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Verfahren zur Erzeugung von Lichtwellen mittels Hilfslichtwellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Lichtwellen am Empfangsort mit- tels zu übertragender kohärenter, insbesondere durch LASER erzeugter Hilfslichtwellen, unter Anwendung eines Materials, das einen ausgeprägten nichtlinearen Effekt gegenüber den einfallenden Hilfs- lichtwellen aufweist und unter Verwendung der derart hervorgerufenen Summen- und/oder Differenzfrequenzen der einfallenden Hilfslichtwellen.
Es ist bekannt (R. W. Terhune "Nonlinear Optics" in n Science and Technology", August 1964), dass nichtlineare Effekte, wie sie in der Radiotechnik schon lange Zeit verwendet werden, auch bei Lichtwellen nachgewiesen werden können, wenn die Intensität der Lichtquelle gross genug ist. Die Transparenz eines Mediums beruht bekanntlich auf einem Mitschwingen der von den positiven Atomkernen und den um sie angeordneten negativen Elektronen gebildeten atomaren Dipole im elektrischen Feld der Lichtstrahlung.
Die Amplitude dieses Mitschwingens ist im Bereich geringer Lichtenergie als proportional zu der anregenden Feldstärke anzunehmen, wodurch mit Lichtquellen der bisher üblichen Leistung keine nichtlineraren Effekte nachweisbar waren. Erst bei Steigerung der Lichtenergie besteht kein linearer Zusammenhang mehr und es tritt eine Art von Verzerrung ähnlich wie an der gekrümmten Kennlinie einer Elektronenröhre ein.
Man kann daher seit der Einführung des LASER-Lichtes diese, von der theoretischen Physik schon lange vorhergesagten, optischen Effekte nun auch experimentell nachweisen. Demnach sind alle nichtlinearen Erscheinungen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen nun auch mit Licht produzierbar : Oberwellen, Mischung, Gleichrichtung, Begrenzung durch nichtlineare Absorption usw. Durch das Zusammenwirken mehrerer dieser Effekte kann praktisch jede beliebige Frequenz im Bereich von Infra- rot bis Ultraviolettin eine andere umgewandelt werden. Dazu verwendbare Anordnungen von nichtlinear ansprechendem Material, die eine besonders gute Ausbeute der gewünschten Frequenz ermöglichen, sind ebenfalls bekannt, wie etwa in der deutschen Patentschrift Nr. 116 958 5 beschrieben.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Schwächung von Licht beim Durchgang durch Materie stark von der Frequenz dieses Lichtes abhängt. Die Aufnahme von Lichtabsorptionskurven in bestimmten Substanzen zeigt sogar oft das Vorhandensein von sogenannten Fenstern, d. h., dass nur ein mehr oder weniger schmales Frequenzband ungehindert durchdringen kann, während Wellen aller andern Längen stark geschwächt werden. Ein ähnlicher Effekt wird z. B. in der Photographie benutzt, wo durch infrarotempfindliche Filme und Infrarotfilter bewirkt wird, dass nur diese Wellenlängen, die den in der Luft enthalte- nen Wasserdunstleichter durchdringenkönnen, zur Herstellung des Bildes herangezogen werden, während die kurzwelligere Streustrahlung nicht berücksichtigt wird.
Die Erfindung besteht darin, dass insbesondere die Wellenlänge der zu übertragenden Hilfslichtwellen, allenfalls deren Wellenbereich, die Wellenlänge der zu erzeugenden Lichtwellen und/oder die Beschaffenheit des Übertragungsmediums, so gewählt werden, dass dieses Medium, über welches die Hilfslichtwellen von der Geber- zur Empfangsseite übertragen werden, für die Hilfslichtwellen durch- lässiger ist als für die am Empfangsort zu erzeugenden Lichtwellen und dass von der Geber- zur Empfangs-
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seite als Hilfslichtwellen kohärente Trägerlichtwellen und kohärente Seitenlichtwellen übertragen werden, wobei die Seitenlichtwellen zumindest bezüglich ihrer Wellenlänge, gegebenenfalls auch bezüglich ihrer Phasenlage und/oder Amplitude jenen Lichtwellen gleichen, welche entstehen würden,
wenn man die Trägerlichtwellen durch die empfangsseitig zu erzeugenden Lichtwellen modulieren würde, und wobei man ferner die Trägerlichtwellen und die Seitenlichtwellen auf ein und dieselbe Stelle eines Materials auftreffen lässt, das einen ausgeprägten nichtlinearen Effekt gegenüber diesen Hilfslichtwellen aufweist und das vorzugsweise die Hilfslichtwellen in höherem Masse absorbiert als die empfangsseitig zu erzeugenden Lichtwellen. Es können geber- sowie empfangsseitig entweder die oberen und die unteren Seitenlichtwellen, oder nur die einen der beiden Anwendung finden.
Der Erfindungsgedanke sei an einem Beispiel erläutert. Licht von der Frequenz f1 und f (Hilfslicht-
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mäss kann man von den drei Faktoren : Hilfslichtwellen, zu erzeugende Lichtwellen und Medium, durch welches die Hilfslichtwellen von der Geber- zur Empfangsseite übertragen werden, einen Faktor, zwei beliebige Faktoren oder auch alle drei so wählen, dass das vorgenannte Medium für die Hilfslichtwellen durchlässiger ist als für die zu erzeugenden Lichtwellen. Diese Möglichkeit der Wahl ist deshalb gege-
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bzw. Differenzfrequenz erhält.
Nach dem bisherigen Stand der Technik wurde das optisch nichtlineare Material, bestrahlt durch LASER-Licht, dazu verwendet, monochromatisches, phasenkohärentes Licht mit Frequenzen zu erzeugen, für welche es bisher noch keine LASER-Quelle gibt. Es ist bereits gelungen, einen wesentlich grösseren Frequenzbereich, als den des sichtbaren Lichtes, nahezu lückenlos mit monochromatischem, phasenkohärentem Licht zu bestreichen. Somit sind die aufgezählten Möglichkeiten mit dem heutigen Stand der Technik realisierbar.
Demgegenüber hat der Erfindungsgegenstand die Aufgabe, überall dort indirekte Übertragungsmöglichkeiten für Licht am Empfangsort gewünschter Frequenzen zu schaffen, bzw. dieses Licht von der Geberseite aus am Empfangsort zu erzeugen, wo z. B. die direkte Übertragung wegen des vorhandenen oder zu wählenden Übertragungsmediums nicht, oder in nicht ausreichendem Masse möglich wäre, oder wo die direkte Übertragung aus bestimmten Gründen (z. B. der Chemie, Medizin, Landesverteidigung u. a.) unmöglich oder unzweckmässig wäre.
Die Anordnung zur Mischung kann nach den beiden als Ausführungsbeispiele erläuternden Fig. 1 und 2 mit Hilfe eines der bekannten nichtlinear reagierenden Materialien durchgeführt werden.
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sollen in dieser Anordnung aus derselben Richtung bzw. über denselben Weg auf den Empfänger fallen.
Sie werden daher auf der Geberseite mittels des halbdurchlässigen Spiegels -3-- in diese Richtung (4', 5") gebracht und erreichen zusammen das nichtlineare Material --6-- auf der Empfangsseite, in dem dann die Summen-bzw. Differenzbildung der beiden Frequenzen erfolgt. Die Lichtstrahlen - 5'und 4"-- könnten in gleicher Weise für einen ändern Empfangsort verwendet werden.
Fig. 2 zeigt eine Variante, wonach die Erzeugung von Lichtwellen am Empfangsort mittels drei Wellen (10, 11, 12) vorgenommen wird, die aus den Quellen --7, 8 und 9-- kommen und aus verschiedenen Richtungen konvergent vom Geber- zum Empfangsort übertragen werden. Die Mischung erfolgt wieder in der nichtlinearen Substanz --13-- auf der Empfangsseite. Das übertragende Medium ist für die drei Wellen durchlässiger als für die Mischprodukte. Vor der Mischung könnten die drei Wellen am Empfangsort auch in die gleiche Richtung gebracht werden. Ebenfalls wäre es möglich, die drei Wellen parallel oder divergent von der Geber- zur Empfangsseite auszustrahlen und sie erst am Empfangsort oder an einer Zwischenstelle durch an sich bekannte Mittel (z. B, Spiegel, Linsen u. a.) auf den Empfänger fallen zu lassen.
Die Hilfslichtwellen können entweder primär von einzelnen Lichtquellen, oder sekundär z. B. durch Mischung bzw. eine beliebige Modulationsart der Frequenzen mehrerer Lichtquellen, durch Bildung von Oberwellen einer oder mehrerer Frequenzen od. dgl. erzeugt werden.
Ferner kann man eine oder mehrere der Hilfslichtwellen durch eine für Lichtwellen anwendbare
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Modulationsart modulieren, insbesondere durch Amplituden- (Intensität-) oder Impulsmodulation.
Es ist auch möglich, am Empfangsort zusätzlich zu den Hilfslichtwellen weitere lokal erzeugte Lichtwellen an dem Mischvorgang zu beteiligen.
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Method for generating light waves by means of auxiliary light waves
The invention relates to a method for generating light waves at the receiving location by means of coherent auxiliary light waves to be transmitted, in particular those generated by LASER, using a material that has a pronounced non-linear effect on the incident auxiliary light waves and using the sums generated in this way - And / or difference frequencies of the incident auxiliary light waves.
It is known (RW Terhune "Nonlinear Optics" in Science and Technology ", August 1964) that nonlinear effects, as they have been used in radio technology for a long time, can also be detected in light waves if the intensity of the light source is large enough As is well known, the transparency of a medium is based on an oscillation of the atomic dipoles formed by the positive atomic nuclei and the negative electrons arranged around them in the electric field of the light radiation.
The amplitude of this resonance is to be assumed to be proportional to the exciting field strength in the range of low light energy, so that no non-linear effects could be detected with light sources of the previously usual power. Only when the light energy is increased is there no longer a linear relationship and a type of distortion similar to the curved characteristic curve of an electron tube occurs.
Since the introduction of LASER light, these optical effects, long predicted by theoretical physics, can now also be experimentally demonstrated. Accordingly, all non-linear phenomena of high-frequency electromagnetic waves can now also be produced with light: harmonics, mixing, rectification, limitation through non-linear absorption, etc. Through the interaction of several of these effects, practically any frequency in the range from infrared to ultraviolet can be converted into another . Arrangements of non-linearly responsive material which can be used for this purpose and which enable a particularly good yield of the desired frequency are also known, as described, for example, in German Patent No. 116 958 5.
It is also known that the attenuation of light when it passes through matter strongly depends on the frequency of this light. The recording of light absorption curves in certain substances even often shows the presence of so-called windows, i.e. This means that only a more or less narrow frequency band can penetrate unhindered, while waves of all other lengths are greatly weakened. A similar effect is z. It is used, for example, in photography, where infrared-sensitive films and infrared filters ensure that only those wavelengths that can more easily penetrate the water vapor contained in the air are used to produce the image, while the shorter-wave scattered radiation is not taken into account.
The invention consists in that in particular the wavelength of the auxiliary light waves to be transmitted, possibly their wavelength range, the wavelength of the light waves to be generated and / or the nature of the transmission medium, are selected so that this medium, via which the auxiliary light waves from the transmitter to the receiver side are transmitted, for the auxiliary light waves is more permeable than for the light waves to be generated at the receiving location and that from the transmitter to the receiver
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side coherent carrier light waves and coherent sidelight waves are transmitted as auxiliary light waves, the sidelight waves at least with regard to their wavelength, possibly also with regard to their phase position and / or amplitude, resemble those light waves that would arise,
if one were to modulate the carrier light waves by the light waves to be generated on the receiving side, and furthermore allowing the carrier light waves and the side light waves to impinge on one and the same point of a material which has a pronounced nonlinear effect on these auxiliary light waves and which preferably absorbs the auxiliary light waves to a greater extent than the light waves to be generated on the receiving side. Either the upper and lower side light waves, or only one of the two, can be used on the transmitter and receiver sides.
The idea of the invention will be explained using an example. Light of frequency f1 and f (auxiliary light
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According to the three factors: auxiliary light waves, light waves to be generated and medium through which the auxiliary light waves are transmitted from the transmitter to the receiving side, one factor, any two factors or all three can be selected so that the aforementioned medium is more permeable for the auxiliary light waves is than for the light waves to be generated. This option of choice is therefore not
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or difference frequency receives.
According to the prior art, the optically non-linear material, irradiated by LASER light, was used to generate monochromatic, phase-coherent light at frequencies for which there is no LASER source as yet. We have already succeeded in covering a much larger frequency range than that of visible light, almost completely with monochromatic, phase-coherent light. This means that the options listed can be implemented with the current state of the art.
In contrast, the object of the invention has the task of creating indirect transmission possibilities for light at the receiving location of the desired frequencies everywhere, or to generate this light from the transmitter side at the receiving location, where z. For example, direct transmission would not be possible or insufficiently possible because of the transmission medium that is available or to be selected, or where direct transmission would be impossible or inexpedient for certain reasons (e.g. chemistry, medicine, national defense, etc.).
The arrangement for mixing can be carried out in accordance with FIGS. 1 and 2, which illustrate exemplary embodiments, with the aid of one of the known non-linearly reacting materials.
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should fall on the receiver from the same direction or via the same path in this arrangement.
They are therefore brought in this direction (4 ', 5 ") on the transmitter side by means of the semi-transparent mirror -3-- and together they reach the non-linear material --6-- on the receiving side, in which the sum or difference of the The light beams - 5 'and 4 "- could be used in the same way for a different receiving location.
Fig. 2 shows a variant, according to which the generation of light waves at the receiving location is carried out by means of three waves (10, 11, 12) that come from the sources - 7, 8 and 9 - and convergent from different directions from the transmitter to the Receiving location. The mixing takes place again in the non-linear substance --13 - on the receiving side. The transmitting medium is more permeable for the three waves than for the mixed products. Before mixing, the three waves could also be brought in the same direction at the receiving location. It would also be possible to emit the three waves in parallel or divergent from the transmitter to the receiver side and only to let them fall onto the receiver at the receiving location or at an intermediate point using known means (e.g. mirrors, lenses, etc.).
The auxiliary light waves can either primarily come from individual light sources, or secondarily z. B. by mixing or any type of modulation of the frequencies of several light sources, od by the formation of harmonics of one or more frequencies. The like. Are generated.
Furthermore, one or more of the auxiliary light waves can be used by one for light waves
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Modulate the type of modulation, in particular through amplitude (intensity) or pulse modulation.
It is also possible, in addition to the auxiliary light waves, to include further locally generated light waves in the mixing process at the receiving location.