DE1160542B

DE1160542B - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung frequenzstabilisierter optischer Wellenenergie

Info

Publication number: DE1160542B
Application number: DEW33225A
Authority: DE
Inventors: William Ralph Bennett Jun
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-10-30
Filing date: 1962-10-29
Publication date: 1964-01-02
Also published as: GB1019295A; US3170122A; SE310528B; BE624177A; NL281335A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOSb

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1160 542

Aktenzeichen: W 33225 VIIIc /21 f

Anmeldetag: 29. Oktober 1962

Auslegetag: 2. Januar 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung frequenzstabilisierter optischer Wellenenergie unter Verwendung eines optischen Verstärkers mit einem optischen Resonator mit reflektierenden Endgliedern, wobei der Resonator eine Vielzahl von in gleichmäßigem Abstand angeordneten Resonanzschwingungsformen bei bestimmten optischen Frequenzen aufweist und ein selektiv fluoreszentes Medium innerhalb des Resonators angeordnet ist, das eine inhomogen verbreiterte optische Emissionslinie mit einer Bandbreite aufweist, die eine Vielzahl von Frequenzen umfaßt, so daß der optische Verstärker gleichzeitig in wenigstens drei der Schwingungsformen zum Schwingen gebracht werden kann, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Entwicklung der optischen Verstärker oder Sender für selektive Fluoreszenz hat erstmalig die Erzeugung und Verstärkung kohärenter und streng monochromatischer elektromagnetischer Wellenenergie im Frequenzbereich des Lichtes möglich gema;ht. Dabei soll vorausgesetzt werden, daß sich der optische Teil des elektromagnetischen Spektrums vom iiefsten Infrarot bis über das Ultraviolette hinaus erstreckt. Optische Verstärker oder Sender, die in diesem Frequenzbereich betrieben werden können, bestehen aus einem optischen Resonator, in dem ein geeignetes selektiv fluoreszentes Medium mit metastabiler Energieverteilung »negativer« Temperatur angeordnet ist. Geräte dieser Art verwenden einen Resonator, der durch zwei im Abstand angeordnete parallele reflektierende Platten gebildet wird.

Aus praktischen Gründen liegen die Abmessungen der oben beschriebenen Resonatoren in einer Größenordnung, die mehrere tausendmal größer ist als die durch den optischen Verstärker oder Sender erzeugten Wellenlängen. Daher sind solche Resonatoren von Natur aus Anordnungen mit vielen möglichen Schwingungsformen. Eine Analyse des Schwingungsformsystems des Parallelplattenresonators findet sich beispielsweise in einem Aufsatz von Fox und Li in »Bell System Technical Journal«, Bd. 40, S. 453. Aus dieser Analyse ergibt sich, daß der Resonator eine Vielzahl von Schwingungsformen bei bestimmten, aber dicht benachbarten optischen Frequenzen führen kann. Da außerdem die Frequenzen der Resonanzschwingungsformen streng von den Abmessungen des Hohlraumresonators abhängig sind, ist der Ausgang des optischen Verstärkers oder Senders Frequenzänderungen unterworfen, die sich aus mechanischen und thermischen und auch anderen Änderungen der Umgebungseinflüsse ergeben.

Unter der großen Zahl von tatsächlichen und mög-Verf ahren und Vorrichtung zur Erzeugung
frequenzstabilisierter optischer Wellenenergie

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
William Ralph Bennett jun.,
Berkeley Heights, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1961

(Nr. 148 338)

liehen Anwendungen des optischen Verstärkers oder Senders sind jedoch solche, die die einzigartigen Eigenschaften bezüglich der Bandbreite und Frequenz der Ausgangsenergie ausnutzen, von besonderem Interesse. In vielen Anwendungsfällen ist es daher im höchsten Maße wünschenswert, daß die Ausgangsfrequenz des optischen Verstärkers oder Senders möglichst stabil ist. Ein frequenzstabilisierter optischer Verstärker oder Sender ist beispielsweise in der Lage, ein brauchbares optisches Frequenznormal außerordentlich großer Genauigkeit abzugeben. Das ergibt sich daraus, daß die Linienbreite des Verstärker- oder Senderausgangs wesentlich kleiner ist als die Breite der entsprechenden SpektraUinie des selektiv fluoreszenten Mediumions. Die Ausgangsenergie eines solchen Verstärkers oder Senders kann außerdem ein Längennormal darstellen, das auf der Grundlage optischer Wellenlängen beruht und durch einen Grad von Genauigkeit gekennzeichnet ist, der bisher unerreichbar war. Diese Anwendungsmöglichkeiten sind zwar nur als Beispiel genannt, aber es kann ganz allgemein gesagt werden, daß die letztliche Brauchbarkeit des optischen Verstärkers oder Senders als Forschungswerkzeug und als Nachrichtenübertragungsgerät von der erreichbaren Frequenzstabilität abhängt.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Ausgangsfrequenz eines optischen Verstärkers oder Senders zu stabilisieren.

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3 4

Es ist außerdem ein Ziel der Erfindung, die Ab- Frequenzen dieser Schwingungsformen in Richtung weichung der Ausgangsfrequenz eines optischen Ver- auf die Mittelfrequenz der verbreiterten Emissionsstärkers oder Senders durch eine Spektrallinie des linie hin mitgenommen werden und daß der Betrag

selektiv fluoreszenten Mediums zu steuern. dieser Mitnahme eine nichtlineare Funktion des Ab-

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß ein 5 Standes der Frequenz der Schwingungsform von der optischer Verstärker oder Sender unter bestimmten Mittelfrequenz ist.

Bedingungen dazu veranlaßt werden kann, gleich- Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, zeitig in mehreren verschiedenen Frequenzen zu daß die Ausgangsfrequenz eines optischen Verstär-

schwingen. Insbesondere können Schwebungen als kers oder Senders durch Änderung der optischen

eine Differenzfrequenz zwischen ausgewählten Fre- io Länge des entsprechenden Resonators in Abhängig-

quenzen dazu benutzt werden, ein Maß für die Ab- keit von Änderungen in der Frequenz-Differenz

weichung einer gegebenen Frequenz von einer be- zwischen ausgewählten Resonanzfrequenzen in ihm

stimmten Bezugsfrequenz darzustellen. Die im wesent- gesteuert wird.

liehen konstante Bezugsfrequenz wird durch die Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Ziele

selektive Fluoreszenz bestimmt. 15 und Merkmale der Erfindung ergibt sich aus der ins

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht nun da- einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit

rin, daß die Schwebungsfrequenzen zwischen der der den Zeichnungen. Es zeigt

Mitte der Emissionslinie am nächsten gelegenen Fre- F i g. 1 die Beziehung zwischen dem bei einem quenz und den ihr auf beiden Seiten nächst benach- einzelnen Durchgang einer Signalwelle durch einen barten Frequenzen angezeigt werden, daß die Fre- 20 optischen Verstärker oder Sender erzeugten Gewinn quenzdifferenz zwischen den Schwebungsfrequenzen und der optischen Frequenz unter verschiedenen Begemessen wird und daß der optische Verstärker in dingungen.

Abhängigkeit von der Frequenzdifferenz (der Schwe- F i g. 2 in schematischer Form ein System zur

bung der Schwebungen) von einem vorbestimmten Stabilisierung der Ausgangsfrequenz eines optischen

Wert abgestimmt wird. Die Ziele der Erfindung 25 Verstärkers oder Senders gemäß der vorliegenden

können bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Erfindung und

Verfahrens erreicht werden, bei der der optische Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Resonator länglich ausgebildet ist und von plan- Verstärkers oder Senders, der zur Verwendung bei parallelen reflektierenden Endgliedern begrenzt wird der vorliegenden Erfindung geeignet ist. und ein Medium »negativer« Temperatur enthält. 30 In Fig. IA ist die Abhängigkeit des bei jedem Der Abstand der reflektierenden Endglieder wird Durchgang einer Signalwelle durch ein selektiv durch wenigstens ein längliches Abstandsglied be- fluoreszentes Medium erzeugten relativen Gewinns stimmt, das vorteilhafterweise aus einem magneto- von der Frequenz dargestellt. Die Mittelfrequenz der striktiven Material bestehen kann. Eine Steuerspule durch den Dopplereffekt verbreiterten Linie ist mit umgibt das magnetostriktive Abstandsglied, dessen 35 \>_m bezeichnet, während der Schwellwert für die Länge dann mit Hilfe des Magnetfeldes verändert selektiv fluoreszenten Schwingungen in einem opwird, das durch den durch die Spule fließenden tischen Resonator in den F i g. 1B. 1C. 1D und 1E Steuerstrom erzeugt wird. An die Spule werden mit / bezeichnet ist. Damit in einem optischen Steuerspannungen durch eine Einrichtung angelegt. Resonator eine selektiv fluoreszente Schwingung eindie auf Änderungen der Frequenzanteile im Ver- 40 setzt, ist es erforderlich, eine genügende Anregungsstärker- oder Senderausgang anspricht. energie dem Medium zuzuführen, um die Zahl der

Unter dem Ausdruck »inhomogen verbreiterte angeregten atomaren oder molekularen Oszillatoren Resonanzlinie« oder »inhomogen verbreiterndes so weit zu erhöhen, daß der Gewinn bei jedem Medium« soll nachfolgend eine Frequenzlinienbreite Durchgang die Verluste übersteigt. Die Dichte der verstanden werden, bei der der bei einer bestimmten 45 Oszillatoren in praktisch verwendeten optischen Frequenz durch stimulierte Emission erzeugte Ge- Verstärkermaterialien ist nur so groß, daß ein selekwinn im wesentlichen unabhängig ist vom bei den tiv fluoreszentes Medium großer Länge erforderlich anderen Frequenzen dieser Linienbreite erzeugten wäre, damit eine brauchbare Verstärkung des anGewinn. Die inhomogene Verbreiterung ist in erster regenden Signals bei einem einzigen Durchgang erLinie eine Folge des Doppler-Effektes. 50 reicht wird. E; ist daher üblich, ein verhältnismäßig

Unter dem Ausdruck »homogen verbreiterte Re- kurzes selektiv fluoreszentes Medium in einen op-

sonanzlinie« oder »homogen verbreiterndes Resonanz- tischen Resonator mit sehr hoher Güte einzubringen,

medium« soll nachfolgend eine Frequenzlinienbreite um auf diese Weise den Schwellwert zur Anregung

verstanden werden, bei der die bei einer bestimmten von Schwingungen zu übersteigen. Das setzt einen

Frequenz auftretende Reduzierung des durch stimu- 55 optischen Resonator voraus, der durch eine Reso-

lierte Emission hervorgerufenen Gewinnes direkt nanz-Bandbreite gekennzeichnet ist, die wesentlich

proportional ist der Reduzierung des durch stimu- kleiner ist als die Dopplerbreite der selektiven

lierte Emission hervorgerufenen Gewinnes bei den Fluoreszenz. Daher sind die Frequenzen, bei denen

anderen Frequenzen dieser Linienbreite. Schwingungen auftreten können, in erster Linie

Die Erfindung geht davon aus, daß das selektiv 60 durch die Resonanzen des optischen Resonators be-

fluoreszente Medium im optischen Verstärker oder stimmt. Beim Einsetzen von Schwingungen steht der

Sender eine inhomogen verbreiterte Emissionslinie Vorrat an metastabil aufgespeicherter Energie in

aufweist. Die inhomogene Verbreiterung der atoma- Form selektiver Fluoreszenz zur Verfügung. In einem

ren oder molekularen Resonanzlinien ermöglicht eine homogen verbreiternden Medium schließt die Herab-

gleichzeitige Anregung einer Mehrzahl von Schwin- 65 seizung des Gewinns bei einer Frequenz eine pro-

gungsformen des optischen Resonators, deren Fre- portionale Herabsetzung bei allen anderen Frequen-

quenzen innerhalb der Linienbreite relativ dicht zen ein. Wenn daher die Schwingungen bei einer

nebeneinanderliegen. Es wurde gefunden, daß die Frequenz einsetzen, ist die selektive Fluoreszenz

Die Schwingungsfrequenz eines optischen Verstärkers ist in erster Linie durch die Phasenbedingungen des elektrischen Feldes der Signalwelle in einem Hohlraumresonator bestimmt. Die für die vorliegen-5 de Erfindung wichtigsten Phasenverschiebungen ergeben sich aus Zeitverzögerungen, die bei jedem Durchgang des Signals durch den Hohlraumresonator entstehen. Damit sich eine stehende Welle im Hohlraumresonator ausbilden kann, muß die Phasen-

20 von n ist.

Die Phasenverschiebung einer Welle, die ein Interferometer der Länge L mit einer Phasengeschwindigkeit — durchläuft, beträgt

Ψ =

2nv Ln

Die Dispersion

-~ für den evakuierten Hohl-

OV

schnell über die gesamte Breite der homogen verbreiterten Emissionslinie gesättigt. Das ist in F i g. IB
dargestellt.

Wenn andererseits ein inhomogen verbreitertes
Masermedium in einen Hohlraumresonator eingebracht und der Schwellwert überschritten wird,
treten die Schwingungen bei einer Frequenz auf, die
einer Resonanz des Hohlraums entspricht, wobei nur
eine vernachlässigbar kleine Einwirkung auf die Zahl
der angeregten Oszillatoren bei Frequenzen außer- 10 verschiebung bei einem einzelnen Durchgang ein halb dieser schmalen Linie auftritt. Auf diese Weise ganzzahliges Vielfaches von π sein. Das Einbringen tritt eine Sättigung der selektiven Fluoreszenz nur in eines selektiv fluoreszenten Mediums in den Resonatorschmalen Bereichen der verbreiterten Linie auf, raum ändert den Brechungsindex des Systems und während der relative Gewinn bei anderen Fre- damit die Phasenverschiebung für einen einzigen quenzen, die durch die Dopplerkurve umfaßt 15 Durchgang. Die Schwingungen treten daher bei einer werden, im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Im anderen Frequenz ν auf, die von der Resonanz des Endergebnis tritt eine Einsenkung der Dopplerkurve Hohlraums V₀ _c um einen solchen Betrag abweicht, auf. Das ist in Fig. IC dargestellt, wo die optische daß die Phasenverschiebung für einen einzelnen Resonanz mit der Mitte der Dopplerkurve zusam- Durchgang immer noch ein ganzzahliges Vielfaches menfällt.

Wenn die Anregungsenergie erhöht und dadurch
eine größere Zahl von Quantenoszillatoren zu höheren Energiezuständen angeregt wird, werden Schwingungen über einen größeren Teil der Dopplerbreite
möglich. Daher treten in F i g. 1D Schwingungen bei 25
zwei zusätzlichen Schwingungsformen des optischen
Resonators auf, deren Resonanzfrequenzen v₂ und V₃
dicht bei der Hauptschwingungsform v_m liegen. Für
die Fabry-Perot-Typen eines optischen Resonators
?!? ^äii Frequenzen^der Resonanzschwingungsformen 30 _{raumresonator ist konstant}. _{Es ist} zweckmäßig *& dadurch bestimmt, daß der Abstand L zwischen den ο ν

reflektierenden Endflächen ein . halbzahliges Viel- mit Hilfe von /, dem anteiligen Energieverlust je faches der Wellenlänge sein muß. Diese Frequenzen Durchgang, und Av^₀, der gesamten Breite der Hohlwerden als die geradsymmetrischen, radialen Schwin- raumresonanz bei halber maximaler Intensität ausgungsformen bezeichnet. Sie weichen in ihrer Fre- 35 zudrücken: quenz durch c/2L ab, wobei c die Lichtgeschwindig- δ tp_c f

keit ist. Das Spektrum des optischen Verstärker- "^ ~ , _y ' "'

ausgangs enthält daher Frequenzen, die den mög- ^oc

liehen stehenden Wellen des optischen Resonators Im allgemeinen ergibt sich ein vernachlässigbarer

entsprechen und außerdem die verschiedenen Schwe- 40 Beitrag zu der Dispersion auf Grund des Resonanzbungen als Differenzfrequenzen. Darüber hinaus sind Verhaltens des Spiegel-Reflexionskoeffizienten. Dieser auch Schwebungen vorhanden, die sich aus der gleichzeitigen Anregung ungerad- und geradsymmetrischer,
radialer Schwingungsformen ergeben. Diese sind jedoch in starkem Maße von der Ausrichtung der re- 45
flektierenden Enden des Resonators abhängig. Aus
diesem Grunde sind sie beide leicht feststellbar und
zur Verwendung für die Zwecke der Erfindung ungeeignet. Die folgende Erläuterung befaßt sich daher

hauptsächlich mit den geradsymmetrischen Schwin- 50 solchen Frequenz V, daß gungsformen und den Frequenzunterschieden zwi- $_φ

sehen ihnen. -~ (^v - V₀ _c) + Δ Φ_η (ν) = O, (3)

Es ist zu beachten, daß die Resonanzschwingungs- ^v

formen bei V₃ und V₂ in Fig. ID symmetrisch zur wobei ΔΦ_η (ν) die gesamte Änderung der Phasen-Mitte der Dopplerkurve bei v_m liegen. In einem 55 verschiebung für einen einzelnen Durchgang bei der leeren Hohlraumresonator würden diese Schwin- tatsächlichen Schwingungsfrequenz auf Grund der gungsformen einen Abstand von c/2L besitzen. Ex- Einbringung des selektiv fluoreszenten Mediums ist. perimentell wurde bei einem optischen Verstärker
aber gefunden, daß der Abstand etwas kleiner ist.
Das kann durch ein Ziehen der Resonanzfrequenzen 60
in Richtung auf die Mitte der Dopplerkurve erklärt
werden. Weiterhin wurde gefunden, daß der Zieheffekt eine nichtlineare Funktion des Abstandes zwischen einer gegebenen Schwingungsform und der
Mitte der Dopplerkurve ist. Genauer gesagt, nimmt 65
der Zieheffekt zu, wenn der Abstand der Seitenfrequenz von Hauptresonanzfrequenz der Mitte der
Dopplerkurve zunimmt.

Faktor hat keinen wesentlichen Einfluß auf die absolute Frequenz der Schwingungen und kann daher vernachlässigt werden.

Da die Dispersion des Hohlraumresonators groß ist im Vergleich zu der des selektiv fluoreszenten Mediums, treten die Schwingungen bei einer Frequenz nahe V₀ _c auf, und der Zieheffekt ist klein. Im einzelnen schwingt der optische Verstärker bei einer

gg Aus der Gleichung (1) ergibt sich

ΔΦ_η(ν) = -—■ c

Der erste Ausdruck in Gleichung (4) hängt von der Dichte der selektiv fluoreszenten Atome im Grundzustand und von der Dichte der angeregten Atome ab, die an benachbarten Übergängen teilnehmen

können, d. h., dieser Ausdruck ergibt sich aus einem Brechungsindex, der im ganzen interessierenden Bereich im wesentlichen frequenzunabhängig ist. Dann kann man schreiben:

= v_r — -γ Acp_m(y),

wobei v,

= -^oc- und Av_c

Av_n

liehen Polarisationen angenommen werden. Eine Stabilisierung der Hauptschwingungsform des optischen Resonators in der Mitte der Dopplerkurve wird dann dadurch erreicht, daß die DifEerenzfrequenz mögliehst klein gemacht wird. In ähnlicher Weise kann die Hauptschwingungsform des Resonators bei einer von der Mitte der Dopplerkurve abweichenden Frequenz durch eine Stabilisierung der Differenzfrequenz bei irgendeinem geeigneten Wert stabilisiert werden, ίο Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Ein optischer Verstärker 10 mit einem selektiv fluoreszenten Medium, das durch eine inhomogen verbreiterte Dopplerkurve ge-

Der Ausdruck ΑΦ_ηι (ν) ist eine Funktion des an- kennzeichnet ist, wie sie beispielsweise in einem teiligen Energiegewinns je Durchgang durch das 15 Helium-Neon-Gassystem auftritt, erzeugt einen Ausselektiv fluoreszente Medium g (v). Der Gewinn ist gangsstrahl, der stabilisiert werden soll. Ein für eine nichtlineare Funktion der Frequenz über die Steuerzwecke ausreichender Teil des Ausganges wird Dopplerbreite der selektiven Fluoreszenslinie. Daher auf einen halbdurchlässigen Spiegel 11 gerichtet. Ein ist ΑΦ_πι (ν) ebenfalls eine Funktion der Frequenz Teil des auf den Spiegel 11 auf treffenden Strahles und ist im allgemeinen Null für die Mitte der Linie 20 wird durchgelassen und geht durch eine Polarisierein- v_m, negativ für Frequenzen kleiner als v_m und posi- richtung 13 zum Detektor 15. Der durch den Spiegel tiv für höhere Frequenzen. Das ist die bekannte Er- U reflektierte Teil des Strahles wird durch einen scheinung bei anomaler Dispersion. Aus der Ablei- Spiegel 12 über eine Polarisiereinrichtung 14 an tang der Phasenverschiebung für einen einzelnen einen Detektor 16 gegeben. Aus Gründen, die im fol-Durchgang in einem inhomogen verbreiternden Me- 25 genden erläutert werden, sind die Polarisiereinrichdium folgt, daß außerdem ein nichtlinearer, frequenz- tungen 13 und 14 so ausgerichtet, daß sie Anteile des abhängiger Zieheffekt bei den tatsächlichen Schwin- selektiven Fluoreszenzstrahles durchlassen, die im gungsfrequenzen des optischen Verstärkers vorhanden rechten Winkel zueinander polarisiert sind, ist. Ein solcher Effekt findet sich in homogen verbrei- Die Detektoren 15 und 16 sind von solcher Art,

ternden Medien nicht, und sein Vorhandensein im 30 daß sie Differenzfrequenzen zwischen benachbarten homogen verbreiterten Fall ist ein Ergebnis der gebil- Schwingungsformen des Hohlraumresonators anzeigen deten Einsenkungen. können. Eine Photovervielfacherröhre, beispielsweise

Erfindungsgemäß bildet die Nichtlinearität des des Typs 7102, ist zur Verwendung bei einem der er-Zieheffektes die Grundlage eines Systems, das die wähnten optischen Gasverstärker gut geeignet. Solche Abweichung einer Hauptschwingungsform des Hohl- 35 Röhren sind von Natur aus quadratische Detektoren raumresonators von der Mitte der durch den Dopp- und sprechen nicht auf die Schwebungen zwischen lereffekt verbreiterten Linie des selektiv fluoreszenten
Mediums mißt. Obwohl die Breite der Dopplerkurve
sich mit der Temperatur und dem Druck ändert,

bleibt ihre Mitte im wesentlichen unbeeinflußt durch 40 eine zufällige Verteilung zeigen können, erscheint es solche Umgebungsbedingungen. Daher kann die auf ratsam, den Aiisgangsstrahl mit Hilfe der Spiegel 11

und 12 aufzuteilen und die getrennten Teile durch Polarisiereinrichtungen zu schicken, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß wenigstens ein Teil des Ausgangsstrahles Schwebungen im Detektor erzeugt. Alternativ kann auch nur eine Polarisiereinrichtung zusammen mit Mitteln zur Einstellung ihrer Orientierung vorgesehen werden, um die gewünschten Schwe-

bei v₃ und v„ ist nicht symmetrisch wie Γη Fi g. 1D. 50 bungen zu erzeugen.

Außerdem unterliegt auch die Schwingung V₁, die Das Spektrum der Schwebungsfrequenzen besitzt

nicht mehr mit v_m zusammenfällt, selbst dem Ziehzwei Schwingungsformen an, die rechtwinklig zueinander linear polarisiert sind. Da die Polarisation der Schwingungsformen in einem optischen Verstärker

diese Weise abgeleitete Information zur Änderung geeigneter Verstärkerparameter benutzt werden und dadurch die selektiv fluoreszente Ausgangsfrequenz in gewünschter Weise genau gesteuert werden.

Fig. IE zeigt die relativen Frequenzen der Schwingungsformen in einem optischen Verstärker, wenn die Hauptresonanz des Hohlraumes von v_m abweicht. Der Zieheffekt auf die Schwingungsformen

effekt. Im allgemeinen nimmt der Zieheffekt nichtlinear mit dem Abstand zwischen V₁ und v_m ab, so daß sich eine asymmetrische Verteilung der Schwingangen um v_m einstellt. Daraus ergibt sich, daß der Abstand zwischen V₁ und V₂ abweicht. Auf diese Weise kann die Abweichung zwischen V₁ und v_m

einen Spitzenwert bei der Frequenz Null, entsprechend der Überlagerung jeder Linie mit sich

selbst, gefolgt von einem Spitzenwert nabe _^c _r entsprechend den Differenzen zwischen allen gerad und tmgerad symmetrischen Sdiwingungsformen mit

einem Abstand von -^-. Differenzfrequenzen höhe-

durch eine Überlagerung von v₃ mit V₁ und V₂ mit
v_m und Ausfütern der Differenzfrequenz der beiden 60 rer Ordnung können ebenfalls auftreten, abhängig Schwebungen gemessen werden. Die Differenz- von dem Wert, um den die Anregungsenergie den frequenz ist Null wenn ν und v_m zusammenfallen, _{sdwellwert übersiei}gt. Da jedoch die ^-Schwe- und sie nimmt mit dem Abstand zwischen den bei- ° ^J 2 L den zu. Es ist zu beachten, daß ein bestimmter op- bungen im allgemeinen die größte Amplitude betischer Verstärker noch eine restliche Differenz- 65 sitzen, ist es in den meisten Fällen wünschenswert, sie frequenz zeigen kann, wenn V₁ mit v_m zusammenfällt. in der Steuerschaltung zu benutzen. Aus diesem Dies kann als Folge der auftretenden Änderungen Grund wird das Signal aus den Detektoren 15 und 16 der Spiegelreflexionskoeffizienten bei unterschied- vorteilhafterweise durch ein Schmalbandfilter 17 ge-

geben, dessen Durchlaßband als Mittelpunkt den Wert _r umfaßt. Die Differenzfrequenz zwischen

den Schwebungen, die durch die Schwingungsformen V₁ und v₃ und V₁ und V₂ andererseits erzeugt werden, wird gewonnen, indem das Signal vom Filter 17 über einen Mischer 18 gegeben wird. Ein Tiefpaßfilter 19 entfernt alle im Mischer 18 erzeugten höheren Harmonischen. Änderungen der Frequenzdifferenz zwischen den Schwebungen werden durch einen FM-Diskriminator 20 in Spannungsänderungen umgesetzt. Ein Verstärker 21 erhöht die Ausgangsleistung zum Betrieb einer Steuerschaltung 22, die den optischen Verstärker abstimmt, um Abweichungen des Ausganges von einer vorbestimmten Frequenz zu kompensieren.

Die Steuerschaltung 22 ist vorteilhafterweise von einer Art, die die optische Länge des Resonators des optischen Verstärkers 10 ändert, obwohl eine Abstimmung auch durch eine Änderung eines oder mehrerer anderer geeigneter Parameter des Gerätes erreicht werden kann. Ein Ausführungsbeispiel eines abstimmbaren optischen Verstärkers ist in Fig. 3 dargestellt, bei dem der Hohlraumresonator durch reflektierende Platten 31 gebildet wird, die durch Federklammern gegen Dreipunktbefestigungen 33 gedrückt werden. Die Befestigungen 33 sind starr mit großen Flanschen 34 verbunden. Die Flansche 34 sind an der Oberfläche geschliffen und werden durch Abstandsstäbe 36 getrennt, die aus magnetostriktivem Material, wie beispielsweise Invar (36% Ni, 64 % Fe) bestehen. Ein Glasrohr 37, das ein gasförmiges selektiv fluoreszentes Medium, wie beispielsweise eine Mischung aus Helium und Neon enthält, ist an den Flanschen 34 mit Hilfe von Metallbälgen 38 befestigt, die ausreichend flexibel sind, um eine Änderung des Abstandes der Flansche in einem kleinen Bereich auf Grund von Änderungen der Länge der Stäbe 36 zuzulassen, die durch die in den Spulen 39 fließenden Ströme erzeugt werden.

Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden, aber es kann eine große Zahl von Abänderungen getroffen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der optische Verstärker mit Hilfe einer in den Lichtweg zwischen die Spiegel eingefügten Zelle abgestimmt werden, welche einen Stoff mit einem Brechungsindex enthält, der durch ein Feld steuerbar ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung frequenzstabilisierter optischer Wellenenergie unter Verwendung eines optischen Verstärkers mit einem optischen Resonator mit reflektierenden Endgliedern, wobei der Resonator eine Vielzahl von in gleichmäßigem Abstand angeordneten Resonanzschwingungsformen bei bestimmten optischen Frequenzen aufweist und ein selektiv fluoreszentes Medium innerhalb des Resonators angeordnet ist, das eine inhomogen verbreiterte optische Emissionslinie mit einer Bandbreite aufweist, die eine Vielzahl von Frequenzen umfaßt, so daß der optische Verstärker gleichzeitig in wenigstens drei der Schwingungsformen zum Schwingen gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwebungsfrequenzen zwischen der der Mitte der Emissionslinie am nächsten gelegenen Frequenz und den ihr auf beiden Seiten nächstbenachbarten Frequenzen angezeigt werden, daß die Frequenzdifferenz zwischen den Schwebungsfrequenzen gemessen wird und daß der optische Verstärker in Abhängigkeit von der Abweichung der Frequenzdifferenz (der Schwebung der Schwebungen) von einem vorbestimmten Wert abgestimmt wird.

2. Gerät zur Erzeugung frequenzstabilisierter optischer Wellenenergie gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 mit einem optischen Verstärker, der aus einem reflektierende Endglieder enthaltenden Hohlraumresonator besteht, wobei der Resonator eine Vielzahl von im gleichen Abstand verteilten Resonanzschwingungsformen bei bestimmten optischen Frequenzen aufweist und ein selektiv fluoreszentes Medium innerhalb des Resonators angeordnet ist, das eine inhomogen verbreiterte optische Emissionslinie mit einer Breite besitzt, die die Frequenzen einer Vielzahl der Schwingungsformen umfaßt, so daß der optische Verstärker gleichzeitig in wenigstens drei der Schwingungsformen zum Schwingen gebracht werden kann, gekennzeichnet durch Mittel (15, 16) zur Anzeige der Schwebungsfrequenzen zwischen der dem Mittelpunkt der Emissionslinie am nächsten gelegenen Schwingungsform und den ihr auf beiden Seiten am nächsten benachbarten Schwingungsformen, durch Mittel (18,19 und 20) zur Messung der Frequenzdifferenz zwischen den Schwebungsfrequenzen und durch Mittel (21, 22, 36, 37, 38, 39) zur Abstimmung des optischen Verstärkers (10), wobei die Abstimmittel auf die Abweichung der Frequenzdifferenz von einem vorbestimmten Wert ansprechen.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem der Hohlraumresonator durch zwei im Abstand angeordnete, planparallele reflektierende Endglieder gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmittel aus Mitteln (36, 37, 38, 39) zur Änderung der optischen Länge des Resonators bestehen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36, 37, 38, 39) zur Änderung der optischen Länge des Resonators aus einer Vielzahl von magnetostriktiven Abstandsgliedern (36) zur Steuerung des Abstandes der reflektierenden Endglieder (31) bestehen, daß Steuerspulen (39) einzeln jedes Abstandsglied umfassen und daß Mittel vorgesehen sind, um an die Spulen Spannung anzulegen, deren Größe von der Abweichung der Frequenzdifferenz von dem vorbestimmten Wert abhängt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmittel durch eine Spannung steuerbar sind, daß Mittel (11) vorgesehen sind, um den Ausgangsstrahl des optischen Verstärkers in einen ersten und einen zweiten räumlich getrennten Anteil aufzuteilen, daß Mittel (12) vorgesehen sind, um den ersten und den zweiten Strahlenanteil durch erste (13) und zweite (4) Polarisiereinrichtungen zu den Anzeigemitteln (15, 16), die aus ersten bzw. zweiten Photodetektoren bestehen, zu schicken, daß die Polarisiereinrichtungen im wesentlichen rechtwinklig polarisierte Lichtstrahlen durchlassen, so

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daß die Photodetektoren zusammen auf die Schwebungen zwischen den Schwingungsformen des optischen Verstärkers ansprechen, daß die Meßeinrichtung zur Bestimmung der Frequenzdifferenz zwischen ausgewählten Paaren der

Schwebungen eine Mischeinrichtung (18) umfaßt und daß die Meßeinrichtung ferner Mittel (20) zur Erzeugung einer Steuerspannung in Abhängigkeit von der Größe der Frequenzdifferenz umfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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