DE1158172B - Optischer Verstaerker fuer selektive Fluoreszenz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Verstärker für selektive Fluoreszenz, wie er in dem Aufsatz »Optical Masers« von Arthur L. Schawlow in der Zeitschrift »Scientific American«, Juni 1961, S. 54 bis 61, beschrieben wurde.

Kurz gesagt erzeugt der optische Verstärker kohärentes Licht, während die sonst bekannten Lichtquellen keinen Zusammenhang in ihrer Phase kennen. Bei einer Glühlampe oder einer Gasentladungslampe z. B. wird das Licht durch die völlig regellos verteilte Erzeugung von Photonen hervorgerufen, ohne daß irgendein Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Emission der einzelnen Photonen besteht. Licht entsteht durch(übergänge von einem höheren Energiezustand eines Atoms oder Moleküls zu einem niedereren Energiezustand. Bei der selektiven Fluoreszenz werden dagegen diese Energieübergänge synchron, d. h. phasengleich ausgelöst. Bei richtigem Betrieb eines optischen Verstärkers erfolgt die Lichtemission überwiegend in einem einzigen kohärenten Quantenzug, da eine große Anzahl von Atomen oder Molekülen zugleich von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand übergehen. Überraschenderweise läßt es sich erreichen, daß bei solchen Energieübergängen entstehende Photonen unter gewissen Voraussetzungen benachbarte Energieübergänge auslösen.

Die denkbaren Anwendungsmöglichkeiten einer kohärenten Lichtquelle sind für den Fachmann unbegrenzt. So ist z. B. in dem erwähnten Aufsatz ausgeführt, daß ein einziger optischer Verstärker bei Betrieb nach Art eines bekannten modulierten Hochfrequenzgenerators die gesamte Information aufnehmen könnte, die gegenwärtig durch sämtliche Rundfunkkanäle auf der ganzen Welt übertragen wird.

Die bekannten Ausführungsformen von optischen Verstärkern leiden jedoch noch an vielen Schwierigkeiten. Dazu gehören z. B. ungenügende Intensität der Lichtquelle, die zur Anregung der Atome dient, unerwünschte Dispersion des vom optischen Verstärker abgegebenen Lichtes und erhebliche Kühlungsschwierigkeiten. Die Erfindung hat das Ziel, diese Schwierigkeiten zu verringern.

Der erfindungsgemäße optische Kristallverstärker für selektive Fluoreszenz ist dadurch gekennzeichnet, daß das selektiv fluoreszente Medium aus einer größeren Anzahl von parallel gebündelten Lichtführungssträngen aus selektiv fluoreszenten Kristallen besteht. Vorzugsweise handelt es sich um Kristallfasern aus Aluminiumoxyd mit Chromeinlagerungen (Rubin), die eine Lichtführung bewirken.

Die Energie zur Anregung des selektiv fluoreszenten Faserbündels wird erfindungsgemäß durch eine Optischer Verstärker für selektive Fluoreszenz Anmelder:

Litton Industries Inc.,
Beverly Hills, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt, München 22, Widenmayerstr. 46

Beanspruchte Priorität:
,, V. St. v. Amerika vom 31. Juli 1961 (Nr. 127 983)

Norman F. Fyler, Menlo Park, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Lichtquelle geliefert, die aus dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre besteht. Dieser wird durch einen sehr intensiven flächenhaften Elektronenstrahl angeregt.

Eine Lichtverstärkung läßt sich erfindungsgemäß

dadurch erreichen, daß ein Teil der abgegebenen Lichtenergie in das optische System zurückgekoppelt wird. Dies geschieht mittels eines Seils aus optischen Fasern, dessen Enden zusammengeführt sind.

Die Kühlung des erfindungsgemäßen optischen Verstärkers geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß ein Kühlmittel zwischen den einzelnen Fasern hindurchgeleitet wird.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist Fig. 1 ein Längsschnitt durch den optischen Verstärker gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise eines optischen Verstärkers;

Fig. 3 und 4 sind Querschnitte durch verschiedene mögliche Anordnungen der einzelnen Fasern bei der Anordnung nach Fig. 1, und

Fig. 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit teilweise geschlossenem Lichtweg.

Fig. 1 zeigt einen Vakuumkolben, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse 12 mit zwei Stirnplatten 14 und 16.

Innerhalb des Gehäuses 12 befindet sich eine konzentrische zylindrische Kathode 18. Sie ist mit nicht

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dargestellten Heizdrähten versehen und trägt auf ihrer Innenseite eine Elektronenemissionsschicht 20. Im Betrieb wird die Kathode 18 auf Rotglut, d. h. auf etwa 850 bis 900 ⁰C erhitzt. Innerhalb des Kathodenzylinders 18 kann ein Steuergitter 22 in Form einer Draht- ί wendel vorgesehen sein. Das Gitter wird durch nicht dargestellte längsverlaufende Haltestäbe getragen.

Ein Innenzylinder 24 aus temperaturfestem Glas bzw. Quarz od. dgl. ist konzentrisch mit dem Gitter und der Kathode angebracht. Die Außenfläche des Glaszylinders 24 ist mit einem aluminisierten Leuchtstoffüberzug 26 versehen, dessen spektrale Verteilung dem Absorptionsmaximum des selektiv fiuoreszenten Kristalls angepaßt ist. Es können Elektronenstromdichten von 5, 10 oder sogar mehr als 40 Amp./cm² auf den Überzug 26 gerichtet werden. Der aluminisierte Leuchtstoffüberzug stellt die Anode der Kathodenstrahlröhre dar, die auf einem positiven Potential von mehreren 1000 bis 20000 Volt liegt.

Das selektiv fluoreszente Medium 28 befindet sich in der Achse des Vakuumrohres. Es besteht erfindungsgemäß aus einem Bündel lichtleitender Fasern oder Stränge. Zwischen dem Glaszylinder 24 und dem Faserbündel 28 sind Halteringe 31 bis 35 angeordnet. Die einzelnen Fasern 28 bestehen beispielsweise aus Rubin. Dieser Stoff, der bereits in optischen Verstärkern Verwendung gefunden hat, besteht aus Aluminiumoxyd, wobei einige Aluminiumatome des Kristallgitters durch Chromatome ersetzt sind. Er wird deshalb auch manchmal als mit Chrom dotiertes Aluminiumoxyd bezeichnet. Auch andere Kristalle können Verwendung finden, so z. B. Kalziumfluoridkristalle mit Samarium- oder Uranzusatz.

Übrigens ist die Anordnung der äußeren Lichtquelle nach Fig. 1 nicht auf optische Fasern beschränkt, sondern kann auch bei optischen Verstärkern mit gasförmigem oder anderem selektiv fiuoreszenten Medium Verwendung finden.

Der Raum zwischen den Fasersträngen 28 und dem Zylinder 24 kann einen Teil der Vakuumkammer 12, 14,16 darstellen. Vorzugsweise dient er aber zur Durchströmung eines Kühlmittels. Beispielsweise kann flüssiger Stickstoff durch den Raum zwischen dem Glaszylinder 24 und den Fasersträngen 28 hindurchgeleitet werden. Die Ringe 31 bis 35 können axiale Löcher zum Durchgang des Kühlmittels aufweisen. Die Ringe suchen aber das Kühlmittel vorzugsweise durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern hindurchzudrängen, so daß das Bündel 28 von innen gekühlt wird. Außerdem hält der flüssige Stickstoff auch den Innenzylinder 24 auf so niedriger Temperatur, daß der Leuchtstoffüberzug 26 durch die intensive Wärmestrahlung der rotglühenden Kathode nicht zerstört wird.

Bei vielen bisher vorgeschlagenen optischen Verstärkern werden zwei Spiegel verwendet, um die Strahlen auszurichten und die Resonanzwirkung beim Aussenden des Lichtstrahls zu verstärken. Bei der vorliegenden Anordnung ist das linke Ende des Faserbündels 28 so ausgebildet, daß sich ein einheitlicher optischer Körper ergibt, dessen Stirnfläche 40 geschliffen, poliert und versilbert ist, so daß sich eine vollständig reflektierende Fläche ergibt. Die Austrittspupille 42 kann entsprechend bekannten Vorschlägen teilversilbert sein.

Vorzugsweise ist sie aber überhaupt nicht versilbert, da bereits bei ein oder zwei Durchgängen durch die optischen Fasern genügend angeregte Energie ausgelöst worden ist. Um dies zu erreichen, kann die Anordnung entsprechend lang gemacht werden, z. B. etwa 90 bis 120 cm lang.

Im Vergleich zu den bekannten Anordnungen, bei denen ein Einkristall verwendet wird, hat die Faserbündelanordnung nach Fig. 1 eine Anzahl von Vorteilen. Ein besonderer Nachteil der Anordnung mit großen Kristallen liegt nämlich darin, daß bei solchen großen Kristallen Fehlstellen unvermeidlich sind. Dadurch wird die gewünschte rasche und wirksame Resonanzwirkung bei der Auslösung der selektiven Fluoreszenz verschleiert.

Erfindungsgemäß können dagegen die monokristallinen optischen Fasern einzeln vor dem Zusammenbau untersucht und fehlerhafte Fasern ausgeschieden werden. Wegen der großen Querschnitte der bisher verwendeten Kristalle treten ferner Schwingungen in vielfachen Formen auf. Infolgedessen wird die Lichterzeugung auf verschiedene Schwingungsformen aufgeteilt, so daß inkohärentes Streulicht nicht ganz vermieden wird. Die Abmessungen der Fasern 28 sind dagegen so gering, daß sie nur wenige Wellenlängen in Querrichtung zulassen. Demzufolge werden Schwingungen in anderen als der Vorzugsrichtung unterdrückt, und die unerwünschte Tendenz zur Inkohärenz und Lichtstreuung wird vermieden. Die Fasern haben z. B. einen Durchmesser von 5 μΐη. Sie besitzen einen hohen Brechungsindex (etwa 1,70), während das umgebende Medium einen verhältnismäßig geringen Brechungsindex aufweist, so daß eine echte Lichtführungs auftritt.

Zum Verständnis der Arbeitsweise der Anordnung soll an Hand von Fig. 2 kurz die Theorie der optischen Verstärker behandelt werden. In Vertikalrichtung sind verschiedene Energieniveaus aufgetragen, wobei der Grundzustand ganz unten liegt und die Niveaus I und II höhere Energiestufen darstellen. Die Niveaus I und II werden bei Festkörpern häufig als Energiebänder bezeichnet. Wegen der begrenzten Anzahl der möglichen Energiezustände ist nur eine bestimmte Gruppe von Übergängen zwischen Energiebändern untereinander und zum Grundzustand möglich. Diese möglichen Energieübergänge sind mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet. Durch Energiezufuhr können die Atome auf einen höheren Energiezustand gehoben werden. Bei Energieverlust kehren sie stufenweise zum Grundzustand zurück. Der Energjegewinn kann in verschiedener Weise erfolgen, z. B. durch Erwärmen, Stoß bewegter Teilchen oder Strahlung. Geht ein Atom von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand über, so wird ein Lichtquant ausgesandt, dessen Wellenlänge bzw. Frequenz durch die Energiedifferenz E^-E₁ = hv bestimmt ist.

Im Falle des Rubins können durch Bestrahlung mit grünem Licht die Atome auf die Niveaus I und II gehoben werden. Das zwischenliegende Niveau I ist als metastabiler Zustand bekannt. Bei Übergang von Niveau I zum Grundzustand (Verlust B) wird rotes Licht ausgestrahlt. Dieser Übergang kann durch Einfall roten Lichtes mit gleicher Frequenz ausgelöst werden. Dieses rote Licht kann beispielsweise von einem vorherigen Übergang herrühren.

Die Auslösung ist ein wesentliches Kennzeichen der optischen Verstärkerwirkung. Sie besteht in der bemerkenswerten Eigenschaft, daß ein fremdes Quant in der Resonanzfrequenz des Emissionslichtes in einem metastabil angeregten Atom ein weiteres Quant

gleicher Frequenz und Phase auslöst, so daß man von einer Verstärkung des ersten Quants sprechen kann. In einem Kristall mit einer verhältnismäßig großen Anzahl angeregter Atome ergibt sich so eine Kaskadenwirkung, wodurch ein kohärentes Signal von zunehmender Amplitude auftritt. Jeder Übergang löst mehr als einen weiteren Übergang aus, und dieses lawinenartige Anschwellen der ausgelösten Lichtintensivität setzt sich durch den ganzen Kristall fort, bis alle angeregten Atome aus dem metastabilen Zustand in den Grundzustand zurückgekehrt sind. Bei Dauerbetrieb für Verstärkungszwecke wird ständig Eingangsenergie nachgeliefert, um eine hohe Konzentration von Atomen im angeregten Zustand aufrechtzuerhalten.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in Fig. 3 bis 5 dargestellt. Fig. 3 und 4 zeigen Querschnitte zweier Abänderungen des Lichtleitstabbündels 28 in Fig. 1. In Fig. 3 sind die einzelnen Lichtführungsfasern 46 jeweils mit einer Schicht 48 überzogen. Der Brechungsindex der Rubinfasern 46 ist etwa 1,78, während derjenige des Überzugs (Glas oder anderes durchsichtiges Material) z. B. etwa 1,52 beträgt. Dieser Unterschied im Brechungsindex erzeugt eine innere Totalreflexion für Licht, das in Längsrichtung durch die Fasern 46 läuft. Dagegen geht Licht, das senkrecht zur Achse der Fasern 46 sich fortpflanzt, durch die Überzüge 48 zu den benachbarten Rubinfasern 46 über. Diese gegenseitige Kopplung bewirkt die gewünschte Kohärenz der Lichtemission im ganzen Querschnitt des Bündels 28. Es muß die rechte Mitte zwischen der gegenseitigen Kopplung zwecks Kohärenz und dem nötigen Abstand eingehalten werden, der die Richtwirkung verbessert. Bei der Anordnung nach Fig. 4 sind die Fasern 50 unbedeckt und deshalb enger miteinander gekoppelt. Sie dürfen jedoch keine gegenseitige Berührung haben, sondern besitzen einen gewissen Abstand voneinander, so daß ein Kühlmittel in den Zwischenräumen 52 strömen kann.

Bei der geschlossenen Lichtführung nach Fig. 5 ist die Anordnung 56 wie in Fig. 1 aufgebaut und besitzt ein äußeres Gehäuse 12'. Das Seil 28' aus Rubinfasern endet jedoch nicht an den Stirnwänden der Anordnung 56, sondern setzt sich beiderseits derselben nach außen fort und endet erst an den Stellen 58 und 60, die einander gegenüberliegen. Die Stirnfläche 60 ist so angeordnet, daß der von ihr ausgehende Lichtstrahl teilweise auf die Stirnfläche 58 des Seiles 28' fällt. Auf diese Weise kann eine Rückkopplung hergestellt und eine ständige Kette von Übergängen erzeugt werden. Um die Stärke der Rückkopplung einstellen zu können, ist eine Vorrichtung 62 vorgesehen. Die Rückkopplung tritt nämlich nur dann ein, wenn die im Seil 28' erzeugten Wellen in der Phase genau mit den an der Stirnfläche 60 eintreffenden Wellen übereinstimmen. Mittels der Schraube 64 kann eine genaue Phasenübereinstimmung durch Ferneinstellung der Stirnfläche 60 erzielt werden. Wie der Pfeil 66 zeigt, läßt sich durch die Schraube 64 die Stirnfläche 60 vor- und zurückschieben, so daß die Länge der Luftstrecke auf eine bestimmte Anzahl von Wellenlängen eingestellt werden kann.

Dem Eingangsende 58 des Lichtführungsseiles 28' kann äußeres Licht von einer Lichtquelle 68 zusätzlich oder unabhängig von der Rückkopplung zugeführt werden. Die Lichtquelle 68 kann beispielsweise über eine Leitung 70 ferngesteuert werden. Da die ankommenden Lichtsignale zusätzliche Übergänge in der Anordnung 56 auslösen, stellt der austretende Lichtstrahl 27 ein verstärktes Bild der von der Lichtquelle 68 abgegebenen Signale dar.

Eine Kühlvorrichtung 74 ist über Zuleitung 76 und Ableitung 78 mit dem Vakuumrohr 56 verbunden. Gemäß Fig. 1 strömt das Kühlmittel zwischen dem Zylinder 24 und dem Lichtführungsbündel 28 sowie durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern.

Neben den bereits erwähnten Vorteilen der verhinderten Lichtstreuung, der Vermeidung von Kristallfehlern und der bequemen Rückkopplungmöglichkeit hat die erfindungsgemäße Anordnung unter anderem noch den Vorteil einer hohen optischen Richtwirkung. Auch wird unerwünschtes äußeres Licht gedämpft. Wegen der guten Kühlmöglichkeit ist die Belastbarkeit auch im Dauerbetrieb hoch. Die als Kathodenstrahlröhre ausgebildete Lichtquelle ist im vorliegenden Falle besonders nützlich, da die Spektralverteilung der Lichtquelle leicht den Erfordernissen für die Anregung des Lichtverstärkers angepaßt werden kann. Im Impulsbetrieb können die Impulse außerordentlich kurze Anstiegszeiten haben, da es sich um eine Hochvakuumröhre handelt. Da die Anode unmittelbar an das selektiv fluoreszente Medium angrenzt, können das Medium und die Anode gemeinsam gekühlt werden.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Optischer Kristallverstärker für selektive Fluoreszenz, dadurch gekennzeichnet, daß das selektiv fluoreszente Medium aus einer größeren Anzahl von parallel gebündelten Lichtführungssträngen (28, 46, 50) aus selektiv fluoreszenten Kristallen besteht.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtführungsstränge aus mit Chrom dotiertem Aluminiumoxyd (Rubin) bestehen.

3. Optischer Verstärker, insbesondere nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle, welche die Energie zur Anregung der selektiv fluoreszenten Kristallstränge (28, 46, 50) liefert, aus einer Kathodenstrahlröhre besteht, deren anodischer innerer zylindrischer Leuchtschirm (24) den Kristallstrang umschließt und deren Kathode (20) den Schirm (24) konzentrisch umfängt.

4. Optischer Verstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein zwischen Anode und Kathode konzentrisch angeordnetes Gitter (22).

5. Optischer Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der aktive, innerhalb der Anregungslichtquelle befindliche Teil des Lichtführungsbündels in zwei biegsamen Lichtführungskabeln (28') fortsetzt, deren Stirnflächen gegeneinanderrichtbar sind.

6. Optischer Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtführungsbündel (28') außerhalb der Anregungslichtquelle so gebogen ist, daß seine Enden (58, 60) einander gegenüberstehen.

7. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (62) zur Rückführung der aus dem einen

Ende (58) austretenden Energie in das andere Ende (60).

8. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtführungsstränge gekühlt sind.

9. Optischer Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtführungsbündel und der Anode ein Kühlmittel durchströmt.

10. Molekularverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß modulierte Lichtsignale von einer äußeren Lichtquelle (68) auf ein Ende des Lichtführungsbündels gerichtet werden können.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 851 652, 2 929 922.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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