinsysteme Eigenfrequenzen aufweisen, die mit bestimmten Kombinationsfrequenzen anderer Teilsysteme korrespondieren, besteht.