DE1195866B - Optischer Sender fuer kohaerentes monochroma-tisches Licht mit einem selektiv fluoreszenten Festkoerpermedium - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

J 25477 VIII c/21f
18. März 1964
1. Juli 1965

Die Erfindung betrifft einen kohärentes, monochromatisches Licht abstrahlenden optischen Sender, der aus einem selektiv fluoreszenten Festkörpermedium, insbesondere Rubin, besteht, welches in Achsrichtung zwischen zwei einen optischen Resonator bildenden Reflektoren angeordnet ist, von denen wenigstens der eine halbdurchlässig ist, wobei diesem halbdurchlässigen Spiegel auf der dem Festkörpermedium abgewandten Seite in axialem Abstand ein zusätzlicher und vorzugsweise teildurchlässiger Reflektor zugeordnet ist.

Mit Hilfe von optischen Sendern mit selektiv fluoreszentem gasförmigem Medium, die unter Mitwirkung von durch konkave Spiegel gebildeten Resonanzräumen betrieben werden, lassen sich Interf erenzbilder herstellen, denen nur ein einziger Wellentyp zugrunde liegt. Es zeigt sich, daß die hiermit erzeugten Lichtstrahlen absolut monochromatisch sind.

Die Erzeugung absolut monochromatischer Lichtstrahlen mit Hilfe von optischen Sendern mit selektiv ao fluoreszenten Festkörpermedien gestaltet sich demgegenüber ungleich schwieriger. So ist z. B. die Verteilung der Austrittsintensität der Lichtstrahlen an der entsprechenden Endfläche eines selektiv fluoreszenten Rubinfestkörpers im allgemeinen nicht gleichmäßig, sondern unregelmäßigen Schwankungen unterworfen, wobei sich die Austrittslichtstrahlen zusätzlich noch aus einer großen Anzahl von Anteilen jeweils verschiedener Frequenz zusammensetzen. Das sich so ergebende Frequenzband entspricht einer Bandenbreite von etwa 4 A, bei einer mittleren Wellenlänge von 6943 A.

Neben den obengenannten Schwierigkeiten hat sich aber gezeigt, daß sich bei selektiv fluoreszenten Festkörpermedien als optische Sender trotzdem in geringem Maße symmetrische Interferenzbilder ausbilden können, die aber dann im allgemeinen nicht ohne weiteres reproduzierbar sind. Durch Einbringen eines selektiv fluoreszenten Festkörpermediums in einen elliptischen Resonanzraum und Drehung seiner Hauptachsrichtung läßt sich hierin eine solche Lage des Festkörpermediums ermitteln, die reproduzierbare Hohlleiterwellentypen zu erhalten gestattet.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, relativ einfache, aber wirksame Maßnahmen bereitzustellen, um ganz bestimmte Wellentypen bei einem selektiv fluoreszenten Festkörpermedium als optischem Sender in reproduzierbarer Weise auswählen zu können, so daß sich absolut monochromatische Ausgangsstrahlen ergeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für einen optischen Sender der weiter obengenannten Art dadurch Optischer Sender für kohärentes monochromatisches Licht mit einem selektiv fluoreszenten
Festkörpermedium

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:

James William Crowe, Germantown,

Montgomery, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. März 1963 (268 063)

gelöst, daß zwischen dem halbdurchlässigen Reflektor und dem zusätzlichen Reflektor optische Mittel angeordnet sind, durch die die von dem halbdurchlässigen Reflektor auf die optischen Mittel projizierte Abbildung der Stirnfläche des Festkörpermediums über den zusätzlichen Reflektor umgekehrt in diese Stirnfläche zurückreflektiert wird.

Die Ausgangsstrahlen des Festkörpermediums resultieren an seiner Stirnfläche in einer bestimmten Verteilung der Wellentypen, da nach Umkehrung der Abbildung der Austrittsstellen die Ausgangsstrahlen mit Hilfe eines Fokussierungssystems auf diese Stirnfläche zurückreflektiert werden, so daß sich beide Verteilungen der Wellentypen, nämlich die direkte und die umgekehrte, überlagern und damit symmetrische Wellentypen zur Anregung bevorzugt werden.

Durch Anwendung eines solchen optischen Systems kann in vorteilhafter Weise ein bestimmter wählbarer Bereich der Stirnfläche des Festkörpermediums für die Anregung bevorzugter Ausgangsstrahlen herangezogen werden. Dies geschieht in zweckmäßiger Weise durch ein Mikroskop als optisches System, bei welchem alle Linsen mit einem teilweise reflektierenden Belag überzogen sind. Das Feld dieses Mikroskops wird dabei zur Steigerung der Wirksamkeit auf

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einen Bereich der Stirnfläche des Festkörpermediums weise reflektierend gemacht wird, oder im Bedarfsgerichtet, der entweder die Austrittsstelle der von fall, wenn der Spiegel 12 teilweise durchlässig geeinem aus einer Störstelle gebildeten Streuzentrum macht wird.

ausgehenden Strahlen oder deren Symmetriepunkte F i g. 2 zeigt eine verbesserte Anordnung mit grö-

enthalten kann. 5 ßerer Einstellgenauigkeit. Ein zylindrischer Rubin-

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird dem- kristall 40 wird symmetrisch von seinen Anregungs-

nach in vorteilhafter Weise die Aufgabe gelöst, ab- lichtquellen samt Spiegelanordnung 42 umgeben,

solut monochromatische Ausgangsstrahlen aus einem Diese Spiegelanordnung 42 hat einen quadratischen

selektiv fluoreszenten Festkörpermedium bei ent- Querschnitt, und in ihren vier Eckbereichen sind

sprechender Anregung mit Hilfe relativ einfacher io Blitzlichtlampen 44 angebracht, von denen zwei

Mittel in äußerst wirksamer Weise zu erhalten, wie es sichtbar sind. Eine Endfläche 46 des Rubins ist ver-

vorher bei Verwendung von selektiv fluoreszenten silbert, und die andere Endfläche 48 weist keinen

Festkörpermedien nicht erreicht werden konnte. Überzug auf. Bei dem Kristall kann es sich z. B. um

Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der einen Rubinstab mit 0,04% Cr³⁺ und mit den Ab-

Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen näher 15 messungen 4,5 · 102 mm handeln, der nach dem

erläutert. Es zeigt Flammenfusions- oder Verneuilverfahren gezüchtet

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin- ist und ein winziges Streuzentrum (z. B. 28 μΐη) 49 dung, bei dem die Abbildungsumkehr mit Hilfe einer nahe dem nicht versilberten Ende enthält. Ein solches Sammellinse im Zusammenwirken mit einer reflek- Streuzentrum stellt einen Fremdstoffeinschluß, instierenden Fläche geschieht, 20 besondere eine dielektrische Diskontinuität im Rubin-

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, das an stab dar und kann z. B. eine Gasblase sein. Ein sol-

Stelle einer Sammellinse ein Mikroskop enthält. ches Streuzentrum in einem Kristall kann viele WeI-

In dem in Fig. 1 gezeigten System ist ein selektiv lentypen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen, fluoreszentes Festkörpermedium 10, ζ. B. ein Rubin, wie es mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen theovorgesehen, der aus parallelen Ebenen gebildete 25 retisch von Mie nachgewiesen worden ist.
Resonatormittel nach dem Typ Fabry-Perot be- Die aus dem Rubin 40 austretenden Lichtstrahlen sitzt. Eine Ebene stellt eine total versilberte Fläche werden von einem Mikroskop 50 aufgefangen, das 12 dar, und die andere ist als teilweise reflektieren- eine Objektivlinse 52 von 30-57 mm und Okularlinder, ebener Spiegel 14 ausgebildet. Die Anregungs- sen 54,56 von 15· 37 mm bzw. 11· 37 mm besitzt. Die energie wird als Strahlung 16 in üblicher Weise von 30 Linsen besitzen einen reflektierenden Belag und weieiner Blitzlichtlampe mit Reflektor geliefert. Der sen ein Oberflächenreflexionsvermögen von 0,3 bei Spiegel 14 reflektiert vorzugsweise nicht mehr als 6943 A auf. Die Objektivlinse 52 ist unter diesen etwa 40% des vom optischen Sender abgestrahl- Umständen etwa 127 mm von der nicht versilberten ten Lichtes, so daß ein nicht unbeträchtlicher Anteil Fläche 48 des Rubins entfernt, und das verstellbare 18 der aus dem Rubin 10 kommenden Lichtstrahlen 35 Okular 58 ist auf eine 6- bis lOfache Vergrößerung 20 vom Spiegel 14 durchgelassen wird. Eine Sammel- eingestellt, um das Feld auf weniger als die Endfläche linse 22 und ein zweiter Spiegel 24 bilden eine Ein- des Rubins zu begrenzen. Außerdem ist das Mikrorichtung, durch die ein Anteil 26 der Lichtstrahlen 18 skop, wie durch die Pfeile 60, 62 angedeutet, seitlich wieder auf das selektiv fluoreszente Medium 10 zu- verschiebbar angeordnet.

rückgeführt wird, wobei die Lichtstrahlen infolge der 40 In einer Versuchsreihe, bei der das Mikroskop Linsenwirkung gegenüber den ursprünglichen Strah- direkt über dem Streuzentrum stand, ergaben sich Ien 20 einen anderen Weg zurücklegen. Andere mehrere verschiedene Wellentypen. Die Wellentypen Strahlen, wie z. B. 28, werden in gleicher Weise be- waren sehr stabil und gingen durch Querbewegung einflußt, so daß zwei einzelne Strahlen 20 und 28, die des Mikroskops von einer in eine andere über. Die von verschiedenen Stellen im selektiv fluoreszenten 45 Interferenzbilder schienen die Form von verschiede-Medium ausgehen, miteinander interferieren oder auf nen Hohlleiterwellentypen zu haben. Es wird hier Entstehungszentren der Lichtstrahlen einwirken vorausgesetzt, daß die beobachteten durch das Streukönnen. Zentrum erzeugten Wellentypen durch die Optik des

Liegt die reflektierende Fläche des Spiegels 24 im Mikroskops ausgewählt werden. Wenn ein beleuch-Brennpunkt 30 der Linse 22, dann können sich die 50 tetes Objekt vor das Mikroskop gehalten wird, dann austretenden und die reflektierten Strahlen 26 und 28 ergeben sich Reflexionen von zwei Flächen im Mikroim Resonanzraum gegenseitig beeinflussen, so daß skop. Infolge der Verspiegelung der Linsen und der eine Verstärkungswirkung eintritt. Jedenfalls haben Mikroskopwirkung ergibt die eine Reflexion eine sich experimentell bei der oben beschriebenen Be- direkte Abbildung, während die andere eine Umkehrtriebsweise des optischen Senders brauchbare Inter- 55 abbildung zur Folge hat. Beide Abbildungen sind ferenzbilder ergeben, so daß durch die Abbildungs- gleich groß und von nahezu gleicher Intensität. Durch umkehr infolge der Wirkung des optischen Systems diesen Reflexionsvorgang werden nur symmetrische (22, 24), etwa von der Stelle der unversilberten Wellentypen bevorzugt, da Wellentypen, die bei Umebenen Fläche 32 des Rubins 10 her gesehen, ein Bild kehrabbildungen in sich selbst übergehen, das größte entsteht, das dieselbe Größe besitzt wie das vom 60 Reflexionsvermögen haben.

Fabry-Perot Spiegel 14 direkt reflektierte und die- Wie ersichtlich, ist das Okular 58 so weit hinter die

sem überlagert ist. Diese Tatsache läßt daher den Objektivlinse 52 gestellt, daß eine aus dem Rubin 50

Schluß zu, daß eine genaue Parallelität zwischen den austretende ebene Welle nicht vollständig durch das

aus dem Rubin austretenden und rückkehrenden reflektierende Okular erfaßt werden kann. Auf diese

Strahlen 20, 26 nicht erforderlich ist, um ein brauch- 65 Weise wird der Bereich der Rubinendfläche für den

bares Resultat zu erhalten. Empfang des reflektierenden Lichtes eingeschränkt.

Das Ausgangslicht 34 kann dem optischen Sender Wird ein so eingeschränkter stimulierbarer Bereich

entnommen werden, indem der Spiegel 24 nur teil- auf ein einziges Streuzentrum eingestellt, dann wird

das Hintergrandrauschen unterdrückt, und die Wellentypen bilden sich deutlicher aus. Durch Betrieb nahe bei der Anregungsenergieschwelle wird die Empfindlichkeit ebenfalls verbessert. Wenn zwei oder mehr Streuzentren in einem solchen stimulierbaren Bereich enthalten sind, dann ergeben sich im allgemeinen keine symmetrischen Wellentypen. Ein Staubteilchen auf der Endfläche des Mediums und Staubteilchen, die in der Luft zwischen dem Medium und dem Reflektor schweben, haben erfahrungsgemäß ebenfalls schon Wellentypen erzeugt. Daß solche Wellentypen theoretisch möglich sind, ist bereits von Mi e im Jahre 1908 bewiesen worden. Ebene Lichtwellen, die im vorliegenden Fall vom hinteren Spiegel reflektiert werden, treffen demnach auf das als dielektrische Kugel gedachte Staubteilchen. Diese Wellen verursachen in der Kugel die Ausbildung von stehenden Wellen, die phasengleich mit dem einfallenden Licht sind. Die so entstehenden Wellentypen sind nicht die normalen Wellentypen der Kugel, da sie mit dem einfallenden Licht phasengleich sein müssen. Die Kugel strahlt dann die in ihr angeregten Wellentypen wieder aus, und das so erzeugte Licht interferiert mit dem einfallenden Licht, so daß ein entsprechendes Fernfeldinterferenzbild erzeugt wird.

Am Ausgang 64 der Vorrichtung nach Fig. 2 kann eine Kamera od. dgl. angebracht werden. In der Anordnung nach Fig. 1 läßt sich eine Bereichseinschränkung und -auswahl durch das Feld und die Einstellung des optischen Systems, ähnlich wie bei der Anordnung nach F i g. 2, erreichen.

Enthält ein wirksamer Rückkopplungspfad kein nennenswertes Streuzentrum, dann wird der Schwellwert für den Betrieb des optischen Senders oder Verstärkers beträchtlich heraufgesetzt. Aber in solchen Fällen ergeben sich doch relativ einfache Interferenzbilder eines Wellentyps mit entsprechenden Eigenschaften. Sie können mathematisch als Wellentypen niedriger Ordnung aufgefaßt werden.

Während durch die obenerwähnte seitliche Ver-Stellmöglichkeit das optische System in vorteilhafter Weise in der Lage ist, bestimmte Wellentypen aus einer großen Anzahl durch Einstellung auf ein Streuzentrum 49 auszuwählen, das mit entsprechend rotationssymmetrisch gelegenen Punkten zusammenwirkt, dürfte ein noch größerer Vorteil prinzipiell dadurch gegeben sein, daß die Bildung von Hohlleiterwellentypen einer Welle bevorzugt wird und damit entsprechend hoch monochromatisches Licht durch das Zusammenwirken von Strahlenbrechung und -reflexion zur Erhöhung der Resonanz erzeugt wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender für kohärentes monochromatisches Licht mit einem selektiv fluoreszenten Festkörpermedium, insbesondere aus Rubin, das in Achsrichtung zwischen zwei einen optischen Resonator bildenden Reflektoren angeordnet ist, von denen wenigstens der eine halbdurchlässig ist, wobei diesem halbdurchlässigen Spiegel auf der dem Festkörpermedium abgewandten Seite in axialem Abstand ein zusätzlicher und vorzugsweise teildurchlässiger Reflektor zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem halbdurchlässigen Reflektor (14, 14') und dem zusätzlichen Reflektor (24, 54) optische Mittel (22,52) angeordnet sind, durch die die von dem Reflektor (14) auf die optischen Mittel (22, 52) projizierte Abbildung der Stirnfläche des Festkörpermediums (10, 40) über den zusätzlichen Reflektor (24) umgekehrt in diese Stirnfläche zurückreflektiert wird.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbdurchlässige Reflektor ein ebener Spiegel (14) ist und die optischen Mittel eine in axialem Abstand von diesem Spiegel angeordnete Umkehrlinse (22) umfassen.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbdurchlässige Reflektor von dem halbreflektierenden Überzug (14') einer Linse (52) gebildet wird, die zugleich das optische Mittel zum Umkehren der Abbildung über den zusätzlichen Reflektor (54) ist.

4. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche des zusätzlichen Reflektors (24, 54) auf einen bestimmten Bereich der Stirnfläche des selektiv fluoreszenten Mediums (10, 40) begrenzt ist.

5. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das selektiv fluoreszente Medium in dem durch den zusätzlichen Reflektor (24, 54) erfaßten Bereich der Stirnfläche des Mediums ein Streuzentrum (49) aufweist.

6. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (52) und der zusätzliche Reflektor (54) senkrecht zur geometrisch-optischen Achse verschiebbar sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1306 777.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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