DE1169585B

DE1169585B - Optical generation of harmonics, beats or a modulation mixture of electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1169585B
Application number: DEW33490A
Authority: DE
Inventors: Joseph Anthony Giordmaine; David Allmond Kleinman
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-12-11
Filing date: 1962-12-08
Publication date: 1964-05-06

Description

Optische Erzeugung von Harmonischen, von Schwebungen oder eines Modulationsgemisches elektromagnetischer Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Erzeugung von Harmonischen, von Schwebungen oder eines Modulationsgemisches elektromagnetischer Wellen mittels eines optisch nichtlinearen Mediums und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Optical generation of harmonics, beats or a modulation mixture electromagnetic waves The invention relates to a method for optical Generation of harmonics, beats or a modulation mixture of electromagnetic Waves by means of an optically non-linear medium and to a device for Implementation of the procedure.

Unter kurzen elektromagnetischen Wellen sollen Wellen verstanden werden, deren Wellenlänge kleiner ist als etwa 1 cm.Short electromagnetic waves should be understood as waves, whose wavelength is less than about 1 cm.

Im folgenden soll die Erfindung aus Zweckmäßigkeitsgründen unter besonderer Berücksichtigung elektromagnetischer Wellen mit den Frequenzen des Lichts beschrieben werden. Es soll jedoch betont werden, daß die Grundgedanken in gleicher Weise auf längere Wellen, beispielsweise auf Wellenlängen im Mikrowellenbereich angewendet werden können.In the following, the invention is intended for reasons of expediency under particular Consideration of electromagnetic waves with the frequencies of light is described will. It should be emphasized, however, that the basic ideas are based in the same way longer waves, for example applied to wavelengths in the microwave range can be.

über die Erzeugung von Harmonischen kohärenten Lichts ist kürzlich in der Literatur berichtet worden (s. »Physical Review Letters«, Bd. 7, Nr. 4, S. 118 und 119 vom 5. B. 1961). Bei einer solchen Erzeugung wird kohärentes Licht, das von einem optischen Rubinverstärker stammt, auf einen Quarzkristall gerichtet, um eine Emission von ultraviolettem Licht zu indizieren. Eine Erzeugung von Harmonischen auf diese Werte ist nicht sehr wirksam. Ein Haupthindernis besteht in der Verschiedenheit der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit für das zugeführte und das induzierte Licht im Quarz. Als Ergebnis dieser Verschiedenheit addiert sich das Licht, wenn es über eine größere Wegstrecke induziert wird, nicht überall mit geeigneter Phasenlage, und die sich ergebende Interferenz setzt den Wirkungsgrad des Umwandlungsvorganges herab. Weiterhin wird es als Ergebnis dieses kleinen Wirkungsgrades erforderlich, fokussierte Strahlen zu verwenden, um die gewünschten hohen Intensitäten zu erreichen. Eine solche Fokussierung beschränkt aber den Umwandlungsvorgang auf den Bereich, der den Brennpunkt umgibt.about the generation of harmonics of coherent light is recent has been reported in the literature (see "Physical Review Letters", Vol. 7, No. 4, p. 118 and 119 of 5 B. 1961). With such a generation, coherent light, coming from a ruby optical amplifier aimed at a quartz crystal, to indicate emission of ultraviolet light. A generation of harmonics on these values is not very effective. One of the main obstacles is disparity the phase propagation velocity for the supplied and induced light in quartz. As a result of this diversity, the light adds up when it is over a longer distance is induced, not everywhere with a suitable phase position, and the resulting interference sets the efficiency of the conversion process down. Furthermore, as a result of this low efficiency, it becomes necessary to use focused beams to achieve the desired high intensities. Such a focus, however, limits the conversion process to the area surrounding the focal point.

Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile unter Verwendung eines optisch nichtlinearen Mediums dadurch vermieden, daß das optisch nichtlineare Medium doppelbrechend ist und die monochromatischen elektromagnetischen Wellen so durch das doppelbrechende Medium geleitet werden, daß im doppelbrechenden Medium die Phasengeschwindigkeit des ordentlichen oder des außerordentlichen Strahles der eingestrahlten Wellen an die Phasengeschwindigkeit des ordentlichen bzw. außerordentlichen Strahles der Harmonischen, der Schwebung oder des Modulationsgemisches angepaßt ist.According to the invention, these disadvantages are addressed using a optically nonlinear medium avoided by the fact that the optically nonlinear medium is birefringent and the monochromatic electromagnetic waves so through the birefringent medium are passed that in the birefringent medium the phase velocity the ordinary or the extraordinary ray of the incident waves the phase velocity of the ordinary or extraordinary ray of harmonics, the beat or the modulation mixture is adapted.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß durch eine geeignete Wahl des Kristalls als nichtlineares Glied und durch eine geeignete Wahl der Richtung durch den Kristall für das zugeführte Licht erreicht werden kann, daß das induzierte Licht kumulativ mit geeigneter Phasenlage über eine längere Wegstrecke addiert wird, wodurch eine größere Ausgangsenergie und ein höherer Wirkungsgrad möglich sind. Für die Ausführung der Erfindung sollte der gewählte Kristall keinen Symmetriemittelpunkt besitzen, er sollte eine ausreichend große nichtlineare Polarisierbarkeit haben, um wirksam als nichtlineares Glied zu dienen, er sollte mit Bezug auf seine Dispersion bei den in Frage kommenden Frequenzen ausreichend doppelbrechend sein, er sollte eine genügend kleine Absorption bei den in Frage kommenden Frequenzen besitzen und sollte vorteilhafterweise möglichst leicht herzustellen sein. Im folgenden soll ein solcher Kristall einfach als geeigneter doppelbrechender Kristall bezeichnet werden.The invention is based on the discovery that by a suitable Choice of the crystal as a non-linear term and through a suitable choice of direction through the crystal for the supplied light can be achieved that the induced Light is added cumulatively with a suitable phase position over a longer distance, whereby a greater output energy and a higher degree of efficiency are possible. For the practice of the invention, the chosen crystal should not have a center of symmetry possess, it should have a sufficiently large nonlinear polarizability, in order to effectively serve as a nonlinear term, it should be with respect to its dispersion it should be sufficiently birefringent at the frequencies in question have a sufficiently small absorption at the frequencies in question and should advantageously be as easy to manufacture as possible. The following is intended such a crystal is simply referred to as a suitable birefringent crystal will.

Zur Harmonischenerzeugung von ultraviolettem Licht aus zugeführtem roten Licht entspricht beispielsweise ein Kristall aus Kaliummono-Phosphat (KH.PO4) allen obengenannten Anforderungen. Insbesondere kann in einem solchen negativ einachsigen Kristall die Ausbreitungsrichtung des eingesperrten roten Lichts so gewählt werden, daß die Phasengeschwindigkeit für die Ausbreitung der eingesperrten ordentlichen Welle an die der außerordentlichen Welle des induzierten ultravioletten Lichts angepaßt ist.For generating harmonics of ultraviolet light from supplied red light corresponds, for example, to a crystal made of potassium monophosphate (KH.PO4) all of the above requirements. In particular, it can be uniaxial in such a negative way crystal the direction of propagation of the trapped red light can be chosen so that the Phase velocity for the propagation of the trapped ordinary wave which is matched to the extraordinary wave of the induced ultraviolet light.

Demgemäß beruht mit anderen Worten die Erfindung auf dem Prinzip, daß durch eine geeignete Wahl des Kristalls und der Orientierung desselben die polarisierte Welle, die durch eine oder mehrere, miteinander in Wechselwirkung stehende elektromagnetische Wellen erzeugt wird und die die Frequenz der zu induzierenden Welle besitzt, in ihrer Phasengeschwindigkeit an die induzierte Welle angepaßt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der induzierten Welle vergrößert wird.Accordingly, in other words, the invention is based on the principle that by a suitable choice of the crystal and the orientation of the same, the polarized one Wave produced by one or more interacting electromagnetic waves Waves is generated and which has the frequency of the wave to be induced, in their phase velocity can be adapted to the induced wave, whereby the efficiency in generating the induced wave is increased.

Auf diese Weise kann die polarisierte Welle mit der gewünschten Ausgangsfrequenz, die durch das eingesperrte Licht erzeugt wird, in Phasenübereinstimmung mit der induzierten Welle der gewünschten Ausgangsfrequenz im gesamten Kristall gehalten werden, so daß der Wirkungsgrad des gewünschten Umwandlungsvorgangs auf ein Maximum gebracht werden kann.In this way, the polarized wave with the desired output frequency, generated by the trapped light, in phase coincidence with that induced wave of the desired output frequency in the entire crystal so that the efficiency of the desired conversion process is maximized can be brought.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens besteht der eingespeiste Strahl aus der kohärenten Ausgangsenergie eines optischen Rubinverstärkers, und das Harmonische erzeugende, nichtlineare Glied ist ein Kaliummono-Phosphat-Kristall (KH,P04). Das rote Licht des optischen Rubinverstärkers wird durch den Kristall als ordentlicher Strahl unter einem Winkel von etwa 50° zu seiner optischen Achse geschickt. Vorteilhafterweise liegt dieses Licht in einer Ebene, die die optische Achse, die z-Achse, enthält und den Winkel zwischen der x- und y-Achse des Kristalls halbiert, da für diese Wahl des Richtungswinkels zur z-Achse die maximale, nichtlineare Polarisation erreicht wird. Als Ergebnis wird kohärentes ultraviolettes Licht mit der halben Wellenlänge von der des roten Lichts aus dem optischen Verstärker erzeugt und als Ausgangsenergie verfügbar gemacht.In a preferred device for performing the method the injected beam from the coherent output energy of a ruby optical amplifier, and the harmonic-generating non-linear member is a potassium monophosphate crystal (KH, P04). The red light from the ruby optical amplifier is transmitted through the crystal as an ordinary beam at an angle of about 50 ° to its optical axis sent. Advantageously, this light lies in a plane that the optical Axis, the z-axis, contains and the angle between the x- and y-axes of the crystal halved, since for this choice of the direction angle to the z-axis the maximum, non-linear Polarization is achieved. As a result, it becomes coherent with ultraviolet light half the wavelength of that of the red light from the optical amplifier and made available as output energy.

Zur Überlagerung einer unmodulierten Frequenz mit einer modulierten Signalfrequenz kann der doppelbrechende Kristall im Gerät unter einer Richtung angeordnet werden, in der in seinem Inneren eine polarisierte Schwebungsfrequenz entsteht.For superimposing an unmodulated frequency with a modulated one Signal frequency, the birefringent crystal in the device can be arranged under one direction in which a polarized beat frequency arises inside.

In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 in schematischer Weise die Grundbausteine eines Generators für die zweite Harmonische gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Phasengeschwindigkeit in Polarkoordinaten zur Erläuterung der Erfindung, F i g. 3 in schematischer Weise eine Anordnung zur Mischung von zwei Lichtstrahlen gemäß der Erfindung, F i g. 4 einen optischen Verstärker gemäß der Erfindung, F i g. 5 in schematischer Weise ein System zur Erzeugung von Sub-Harmonischen eingesperrten Lichts und F i g. 6 eine graphische Darstellung der Phasengeschwindigkeit zur Erläuterung des optischen Verstärkers nach F i g. 4.In the drawings, F i g. 1 shows the basic building blocks in a schematic way a generator for the second harmonic according to the invention, FIG. 2 a graphic Representation of the phase velocity in polar coordinates to explain the invention, F i g. 3 schematically shows an arrangement for mixing two light beams according to the invention, FIG. 4 shows an optical amplifier according to the invention, F i g. 5 schematically shows a system for generating sub-harmonics locked in Lichts and F i g. 6 is a graph of the phase velocity for explanation of the optical amplifier according to FIG. 4th

Der Generator für die Harmonischen nach F i g. 1 weist als nichtlineares Glied einen Kristall 10 aus Kaliummono-Phosphat auf. Ein solcher Kristall ist doppelbrechend und negativ einachsig, d. h., bei einer gegebenen Wellenlänge ist die Geschwindigkeit des ordentlichen Strahls kleiner als die des außerordentlichen Strahls. Der Kristall zeigt jedoch außerdem eine normale Dispersion im optischen Bereich, d. h., die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nimmt mit zunehmenden Frequenzen ab. Der Kristall 10 besitzt eine Quaderform von 2 - 1 - 1 cm. Die optische Achse des Kristalls wird durch die z-Achse in dem gezeigten rechtwinkligen x, y, z-Koordinatensystem dargestellt. Erfindungsgemäß ist der Kristall so geschnitten, daß ein zu der Fläche 10A, auf die das zugeführte Licht auffällt, normaler ordentlicher Strahl einen Winkel von etwa 50 mit der optischen Achse bildet. Zusätzlich sollte die Projektion eines solchen Strahls auf die xy-Ebene einen Winkel von 45° sowohl mit der z- als auch mit der y-Achse bilden.The generator for the harmonics according to FIG. 1 points as nonlinear Split a crystal 10 made of potassium monophosphate. Such a crystal is birefringent and negative uniaxial, d. that is, at a given wavelength is the velocity the ordinary ray smaller than that of the extraordinary ray. The crystal however, it also shows normal dispersion in the optical domain; i.e., the speed of propagation of light decreases with increasing frequencies. The crystal 10 has a cuboid shape from 2 - 1 - 1 cm. The optical axis of the crystal is defined by the z-axis in the rectangular x, y, z coordinate system shown. According to the invention the crystal is cut so that a to the surface 10A on which the fed Light strikes, normal neat beam an angle of about 50 with the optical Axis forms. In addition, the projection of such a ray onto the xy-plane should be make an angle of 45 ° with both the z and y axes.

Wie durch den Vektor E angegeben, ist das Eingangslicht, mit dem die zweite Harmonische erzeugt werden soll, polarisiertes Licht, dessen elektrisches Feld rechtwinklig zur z-Achse verläuft. Es wird von einem bekannten optischen Rubinverstärker 11 senkrecht auf die Kristallfläche 10A gerichtet. Zum Zwecke der Vereinfachung sind die Einzelheiten des optischen Verstärkers nicht dargestellt. Er besteht jedoch in bekannter Weise aus einem an beiden Enden versilberten Rubinstab, einer Lichtquelle für die anregende Strahlung und einem Filter, das nur das gewünschte kohärente Licht durchläßt. Wie bekannt, erzeugt ein optischer Rubinverstärker dieser Art einen genau parallel gerichteten, im wesentlichen monochromatischen, kohärenten Strahl hoher Intensität bei einer Wellenlänge von etwa 6940 A.As indicated by the vector E, the input light with which the second harmonic is to be generated, polarized light, its electrical Field is perpendicular to the z-axis. It is powered by a well known ruby optical amplifier 11 directed perpendicular to the crystal face 10A. For the sake of simplicity the details of the optical amplifier are not shown. However, it exists in a known way from a ruby rod, silver-plated at both ends, a light source for the stimulating radiation and a filter that only produces the desired coherent light lets through. As is known, a ruby optical amplifier of this type produces one accurately collimated, substantially monochromatic, coherent beam higher Intensity at a wavelength of about 6940 A.

Als Ergebnis erzeugt der Kristall ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 3470 A, entsprechend der zweiten Harmonischen des zugeführten Lichts.As a result, the crystal generates ultraviolet light with a wavelength of about 3470 A, corresponding to the second harmonic of the supplied light.

Es ist vorteilhaft ein Filter 12 einzufügen, das das ultraviolette Licht durchläßt, also das rote Licht ausfiltert, so daß der zur Verfügung stehende Strahl nur aus ultraviolettem Licht besteht.It is advantageous to insert a filter 12 which transmits the ultraviolet light, that is to say filters out the red light, so that the available beam consists only of ultraviolet light.

Die prinzipielle Arbeitsweise eines Gerätes nach diesem Ausführungsbeispiel läßt sich am besten unter Bezugnahme auf F i g. 2 verstehen. Dort ist eine zweidimensionale graphische Darstellung in Polarkoordinaten für die Phasengeschwindigkeiten des ordentlichen Strahls Va roten Lichts und des außerordentlichen Strahls V,, ultravioletten Lichts als Funktion der Ausbreitungsrichtung gezeigt. In der zweidimensionalen graphischen Darstellung sind vier Schnittpunkte vorhanden, entsprechend den Richtungen, für die die beiden Geschwindigkeiten gleich sind. Dreidimensional definieren die Richtungen, für die die beiden Geschwindigkeiten gleich sind, ein Paar von symmetrisch zur optischen Achse liegenden Kreiskegeln. Wie oben erläutert, entsprechen die Schnittpunkte für einen KH.PO.,-Kristall und die in Frage stehenden Wellenlängen einer Richtung mit einem Winkel von etwa 50° zur optischen Achse.The basic mode of operation of a device according to this embodiment can best be seen with reference to FIG. 2 understand. There is a two-dimensional one graphical representation in polar coordinates for the phase velocities of the ordinary Ray Va of red light and the extraordinary ray V ,, ultraviolet light shown as a function of the direction of propagation. In the two-dimensional graphic Representation are four intersection points, corresponding to the directions for that the two speeds are equal. Three-dimensionally define the directions for which the two speeds are equal, a pair of symmetrical to the optical Axis lying circular cones. As explained above, the intersections for a KH.PO., crystal and the wavelengths in question in one direction an angle of about 50 ° to the optical axis.

Wenn gewünscht, kann unter Inkaufnahme zusätzlichen Mehraufwandes der Wirkungsgrad der Wechselwirkung erhöht werden, indem der Kristall 10 in einem geeigneten Fabry-Perot-Etalon (vielfach reflektierendes Instrument sehr hoher Auflösung) eingeschlossen wird, wodurch ein optischer Resonator für die Wellenlänge des zugeführten Lichts gebildet wird, so daß dieses Licht zur Ausführung einer Vielfachreflexion durch den Kristall hindurch wirksam eingeschlossen wird. Wie dargestellt, besteht ein solcher Resonator aus ebenen Spiegelflächen 13A und 13B, die für Energie der einzuschließenden Wellenlänge hochreflektierend sind und einen für die Ausbildung von Energie solcher Wellenlänge innerhalb des Resonators geeigneten Abstand aufweisen.If desired, the efficiency of the interaction can be increased at the expense of additional overhead by enclosing the crystal 10 in a suitable Fabry-Perot etalon (multiple reflective instrument of very high resolution), whereby an optical resonator for the wavelength of the supplied light is formed so that this light is effectively confined to make multiple reflections through the crystal. As shown, such a resonator consists of flat mirror surfaces 13A and 13B which are highly reflective for energy of the wavelength to be included and have a spacing suitable for the formation of energy of such wavelength within the resonator.

Die erläuterten allgemeinen Prinzipien können angewendet werden, um die Mischung von zwei kohärenten Lichtwellen zu verbessern und damit entweder ihre Summen- oder Differenzfrequenz zu erzeugen. In diesem Fall läßt man die beiden zu mischenden Lichtwellen auf den Kristall, der als Mischglied dienen soll, in solchen Richtungen einfallen, daß die resultierende polarisierte Welle des gewünschten Modulationsproduktes an die Geschwindigkeit eines Strahls des durch diese Welle mit der gewünschten Modulationsfrequenz induzierten Lichts angepaßt ist. Die Anpaßbedingung besteht darin, daß die Vektorsumme der Ausbreitungsvektoren der zu mischenden Wellen gleich dem Ausbreitungsvektor der erzeugten Welle ist. Der einer Welle zugeordnete Ausbreitungsvektor ist definiert als der Vektor, dessen Richtung der Wellenausbreitung entspricht und dessen Größe gleich dem Kehrwert der Wellenlänge ist.The general principles outlined can be applied to to improve the mixing of two coherent light waves and thus either theirs Generate sum or difference frequency. In this case the two are allowed mixing light waves on the crystal, which is to serve as a mixing element, in such Directions occur that the resulting polarized wave of the desired modulation product to the speed of a beam passing through this wave with the desired modulation frequency induced light is adapted. The matching condition is that the vector sum the propagation vectors of the waves to be mixed equal to the propagation vector of the generated wave. The propagation vector assigned to a wave is defined as the vector, the direction of which corresponds to the wave propagation and its size is equal to the reciprocal of the wavelength.

F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Modulationsanordnung. Die Quellen 21 und 22 erzeugen getrennte Lichtstrahlen, die auf den als Mischelement dienenden, geeigneten doppelbrechenden Kristall 23 gerichtet werden. Die Richtung, die jeder dieser Strahlen mit der optischen Achse des Kristalls bildet, und der Kristall selbst sind so gewählt, daß die bei P gezeigte, sich im Kristall ergebende Geschwindigkeit der polarisierten Welle an die Geschwindigkeit eines induzierten Lichtstrahls der gewünschten Modulationsfrequenz in dessen Richtung angepaßt ist. Durch Anpassung der Geschwindigkeit der entsprechenden Welle kann entweder das Summen- oder Differenz-Modulationsprodukt ausgewählt werden. Auf der Ausgangsseite des Kristalls kann ein Filter 24 hinzugefügt werden, das wahlweise das gewünschte Modulationsprodukt durchläßt und das gesamte, ursprünglich zugeführte Licht ausfiltert. Als Spezialfall kann jede der Quellen Licht der gleichen Frequenz abgeben, in welchem Fall die zweite Harmonische erzeugt werden kann.F i g. 3 shows a schematic illustration of such a modulation arrangement. The sources 21 and 22 generate separate light beams which are directed onto the suitable birefringent crystal 23 serving as a mixing element. The direction which each of these rays forms with the optical axis of the crystal, and the crystal itself, are chosen so that the speed of the polarized wave shown at P and resulting in the crystal is adapted to the speed of an induced light beam of the desired modulation frequency in its direction is. Either the sum or difference modulation product can be selected by adjusting the speed of the corresponding wave. A filter 24 can be added on the output side of the crystal, which optionally allows the desired modulation product to pass through and filters out all of the light originally supplied. As a special case, each of the sources can emit light of the same frequency, in which case the second harmonic can be generated.

Die Prinzipien der Erfindung können weiter auf optische Verstärkung und Erzeugung angewendet werden. Bei der optischen Verstärkung dient ein selektiver Fluoreszenzstrahl als Eingangsenergie und ein zweiter Strahl, der das Signal darstellt, wird durch den Kristall vorzugsweise, obwohl nicht notwendigerweise, in der gleichen Richtung wie der selektive Fluoreszenzstrahl geschickt. In charakteristischer Weise wird bei der optischen Verstärkung ein dritter Strahl, Schwebung genannt, durch die Mischung der Eingangsenergie und des Signals im Kristall erzeugt. Die Summe der Signal- und Schwebungsfrequenz ist gleich der Eingangsfrequenz. Beim Durchgang durch den Kristall werden sowohl das Signal als auch die Schwebung durch Energieübertragung von der Eingangsenergie verstärkt. Für eine wirksame Verstärkung sollte der Ausbreitungsvektor der Eingangsenergie gleich der Summe der Ausbreitungsvektoren des Signals und der Schwebung sein. Bei isotropen Kristallen oder bei Kristallen mit ungenügender Doppelbrechung kann diese Bedingung auf Grund der Dispersion nicht erfüllt werden.The principles of the invention can be applied further to optical amplification and generation can be applied. In the case of optical amplification, a selective one is used Fluorescence beam as input energy and a second beam that represents the signal, is through the crystal preferably, although not necessarily, in the same Direction like the selective fluorescence beam sent. In a characteristic way a third beam, called a beat, is used in optical amplification the mixture of the input energy and the signal creates in the crystal. The sum the signal and beat frequency is the same as the input frequency. When passing through through the crystal, both the signal and the beat are transmitted through energy amplified by the input energy. For effective amplification, the propagation vector should the input energy is equal to the sum of the propagation vectors of the signal and the Be beating. With isotropic crystals or with crystals with insufficient birefringence this condition cannot be met due to the dispersion.

Die Anwendung der Prinzipien der Erfindung auf eine optische Verstärkung lassen sich am besten unter Bezugnahme auf F i g. 6 verstehen. Dort ist eine graphische Darstellung der Phasengeschwindigkeiten als Funktion der Ausbreitungsrichtung in ähnlicher Weise wie in F i g. 2 angegeben. In F i g. 6 wird jedoch angenommen, daß die Eingangsenergie ein außerordentlicher Strahl ist, der der mit P, bezeichneten Kurve oder Geschwindigkeitsverteilung zugehört. Die Kurven S und 1 stellen die Geschwindigkeiten der Signale bzw. der Schwebung als ordentliche Strahlen dar. Die Darstellung bezieht sich auf einen negativ einachsigen Kristall mit normaler Dispersion und den Fall, daß die Signalfrequenz etwas höher ist als die Schwebungsfrequenz. üblicherweise wird das Signal in der gleichen Richtung wie die Eingangsenergie und mit etwa der halben Eingangsfrequenz zugeführt. Die günstigste Richtung für die Eingangsenergie und das Signal wird dann durch den Pfeil in F i g. 6 dargestellt. Diese Richtung liegt zwischen den Schnittpunkten »1« und »2« und ist eindeutig durch die Signalfrequenz, die Eingangsfrequenz und die Kurven der F i g. 6 bestimmt. In der Praxis liegen die Schnittpunkte »1« und »2« sehr dicht beieinander. Wenn die Signal- und Eingangswellen nicht in der gleichen Richtung zugeführt werden, treffen die gleichen Prinzipien zur Bestimmung der optimalen Bedingungen zu.Application of the principles of the invention to optical amplification can best be understood with reference to FIG. 6 understand. There's a graphic there Representation of the phase velocities as a function of the direction of propagation in in a similar manner to FIG. 2 specified. In Fig. 6, however, it is assumed that the input energy is an extraordinary ray, that of the one marked P i Curve or speed distribution listened to. The curves S and 1 represent the speeds of the signals or the beat as ordinary rays. The representation relates refer to a negatively uniaxial crystal with normal dispersion and the case that the signal frequency is slightly higher than the beat frequency. usually the signal is in the same direction as the input energy and with about the half the input frequency. The most favorable direction for the input energy and the signal is then indicated by the arrow in FIG. 6 shown. This direction lies between the intersection points »1« and »2« and is unambiguous due to the signal frequency, the input frequency and the curves of FIG. 6 determined. In practice lie the intersections "1" and "2" are very close together. When the signal and input waves not fed in the same direction, meet the same principles to determine the optimal conditions too.

Die Grundbausteine eines optischen Verstärkers dieser Art sind in F i g. 4 gezeigt. Ein geeigneter doppelbrechender Kristall 30, der entsprechend den erläuterten Prinzipien ausgewählt ist, dient als nichtlineares Mischglied. Das Eingangslicht wird aus der selektiven Fluoreszenzquelle 31 und das zu verstärkende Signallicht aus der Signalquelle 32 zugeführt. In einigen Fällen kann ein optisches System (nicht gezeigt) benutzt werden, um sicherzustellen, daß die Signal- und Eingangswellen einen genau übereinstimmenden Weg gleicher Richtung im Kristall nehmen. Das Filter 33 wählt die gewünschte Ausgangsfrequenz für den Verbraucher aus. Das kann entweder die Signal- oder die Schwebungsfrequenz sein.The basic building blocks of an optical amplifier of this type are shown in FIG. 4 shown. A suitable birefringent crystal 30, selected in accordance with the principles explained, serves as the non-linear mixing element. The input light is supplied from the selective fluorescence source 31 and the signal light to be amplified is supplied from the signal source 32. In some cases an optical system (not shown) can be used to ensure that the signal and input waves take an exactly coincident path in the same direction in the crystal. The filter 33 selects the desired output frequency for the consumer. This can be either the signal frequency or the beat frequency.

Bei ausreichender optischer Verstärkung und Verwendung eines optischen Resonators für die gewünschte Ausgangsfrequenz und die sich ergebende Schwebungsfrequenz kann eine Erzeugung dieser Frequenz erreicht werden. In F i g. 5 ist eine Anordnung gezeigt, die zur Erzeugung von Licht mit einer Frequenz geeignet ist, die kleiner ist als die des zugeführten Eingangslichts. Der doppelbrechende Kristall 40 wird mit Eingangslicht der gezeigten Polarisation E aus der selektiven Fluoreszenzquelle 41 bestrahlt. Die Richtung des Lichts durch den Kristall und die Wahl des Kristalls entsprechen den erläuterten Prinzipien. Vorteilhafterweise werden zur Schaffung eines optischen Resonators für die gewünschten Frequenzen reflektierende Spiegelflächen auf entgegengesetzten Seiten des Resonators im Wege des Eingangslichts angeordnet. Vorteilhafterweise sind diese Spiegelflächen als reflektierende Beschichtungen 42 und 43 auf entgegengesetzten Flächen des Kristalls angebracht, um einen Fabry-Perot-Resonator bekannter Art zu bilden und stehende Wellen im Kristall zu erzeugen. Vorteilhafterweise werden stehende Wellen der Eingangs-, der Schwebungs- und der gewünschten Ausgangsfrequenz erzeugt. Ein Filter 44 ist vorgesehen, um den Durchgang aller außer der gewünschten Ausgangsfrequenz zu beschränken. Diese Anordnung ist insbesondere geeignet zur Erzeugung der ersten Subharmonischen der Eingangsfrequenz entsprechend der Frequenz, bei der die Schwebungs- und die Ausgangsfrequenzen gleich der halben Eingangsfrequenz sind, da der optische Umwandlungsvorgang beim Bestehen dieser Beziehung den höchsten Wirkungsgrad aufweist.With sufficient optical amplification and the use of an optical one Resonator for the desired output frequency and the resulting beat frequency a generation of this frequency can be achieved. In Fig. 5 is an arrangement shown, which is suitable for generating light with a frequency that is smaller is than that of the input light supplied. The birefringent crystal 40 becomes with input light of the polarization E shown from the selective fluorescence source 41 irradiated. The direction of light through the crystal and the choice of crystal correspond to the principles explained. Advantageously be used to create an optical resonator for the desired frequencies reflecting mirror surfaces placed on opposite sides of the resonator in the path of the input light. These mirror surfaces are advantageously used as reflective coatings 42 and 43 mounted on opposite faces of the crystal to form a Fabry-Perot resonator known type and to generate standing waves in the crystal. Advantageously become standing waves of the input frequency, the beat frequency and the desired output frequency generated. A filter 44 is provided to pass through all but the desired output frequency to restrict. This arrangement is particularly suitable for generating the first Subharmonics of the input frequency corresponding to the frequency at which the beat and the output frequencies are equal to half the input frequency, since the optical Conversion process has the highest efficiency when this relationship exists.

Die Prinzipien der Erfindung sind unter Bezugnahme auf je ein Beispiel der Erzeugung vor Harmonischen, der Modulation, der optischen Verstärkung und Erzeugung kurzer elektromagnetischer Wellen erläutert worden. Aber diese Ausführungsformen sollen nur als Beispiel für die allgemeinen Prinzipien gelten, und es können andere Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung angegeben werden. Beispielsweise können viele andere Kristalle verwendet werden, vorausgesetzt, daß für die in Frage kommenden Wellenlängen der Kristall eine Richtung besitzt, in der die erwünschten Bedingungen für die Geschwindigkeit erfüllt sind. Wie bereits erläutert, können geeignete positive doppelbrechende Kristalle benutzt werden, in welchem Falle der außerordentliche Lichtstrahl niedrigerer Frequenz an den ordentlichen Lichtstrahl höherer Frequenz angepaßt wird. Zusätzlich sind weitere Abänderungen möglich. Insbesondere kann die zur Anregung des Kristalls verwendete Welle vorher durch eine Polarisiereinrichtung geschickt werden, um sicherzustellen, daß tatsächlich nur Energie der gewünschten brauchbaren Polarisation an den Kristall angelegt wird. Zusätzlich können Oberflächenbehandlungen des Kristalls benutzt werden, um den Eintritt des angelegten Lichts und den Austritt des erzeugten Lichts ohne schädliche Zerstreuung zu erleichtern. Dazu zählt eine geeignete Formgebung der Eintritts- und Austrittsflächen für das Licht. Die optischen Mittel können so ausgebildet werden, daß die Sammlung und parallele Ausrichtung oder Fokussierung des anregenden und erzeugten Lichts möglichst gut sind. Weiterhin sind, wie bereits oben gesagt, die gleichen Prinzipien auch auf elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen größer als die des Lichts, beispielsweise Mikrowellen, anwendbar.The principles of the invention are given with reference to one example each pre-harmonic generation, modulation, optical amplification and generation short electromagnetic waves have been explained. But these embodiments are only intended to serve as an example of the general principles, and others may Embodiments are given within the scope of the invention. For example, many other crystals can be used provided that for the wavelengths in question the crystal has a direction in which the desired speed conditions are met. As already explained, suitable positive birefringent crystals can be used, in which case the extraordinary ray of light of lower frequency to the ordinary ray of light higher frequency is adjusted. Additional changes are also possible. In particular the wave used to excite the crystal can be passed through a polarizing device beforehand sent to ensure that actually only the energy you want usable polarization is applied to the crystal. In addition, surface treatments can be used of the crystal are used to indicate the entry and exit of the applied light of the generated light without detrimental diffusion. This includes one suitable shaping of the entry and exit surfaces for the light. The optical Means can be designed to allow collection and parallel alignment or focusing of the stimulating and generated light are as good as possible. Farther are, as already said above, the same principles also apply to electromagnetic Radiation with wavelengths greater than that of light, for example microwaves, applicable.

Claims

Claims: 1. Method for the optical generation of harmonics, of beats or a modulation mixture of electromagnetic waves by means of an optically non-linear medium, characterized in that the optically non-linear Medium (10, 23, 30, 40) is birefringent and the monochromatic electromagnetic Waves are passed through the birefringent medium that in the birefringent Medium the phase velocity of the ordinary or extraordinary ray of the incident waves to the phase velocity of the ordinary or extraordinary Beam of the harmonics, the beat or the modulation mixture is adapted.

2. Non-linear optical device for the optical generation of harmonics, of beats or a modulation mixture of electromagnetic waves according to the method according to claim 1 with an optical transmitter or amplifier as a monochromatic one coherent radiation source for the input radiation, characterized in that a KH2P04 crystal (10, 23, 30, 40) is used as the birefringent medium, which is arranged so that the monochromatic light of the optical transmitter or Amplifier (11) passes through it in a direction making an angle of forms about 50 ° with the optical axis (z) of the crystal.

3. Non-linear optical Device according to Claim 2, for superimposing an unmodulated frequency with a modulated one Signal frequency, characterized in that the birefringent crystal in a Direction is arranged in which a polarized beat frequency in its interior arises.