DE1191041B - Optical amplifier with a selectively fluorescent crystal - Google Patents

Optical amplifier with a selectively fluorescent crystal

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DE1191041B DES75744A DES0075744A DE1191041B DE 1191041 B DE1191041 B DE 1191041B DE S75744 A DES75744 A DE S75744A DE S0075744 A DES0075744 A DE S0075744A DE 1191041 B DE1191041 B DE 1191041B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

HOIsHOIs

Deutsche KL: 2If-90German KL: 2If-90

Nummer: 1191041Number: 1191041

Aktenzeichen: S 75744 VIII c/21 fFile number: S 75744 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 14. September 1961 Filing date: September 14, 1961

Auslegetag: 15. April 1965Opening day: April 15, 1965

Die Erfindung betrifft die besondere Ausbildung eines optischen Senders oder Verstärkers, sogenannten Lasers, bei dem ein selektiv fluoreszenter Halbleiterkristall nach Anregung durch ein- oder mehrmalige, an der geeignet ausgebildeten Oberfläche des Kristalls erfolgende Reflexion der von den angeregten Tennen des Kristalls ausgesandten und im Innern des Kristalls verlaufenden Strahlung einen scharf gebündelten optischen Strahl aussendet. Solche Sender oder Verstärker sind z. B. mit dotiertem Aluminiumoxid (Rubin) oder Calciumwolframat als selektiv fluoreszenten Halbleiterkristallen für Lichtfrequenzen im optischen insbesondere im infraroten Spektralbereich bekannt. Bei diesen bekannten Verstärkern besitzt der Kristall zwei optisch möglichst genau planparallele, schwach durchlässig verspiegelte Flächen, zwischen denen dann unter ständiger Verstärkung die von den Termen ausgehende Strahlung hin- und herläuft, wobei beim Auftreffen des Strahls auf die durchlässigen Verspiegelungen jeweils ein Teil der Strahlungsenergie aus dem Halbleiterkristall austritt. Bei jedem Auftreffen des Strahls auf die Verspiegelung geht ein Teil der Energie durch Absorption verloren; da ferner zur Aussendung eines starken und scharf gebündelten Strahls ein relativ langer Weg des Lichtstrahls im Kristall notwendig ist und dem Kristall selbst aus Raumgründen nicht die hierfür notwendigen Abmessungen gegeben werden können, läßt man den Strahl vielfach reflektieren, wodurch sich die genannten Verluste vervielfachen. Zur Vermeidung derartiger Verluste wurde vorgeschlagen, die Totalreflexion auszunutzen.The invention relates to the special design of an optical transmitter or amplifier, so-called Laser, in which a selectively fluorescent semiconductor crystal after excitation by single or multiple, on the suitably designed surface of the crystal taking place reflection of the excited The radiation emitted by the crystal and running inside the crystal is sharply focused emits optical beam. Such transmitters or amplifiers are e.g. B. with doped aluminum oxide (Ruby) or calcium tungstate as selectively fluorescent semiconductor crystals for light frequencies known in the optical, in particular in the infrared spectral range. In these known amplifiers the crystal has two optically as precisely as possible plane-parallel, slightly translucent mirrored surfaces, between which the radiation emanating from the terms then runs back and forth with constant amplification, when the beam strikes the permeable mirror coatings, in each case a part of the Radiant energy emerges from the semiconductor crystal. Every time the beam hits the mirror some of the energy is lost through absorption; because furthermore to emit a strong and sharply focused beam a relatively long path of the light beam in the crystal is necessary and the crystal even for reasons of space, the dimensions necessary for this cannot be given the beam is reflected many times, which means that the losses mentioned are multiplied. To avoid of such losses it has been suggested to take advantage of total internal reflection.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die bei derartigen Kristallen in optischen Verstärkern auftretenden Verluste bei der Reflexion des im Innern des Kristalls verlaufenden Strahls zu verringern oder möglichst zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Strahl praktisch verlustfrei aus dem Kristall austreten zu lassen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei einem wie oben beschriebenen optischen Sender oder Verstärker, bei dem die verstärkte Strahlung im Innern des Kristalls ausschließlich total reflektiert wird (Figur), ein praktisch verlustfreies Austreten der Strahlung zu erreichen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Stärke des ausgesandten Strahls regelbar zu machen.It is an object of the invention to eliminate the effects that occur with such crystals in optical amplifiers To reduce losses in the reflection of the beam passing inside the crystal or to avoid if possible. Another object of the invention is to make the beam practically lossless to leak out of the crystal. It is an object of the invention in one as described above optical transmitter or amplifier in which the amplified radiation is inside the crystal is only totally reflected (figure) to achieve a practically loss-free exit of the radiation. It is a further object of the invention to adjust the strength of the emitted beam do.

Diese Aufgaben werden gelöst durch einen optischen Sender oder Verstärker mit stimulierter Strahlung in einem selektiv fluoreszenten Kristall (sogenannter Laser = Light-maser = Light amplification by stimulated emission of radiation), der kohärenteThese tasks are achieved by an optical transmitter or amplifier with stimulated radiation in a selectively fluorescent crystal (so-called laser = light maser = light amplification by stimulated emission of radiation), the coherent one

Optischer Verstärker mit einem selektiv
fluoreszenten KristallOptical amplifier with a selective
fluorescent crystal

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,Berlin and Munich,

München 2, Wittelsbacherplatz 2Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. rer. nat. Hans Rother,Dr. rer. nat. Hans Rother,

Dr. rer. nat. Walter Heywang, MünchenDr. rer. nat. Walter Heywang, Munich

elektromagnetische Strahlung verstärkt und aussendet und der nach Anregung durch ein- oder mehrmalige an der Oberfläche des Kristalls erfolgendeelectromagnetic radiation amplified and emits and after excitation by one or repeated on the surface of the crystal

so Reflexion der von den angeregten Teilen des Kristalls ausgesandten und im Innern des Kristalls verlaufenden Strahlung einen scharf gebündelten optischen Strahl aussendet und bei dem mindestens eine der Reflexionsflächen der Oberfläche des Kristalls so ausgebildet ist, daß der im Innern des Kristalls verlaufende und später gebündelt ausgesandte Strahl an dieser Stelle total reflektiert wird, und der gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil des im Innern des Kristalls verlaufenden Strahls an einer Stelle der Kristalloberfläche, an der dieser Strahl in einem einer totalen Reflexion entsprechenden Winkel auftrifft, durch Tunneleffekt aus dem Kristall austritt, indem der Reflexionsstelle gegenüber in einem sehr kleinen, vorzugsweise einstellbaren Abstand, dessen Größe höchstens etwa gleich der 5- bis lOfachen Wellenlänge der austretenden Strahlung ist, ein für den austretenden Strahl durchlässiger Körper angeordnet ist. Absorptionsverluste, wie sie bei den Verspiegelungen auftreten, fallen an diesen Reflexionsstellen also praktisch fort. Um auch noch eine vielfache Reflexion zu ermöglichen, wird der Strahl gemäß der Erfindung derart im Kristall geführt, daß er an mehreren Flächen des Kristalls total reflektiert wird. Hierzu erhält der Kristall im Querschnitt vorteilhaft die Form eines geradzahligen, regelmäßigen Vierecks, insbesondere eines Quadrats.so reflection of the excited parts of the crystal The radiation emitted and running in the interior of the crystal produces a sharply bundled optical Emits beam and in which at least one of the reflective surfaces of the surface of the crystal is formed is that the beam that runs inside the crystal and is later emitted in a bundle this point is totally reflected, and which is characterized according to the invention in that a part of the beam running inside the crystal at a point on the crystal surface where it Beam at an angle corresponding to a total reflection, by tunnel effect from the Crystal emerges by the point of reflection opposite at a very small, preferably adjustable distance, the size of which is at most approximately equal to 5 to 10 times the wavelength of the emitted radiation, a body permeable to the exiting beam is arranged. Absorption losses, as in the If reflections occur, they practically disappear at these reflection points. To also have another To enable multiple reflection, the beam according to the invention is guided in the crystal in such a way that it is totally reflected on several surfaces of the crystal. For this purpose, the crystal has an advantageous cross-section the shape of an even, regular square, in particular a square.

Die folgende Erläuterung des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung läßt weitere Einzelheiten der Erfindung erkennen.The following explanation of the embodiment of the invention shown in the figure leaves further Recognize details of the invention.

Im Beispiel der Figur hat der Kristall 41 quadratischen Querschnitt. Die Voraussetzung hierfür ist dabei, daß der Brechungsindex des Kristalls für denIn the example of the figure, the crystal 41 has a square cross-section. The prerequisite for this is that the refractive index of the crystal for the

509 539/171509 539/171

Lichtstrahl mindestens gleich 1,4 ist. Ist dagegen der Brechungsindex des für den Kristall 41 verwendeten Materials kleiner als 1,4, so empfiehlt es sich gemäß der Erfindung, den Querschnitt des Kristalls sechs- bzw. achteckig zu wählen. Die äußeren Flächen 41' des vorzugsweise scheibenförmigen Kristalls sind nicht verspiegelt. Auf dem strichpunktiert gezeichne ten Strahlenweg findet also die gewünschte Verstärkung der Strahlung statt. Trifft die Strahlung auf diesem Weg auf eine der Oberflächen 41', so wird sie an diesen Flächen total reflektiert, also praktisch verlustfrei umgelenkt. Auch die Austrittsfläche, an der der Strahl gemäß der Erfindung teilweise aus treten soll (s. Figur, unten), ist unverspiegelt und der umlaufende Strahl wird von ihr, wie die Figur zeigt, unter dem gleichen Winkel reflektiert wie an den anderen Flächen 41'. Der Oberfläche dieses Kristalls gegenüber ist jedoch ein für die Strahlung durch lässiger Körper 42, insbesondere ein Glaskörper, in einem so geringen Abstand!) angeordnet, daß von dem im Kristall ankommenden Strahl / ein Teil i in folge Tunneleffekts aus dem Kristall aus- und in den für den Strahl durchlässigen Körper 42 eintritt. Aus diesem Körper tritt der Strahl i — vorzugsweise ohne Brechung—bei 42' (s. Pfeil 42") aus. Der Abstand D ist vorzugsweise einstellbar, um zum Beispiel die Stärke des ausgesandten Strahls zur egeln. Zu diesem Zweck drückt die Druckfeder 43, die sich auf eine Druckplatte 44 abstützt, den Körper 42 gegen ein stellbare und in F i g. 4 nur schematisch dargestellte Anschläge 45, 46. Es ist vorteilhaft, die Flächen 41' des quaderförmigen Kristalls 41 so planparallel zu schleifen; auch der Körper 42 ist vorteilhaft planparallel zu der ihr gegenüberstehenden Fläche 41. Light beam is at least 1.4 . If, on the other hand, the refractive index of the material used for the crystal 41 is less than 1.4, it is advisable , according to the invention, to select the cross-section of the crystal to be hexagonal or octagonal. The outer surfaces 41 'of the preferably disk-shaped crystal are not mirrored. The desired amplification of the radiation therefore takes place on the ray path shown by dash-dotted lines. If the radiation hits one of the surfaces 41 ' on this path, it is totally reflected on these surfaces , that is to say deflected with practically no loss. The exit surface, on which the beam according to the invention is to partially emerge (see figure, below), is not mirrored and the circulating beam is reflected by it, as the figure shows, at the same angle as on the other surfaces 41 ' . The surface of said crystal opposite, however, is a arranged on the radiation permeable body 42, in particular a glass body, in such a short distance!), That / part i in follow tunneling off of said incoming in the crystal beam from the crystal and in the body 42 which is permeable to the beam enters. For this body the ray enters i - preferably without Refraction at 42 '(see arrow 42 ".) From the distance D is preferably adjustable, for example to the leeches, the strength of the emitted beam To this end, the compression spring 43,.. which is supported on a pressure plate 44, the body 42 against adjustable stops 45, 46, which are only shown schematically in FIG is advantageously plane-parallel to the surface 41 opposite it.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Kristall, der kohärente elektromagnetische Strahlung durch Stimulierung zu verstärken und auszusenden vermag und der nach Anregung durch ein- oder mehrmalige an der Oberfläche des Kristalls erfolgende Reflexion der von den angeregten Termen des Kristalls ausgesandten und im Innern des Kristalls verlaufenden Strahlung einen scharf gebündelten Strahl aussendet und bei dem mindestens eine der Reflexionsflächen den in seinem Innern verlaufenden und später gebündelt ausgesandten Strahl total reflektiert, dadurchgekennzeichnet, daß ein Teil des im Innern des Kristalls (41) verlaufenden Strahls (/) an einer Stelle der Kristalloberfläche, an der dieser Strahl in einem einer totalen Reflexion entsprechenden Winkel auftrifft, durch Tunneleffekt aus dem Kristall austritt, indem der Reflexionsstelle gegenüber in einem sehr kleinen, vorzugsweise einstellbaren Abstand (D), dessen Größe höchstens etwa gleich der 5- bis lOfachen Wellenlänge der austretenden Strahlung ist, ein für den austretenden Strahl durchlässiger Körper (42) angeordnet ist. 1. Optical transmitter or amplifier with a selectively fluorescent crystal, which is able to amplify and emit coherent electromagnetic radiation through stimulation and which, after excitation, is reflected by one or more times on the surface of the crystal of the emitted by the excited terms of the crystal and inside The radiation running through the crystal emits a sharply focused beam and in which at least one of the reflective surfaces totally reflects the beam running in its interior and later emitted in a bundle, characterized in that part of the beam (/) running in the interior of the crystal (41) at one point the crystal surface, on which this beam strikes at an angle corresponding to a total reflection, exits the crystal through the tunnel effect, by the reflection point opposite at a very small, preferably adjustable distance (D), the size of which is at most about 5 to 10 times the well en length of the exiting radiation, a body (42) permeable to the exiting beam is arranged. 2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall an der Austrittsstelle des Strahls eine plangeschliffene Oberfläche (41') und der dieser Kristalloberfläche im Tunnelabstand gegenüber angeordnete, für den Strahl durchlässige Körper eine parallel zur Kristalloberfläche liegende plangeschliffene Oberfläche hat. 2. Optical transmitter or amplifier according to claim 1, characterized in that the crystal at the exit point of the beam a plane-ground surface (41 ') and that of this Crystal surface arranged opposite one another at a tunnel distance and permeable to the beam has a plane-ground surface lying parallel to the crystal surface. 3. Optischer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (41) einen Querschnitt in Form eines insbesondere geradzahligen, regelmäßigen Vielecks hat.3. Optical amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the crystal (41) has a cross section in the form of an especially even, regular polygon. 4. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des ausgesandten Strahls durch Änderung des Abstandes (D) regelbar ist.4. Optical amplifier according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the strength of the emitted beam can be regulated by changing the distance (D) . In Betracht gezogene Druckschriften:
Naturwissenschaftliche Rundschau, 1960, Nr. 9,
. 356 bis 360;
Soldat und Technik, 1961, Nr. 1, S. 31.Considered publications:
Naturwissenschaftliche Rundschau, 1960, No. 9,
. 356 to 360;
Soldier und Technik, 1961, No. 1, p. 31. In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1151601.Legacy Patents Considered:
German Patent No. 1151601. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings 509 539/171 4.65 © Bundesdruckerei Berlin509 539/171 4.65 © Bundesdruckerei Berlin
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