DE1188204B - Optischer Resonator fuer einen optischen Sender oder Verstaerker fuer selektive Fluoreszenz - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIs

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1188204

Aktenzeichen: J 25365 VIII c/21 f

Anmeldetag: 29. Februar 1964

Auslegetag: 4. März 1965

Die Erfindung betrifft einen optischen Resonator für einen optischen Sender oder Verstärker für selektive Fluoreszenz zur Erzeugung kohärenter, parallelgerichteter Strahlung, insbesondere einen optischen Resonator zur Verbesserung der Parallelität des Ausgangsstrahles eines optischen Senders oder Verstärkers.

Das als stimulierte Strahlung bekannte Phänomen ist in jüngster Zeit zur Verstärkung und Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellen-, Infrarot- und im Bereich der optischen Frequenzen herangezogen worden. Ein wesentliches Bauteil für das Erzeugen eines energiereichen Ausgangsstrahles eines optischen Senders oder Verstärkers für selektive Fluoreszenz stellt dabei der optische Resonator dar.

Die gebräuchlichste Form des gegenwärtig in optischen Sendern oder Verstärkern für selektive Fluoreszenz verwendeten optischen Resonators ist der sogenannte Fabry-Perot (Parallelplatten-) Resonator. Diese Resonatorart besteht aus einem Paar paralleler ebener Reflektoren, deren einer für einen geringen Prozentsatz des auf ihn auffallenden Lichtes durchlässig ist. Als selektiv fluoreszentes Medium dient ein Rubin (Aluminiumoxyd mit einem geringen Chromanteil), der zwischen die Reflektoren gebracht wird. Wenn dem Rubin Anregungsenergie zugeführt wird, so wird in ihm eine stimulierte Strahlung hervorgerufen. Während dieses Vorganges werden Strahlungsphotonen in den verschiedensten Richtungen ausge- sandt, aber nur diejenigen, die in axialer Richtung (senkrecht zu den ebenen Reflektoren des optischen Resonators) ausgesandt werden, werden eine Vielzahl von Malen durch das selektiv fluoreszente Medium hin- und herreflektiert und induzieren dabei die Emission vieler Photonen in der gleichen oder fast der gleichen Richtung. Aus diesem Grunde ist der achsparallele Strahlungsanteil bei einem optischen Sender oder Verstärker für selektive Fluoreszenz mit einem optischen Resonator aus parallelen Platten vorherrschend. Der so erzeugte Ausgangsstrahl (die Strahlung, die den lichtdurchlässigen Reflektor durchdringt) ist daher sehr stark parallel gerichtet. Das Erzeugen eines solchen stark parallelgerichteten Ausgangsstrahles ist ein Hauptvorteil des Parallelplatten-Resonators.

Etwas nicht achsparallele Strahlung wird jedoch auch bei Verwendung eines solchen Resonators erzeugt. Photonen, die in einer nur schwach von der axialen Richtung abweichenden Richtung ausgestrahlt werden, oszillieren viele Male in dem selektiv fluoreszenten Medium, bevor sie das System schließ-Optischer Resonator für einen optischen Sender oder Verstärker für selektive Fluoreszenz

Anmelder:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Akira Okaya, Pitcairn, Alleghaney, Pa.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. März 1963 (263 329)

lieh verlassen. Diese nicht achsparallele Strahlung vermindert die Anzahl angeregter Atome in dem selektiv fluoreszenten Medium, die daher für das Erzeugen achsparalleler Strahlung nicht mehr zur Verfügung stehen, und verursacht die Divergenz des Ausgangsstrahles. Zur Ausschaltung oder zumindest zur Verringerung der nicht achsparallelen Strahlung wurde schon vorgeschlagen, ein Sammellinsensystem in dem Pfad der innerhalb des optischen Resonators oszillierenden Strahlung anzubringen. Es hat den Zweck, die achsparallele Strahlung, die innerhalb des optischen Resonators oszilliert, auf ihrem Weg zwischen den Reflektoren des optischen Resonators durch einen Brennpunkt laufen zu lassen. Eine dünne Maske oder ein Diaphragma mit einer sehr kleinen Öffnung wird so in die Brennebene des Linsensystems gebracht, daß die sehr kleine Öffnung sich im Brennpunkt befindet.

Die sehr kleine Öffnung ist nur einige Male größer als die Wellenlänge der erzeugten Strahlung, so daß nur achsparallele Strahlung durch die Öffnung gelangt. Nicht achsparallele Strahlung wird nicht im Brennpunkt des Linsensystems gesammelt und wird daher aus dem System eliminiert, wenn sie auf das Diaphragma auftrifft und absorbiert wird.

Dieses System zur Ausschaltung nicht achsparalleler Strahlung ist jedoch in seinen Anwendungsmöglichkeiten auf Systeme mit kleiner Leistung beschränkt. Das liegt daran, daß eine gewaltige Konzentration der Strahlungsenergie im Brennpunkt des

509 517/17+

3 4

Linsensystems erfolgt, die zu einer Zerstörung des Resonator mit parallelen Platten verstärkte Strahlung Diaphragmas in der Umgebung der kleinen Öffnung vorzugsweise die parallel zur Achse verlaufende ist. führt. Daher muß entweder die Ausgangsleistung des Wenn ein kleiner Anteil der auf den Spiegel 10 auf optischen Senders oder Verstärkers klein gehalten fallenden Strahlung den Spiegel durchdringt, anstatt oder die öffnung im Diaphragma vergrößert werden. 5 von ihm reflektiert zu werden, tritt ein stark parallel- Keine der beiden Möglichkeiten ist sehr befriedigend, gerichtetes Ausgangsstrahlenbündel 19 aus.
daß die erstere die praktische Anwendung des op- Nach F i g. 2 durchsetzt jedoch ein am Punkt 21 tischen Senders oder Verstärkers einschränkt und innerhalb des selektiv fluoreszenten Mediums aus- die letztere ihre Fähigkeit zur Elimination nicht achs- gestrahltes und in leicht von der axialen abweichenparalleler Strahlung beeinträchtigt. io der Richtung (in der Zeichnung übertrieben dar-

Die Erfindung weist einen anderen Weg zur Aus- gestellt), z. B. längs der Linie 23, wanderndes Photon schaltung nicht achsparalleler Strahlung durch zweck- das selektiv fluoreszente Medium sehr viele Male, be mäßige Ausbildung des optischen Resonators für vor es das System entlang der Linie 25 verläßt. Die einen optischen Sender oder Verstärker für selektive kumulative Wirkung einer solchen leicht von der Fluoreszenz mit zwei sich einander gegenüberstehen- 15 Axialrichtung abweichenden Emission besteht in der den Spiegeln, von denen der eine als eine etwas licht- Erzeugung eines nicht axial gerichteten Anteils 27 durchlässige Reflexionsschicht auf der einen der im Ausgangsstrahl. Dieser Anteil ist unerwünscht, beiden Zylinderbodenflächen aufgebracht ist, die weil er erstens eine Divergenz (Strahlspreizung) des senkrecht zur geometrischen optischen Achse des Ausgangsstrahls bewirkt und weil er zweitens auf stabförmig begrenzten, selektiv fluoreszenten Me- «o seinem Weg durch das selektiv fluoreszente Medium diums angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zur Ver- mit angeregten Atomen kollidiert und ihnen Energie ringerung des nicht achsparallelen Anteils im Aus- entzieht, die gut zur Erzeugung axialer Strahlung gangsstrahl des optischen Senders oder Verstärkers hätte dienen können. Dadurch wird die Intensität der der zweite Spiegel als Kugel mit dem Mittelpunkt auf Axialstrahlung im Ausgangsstrahl verringert.
der optischen Achse ausgebildet, derart, daß der 25 F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel Mittelpunkt in den Brennpunkt einer zwischen der der Erfindung und veranschaulicht, wie dadurch die Kugel und dem selektiv fluoreszenten Medium eben- Erzeugung der von der Axialrichtung abweichenden falls in der optischen Achse angeordneten Sammel- Strahlung auf ein Mindestmaß reduziert wird. Der linse fällt. ebene Spiegel 11 von Fig. 1 ist hier durch eine Sam-

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich 30 mellinse 29 und eine reflektierende Kugel 30 ersetzt

aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevor- worden. Der Mittelpunkt der Kugel fällt mit dem

zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Ver- Brennpunkt F der Linse zusammen. Ein Photon einer

bindung mit den Zeichnungen, von denen zeigt leicht von der Axialrichtung abweichenden Strahlung,

F i g. 1 schematisch die Arbeitsweise eines Par- das vom Punkt 31 ausgeht und in Richtung der Linie

allelplatten-Resonators eines optischen Senders oder 35 33 wandert, wird nach seiner Brechung durch die

Verstärkers für selektive Fluoreszenz, Linse 29 von der reflektierenden Oberfläche der

F i g. 2 schematisch den Verlauf nicht achspar- Kugel 30 unter einem größeren Winkel als dem-

alleler Strahlung in dem optischen Resonator nach jenigen reflektiert, der sich ergeben hätte, wenn die

Fig. 1, Strahlung einfach durch eine ebene Fläche wie in

F i g. 3 schematisch den Verlauf nicht achspar- 40 F i g. 2 reflektiert worden wäre. Infolge dieser Ver-

alleler Strahlung in einem Ausführungsbeispiel der größerung des Winkels, unter dem die von der

Erfindung, Axialrichtung abweichende Strahlung von der einen

F i g. 4 schematisch den Verlauf der axialen Strah- der beiden reflektierenden Flächen des optischen

lung in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 und Resonators reflektiert wird, wird diese Strahlung nur

Fig. 5 schematisch eine Modifikation des Ausfüh- 45 v/enige Male durch das selektiv fluoreszente Medium

rungsbeispieles nach den F i g. 3 und 4. geleitet, bevor sie bei 35 das System verläßt.

An Hand von Fig. 1 folgt nun eine verall- Wenn so die Zahl der Durchgänge, die die von der gemeinerte Beschreibung der Wirkungsweise des be- Axialrichtung abweichende Strahlung durch das kannten optischen Resonators mit parallelen Platten. selektiv fluoreszente Medium ausführen kann, redu- Zwei ebene Reflexionsflächen 10 und 11 sind genau 50 ziert wird, enthält der Ausgangsstrahl einen geringe parallel zueinander angebracht. Ein selektiv fluores- ren Anteil an von der Axialrichtung abweichender zentes Medium 13, z. B. ein Rubin, befindet sich in Strahlung, und ein größerer Teil der vorhandenen dem Zwischenraum zwischen den Spiegeln 10 und 11. angeregten Atome in dem selektiv fluoreszenten Bei Zufuhr von Anregungsenergie, z. B. der Strah- Medium wird für die Erzeugung der Axialstrahlung lung 15 einer Hochleistungs-Blitzlichtlampe (nicht 55 ausgenutzt. Das Ergebnis ist ein intensiverer, stärker gezeigt), an das selektiv fluoreszente Medium wird paralleler Ausgangsstrahl.

in diesem eine stimulierte Strahlung bewirkt. F i g. 4 zeigt, wie die Axialstrahlung innerhalb des

Photonen der Strahlung, die parallel zur Achse des erfindungsgemäßen Resonators erzeugt wird. Die

Systems (einer senkrecht zu den ebenen Spiegeln 10 Achse der Sammellinse 29 liegt parallel zu einer

und 11 verlaufenden Linie), z. B. entlang der Linien 60 Linie, die senkrecht zu dem ebenen, teilweise durch-

17, ausgestrahlt werden, werden durch die Spiegel 10 lässigen Spiegel 10 verläuft. Da der Mittelpunkt der

und 11 sehr häufig durch das selektiv fluoreszente Kugel 30 mit dem Brennpunkt der Linse zusammen-

Medium 13 hindurch hin und her reflektiert. Bei fällt, wird die Axialstrahlung durch die Linse 29 so

jedem Durchgang eines Photons axialer Strahlung gebrochen, daß sie auf die Kugel 30 in einer zu deren

durch das selektiv fluoreszente Medium kollidiert das 65 Oberfläche senkrechten Richtung auffällt. Die Axial-

Photon mit angeregten Atomen und bewirkt, daß strahlung wird also durch die Kugel 30 längs einer

diese weitere Photonen axialer Strahlung aussenden. Bahn reflektiert, die mit ihrer Einfallsbahn zu-

Es ist ersichtlich, daß die durch einen optischen sammenfällt. Dadurch wird ein Anwachsen der

Axialstrahlung ähnlich wie beim Parallelplatten-Resonator nach F i g. 1 erreicht.

In der Praxis erreicht man gute Resultate mit einem Stab aus einem selektiv fluoreszenten Medium der einen Durchmesser von 6,25 mm hat, in Verbindung mit einer Sammellinse, deren Brennweite 32 mm beträgt, und einer reflektierenden Kugel, die einen Durchmesser von 1 mm hat. Die Kugel kann aus hitzbehandeltem Glas bestehen, das eine Oberflächengenauigkeit von 5 um aufweist und mit einer Nickelchromschicht in einer Stärke von 10 bis 20 A und einer Silberschicht in einer Stärke von etwa 15 000 A überzogen ist.

Natürlich können die oben aufgezählten Elemente in Größe und Zusammensetzung so abgewandelt werden, daß sie den Erfordernissen verschiedener Systeme optischer Sender oder Verstärker entsprechen. Im allgemeinen erhält man die besten Ergebnisse mit Linsen geringer Brennweite und reflektierenden Kugeln mit kleinem Radius.

F i g. 5 zeigt eine andere Form des in F i g. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispieles. Diese abgewandelte Ausführungsform hat den Zweck, eine Modulation der Intensität des Ausgangsstrahls 39 zu erreichen. Der optische Resonator gleicht dem in Verbindung mit F i g. 3 und 4 gezeigten und besteht aus dem teilweise durchlässigen ebenen Spiegel 10, dem selektiv fluoreszenten Medium 13, der Sammellinse 29 und der reflektierenden Kugel 30. Jedoch ist hier nicht die ganze Fläche der Kugel 30 reflektierend, sondern ein Teil 41 davon ist nichtreflektierend. Außerdem ist die Kugel axial auf eine Welle 43 gesetzt, die ihrerseits in einem Lagerbock 45 und einem Drehlagerbock 47 drehbar gelagert ist. Eine Rolle 49 mit kleinem Durchmesser ist am oberen Ende der Welle 43 befestigt und berührt eine Rolle 51 mit großem Durchmesser, die auf einer Antriebswelle 53 befestigt ist. Ein Bund 55 ist mit der Welle 43 direkt unterhalb des Drehlagerbocks 47 verbunden, damit die Welle nicht aus ihrem Sitz im Lagerbock 45 heraustreten kann.

Während die Antriebsrolle 51 in der gezeigten Richtung umläuft, bewirkt die angetriebene Rolle 49, daß die Welle 43 und damit die reflektierende Kugel 30 sich in der entgegengesetzten Richtung drehen. Wegen der durch die relativen Durchmesser der Rollen 51 und 49 bedingten hohen Übersetzungsverhältnisse kann die Kugel 30 mit hoher Winkelgeschwindigkeit in Umlauf versetzt werden. Dabei unterbricht der nichtreflektierende Teil 41 der Kugel 30 periodisch die Reflexion der Strahlung zurück in das selektiv fluoreszente Medium 13 und behindert so vorübergehend den Aufbau der Axialstrahlung innerhalb des Resonators. Während dieser reflexionslosen Periode wird die Intensität des Ausgangsstrahls herabgesetzt oder der Strahl wird ganz unterbrochen, was davon abhängig ist, wie nichtreflektierend der Teil 41 ist und wie schnell die Kugel 30 gedreht wird. Wenn die Kugel mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird, wird der Ausgangsstrahl in einem konstanten Zyklus intensitätsmoduliert. Wenn dagegen die Winkelgeschwindigkeit der Kugel nach einem bestimmten Schema verändert wird, kann dadurch erreicht werden, daß der Ausgangsstrahl 39 Informationen überträgt.

Die in F i g. 5 gezeigte mechanische Anordnung zum Drehen der reflektierenden Kugel 30 stellt nur ein Ausführangsbeispiel dieses Erfindungsmerkmals dar. An ihrer Stelle könnte auch ein magnetisches Aufhänge- und Drehsystem benutzt werden. Ebenso ließen sich auch noch andere Drehanordnungen verwenden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optischer Resonator für einen optischen Sender oder Verstärker für selektive Fluoreszenz mit zwei sich einander gegenüberstehenden Spiegeln, von denen der eine als eine etwas lichtdurchlässige Reflexionsschicht auf der einen der beiden Zylinderbodenflächen aufgebracht ist, die senkrecht zur geometrischen optischen Achse des stabförmig begrenzten selektiv fluoreszenten Mediums angeordnet sind, dadurchgekennzeichnet, daß zur Verringerung des nicht achsparallelen Anteils im Ausgangsstrahl des optischen Senders oder Verstärkers der zweite Spiegel als Kugel (30) mit dem Mittelpunkt auf der optischen Achse ausgebildet ist, derart, daß der Mittelpunkt in den Brennpunkt (F) einer zwischen der Kugel und dem selektiv fluoreszenten Medium ebenfalls in der optischen Achse angeordneten Sammellinse (29) fällt.

2. Optischer Resonator nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel auch einen nichtreflektierenden Bereich aufweist und derart drehbar gelagert ist, daß durch ihre Rotation eine Modulation des Ausgangsstrahles des optischen Senders erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1136 777.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 517/174 2.65 © Bundesdruckerei Berlin