DE1199402B - Optischer Sender oder Verstaerker mit stimulierter Strahlung in einem Helium-Neon-Medium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIs

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1199402

Aktenzeichen: W 37592 VIII c/21 f

Anmeldetag; 22. September 1964

Auslegetag: 26. August 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker mit stimulierter Strahlung in einem Helium-Neon-Medium bei Umkehr der Besetzungsverteilung innerhalb eines optischen Resonators.

Die Strahlung optischer Sender oder Verstärker kann im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.

Es ist nunmehr allgemein bekannt, daß eine Verstärkung elektromagnetischer Wellenenergie durch stimulierte Strahlung eines angeregten Mediums erhalten werden kann, in dem innerhalb eines charakteristischen Energiestufensystems eine Umkehr der Besetzungsverteilung erzeugt worden ist. Solche stimuliert emittierende Medien, die im übrigen in jedem Aggregatzustand vorliegen können, werden auch als selektiv fluoreszente Medien bezeichnet.

Vorrichtungen der in Rede stehenden Art werden in der englischsprachigen Literatur als Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) oder als optischer Maser bezeichnet.

Die Anwendungsgebiete, auf denen optische Sender oder Verstärker eingesetzt werden, insbesondere die Übertragungstechnik, erfordern häufig kontinuierlich arbeitende Vorrichtungen, die sich durch einen niedrigen zugeordneten Rauschspannungspegel und durch einen hohen Monochromasiegrad auszeichnen. Infolge der komplexeren kristallinen Struktur fester Medien ist das niedrigere Rauschverhalten bisher im allgemeinen bei gasförmigen Medien erhalten worden. Jedoch sind Ausgangsleistung und Wirkungsgrad üblicher Sender oder Verstärker mit gasförmigem Medium kleiner gewesen, als dies bei langen Übertragungsstrecken oder bei Hochleistungsverstärkefn im allgemeinen wünschenswert ist.

Außerdem sind wegen des niedrigen Leistungsgewinnes pro Längeneinheit der Entladung die bekannten, ein gasförmiges Medium verwendenden optischen Sender oder Verstärker lang und sperrig ausgebildet, sie neigen auch dazu — wegen des großen Abstandes der Spiegel, die den optischen Resonator begrenzen —, in vielen diskreten Frequenzen gleichzeitig zu schwingen. Damit ein Betrieb bei nur einer Frequenz ermöglicht wird, muß im Wege einer Reduzierung der Länge des optischen Resonators die Länge des das Medium enthaltenden Rohres auf einige wenige Zentimeter reduziert werden. Eine Reduzierung der Länge des Rohres verringert aber die erhältliche Nettoverstärkung pro Durchgang, so daß es bei bekannten Anordnungen schwierig ist, stimulierte Strahlung mit brauchbarer Leistung zu erzeugen.

Optischer Sender oder Verstärker mit stimulierter Strahlung in einem Helium-Neon-Medium

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Alan David White,

Berkeley Heights, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. September 1963
(312492)

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sender oder Verstärker zu schaffen, bei dem die Rohrlänge auf einige wenige Zentimeter reduziert ist, der aber gleichwohl eine erhöhte Ausgangsleistung aufweist.

Bei optischen Sendern oder Verstärkern, die als selektiv fluoreszentes Medium ein gasförmiges Medium besitzen, wird das eigentliche selektiv fluoreszente oder kurz stimulierbare Gas mit einem Hilfsgas gemischt, das einen auf das obere Laserniveau des stimulierbaren Gases angepaßten metastabilen Energiezustand aufweist. Das Hilfsgas wird zunächst auf seinen metastabilen Zustand mit Hilfe von Elektronenstößen angeregt, wonach diese Anregung auf das stimulierbare Gas durch die bei unelastischen Atom-Atom-Stößen auftretende Resonanzwechselwirkung übertragen wird. Daher wird die für die stimulierte Emission gewünschte Anregung des Gases verstärkt. Bei einer Variation dieses Verfahrens dient das Hilfsgas dazu, einen metastabilen Zustand des stimulierbaren Gases zu besetzen, das einen großen Querschnitt für eine auf einem gewünschten oberen Zustand stattfindende Anregung besitzt. Obgleich dieses Verfahren auf alle Gaskombinationen anwendbar ist, die die besonderen Energiezustandskriterien erfüllen, ist die im einzelnen erfolgende Auswahl brauchbarer Gase durch die enge Koinzidenz begrenzt, die für die Energiezustände erforderlich ist, zwischen denen der Anregungsübergang auftritt.

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Grundlage der Erfindung ist die Entdeckung, daß die Umkehr der Besetzungsverteilung in einem Gassender, in dem eine Mischung eines stimulierbaren Gases mit Helium verwendet wird, beachtlich erhöht werden kann, wenn an Stelle des üblichen ⁴He-Isotops das leichtere ³He-Isotop verwendet wird. Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß das Helium des Gasgemisches zum überwiegenden Teil als Heliumisotop ⁸He vorliegt. Gemäß einer Theorie der Wirkungsweise der Erfindung werden Ausgangsleistung und Verstärkung pro Längeneinheit durch die Isotopensubstitution erhöht, und zwar als Folge einer Zunahme derjenigen Geschwindigkeit, mit der metastabil angeregte Atome des leichteren ³He-Hilfsgases durch Zusammenstöße mit den hierdurch anzuregenden Atomen des stimulierbaren Gases wieder in den Grundzustand übergeführt werden, im Vergleich zu derjenigen Geschwindigkeit, mit der metastabil angeregte Atome desselben Hilfsgases durch Zusammenstöße mit Elektronen wieder in den Grundzustand übergeführt werden. Mit der so verfügbaren erhöhten Leistung und Verstärkung kann die Größe des optischen Senders beachtlich reduziert werden, wodurch ein im wesentlichen bei einer einzigen Frequenz erfolgender Betrieb ermöglicht wird.

Ein Weg, auf dem der Wirkungsgrad der Wechselwirkung zwischen der zu verstärkenden Welle und dem stimuliert emittierenden Medium erhöht wird, liegt darin, die Welle in einem Resonator entsprechender Abmessungen, in dem das Medium enthalten ist, in Resonanz zu bringen. Zahlreiche Resonatorformen sind bei optischen Sendern erfolgreich verwendet worden. Hierzu gehören beispielsweise parallel zueinander ausgerichtete ebene reflektierende Oberflächen, die einen genau bestimmten Abstand voneinander aufweisen, ferner konkave, sphärische reflektierende Oberflächen, die gleichfalls in genau bemessenem Abstand einander gegenüberstehend angeordnet sind. Die praktische Realisierung der stimulierten Strahlung hängt von dem Umstand ab, daß die Energieverluste, die während einer im Resonator stattfindenden Mehrfach-Lichtreflexion eingeführt werden, auf einem kleineren Wert gehalten werden können als derjenige des durch das Medium den reflektierenden Lichtwellen mitgeteilten Energiegewinnes.

Im allgemeinen können die durch die Durchquerung der Grenzflächen des Mediums eingeführten Energieverluste auf einem annehmbaren Minimum gehalten werden, wenn jede Grenzfläche unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet wird; der Brewstersche Winkel ist als der Winkel definiert, dessen Tangens gleich dem Verhältnis vom Brechungsindex des Mediums, in das eine Welle einfällt, zum Brechungsindex des Mediums, in das die Welle austritt, ist. Da sich der Brewstersche Winkel mit der Wellenlänge nur sehr langsam ändert, ist eine Reflexion selbst für Oberflächen sehr klein, deren Orientierung vom Brewsterschen Winkel um einige Grade abweicht.

Hat einmal eine Schwingung im optischen Sender begonnen, so ist das obere Energieniveau ausreichend entleert, so daß eine Stimulierung bei den übrigen, schwächeren Übergängen entweder extrem schwierig oder unmöglich wird, wenn nur einfache Resonatoranordnungen verwendet werden. Es ist schon vorgeschlagen worden, daß ein derartiger Zustand, der in der Technik als Dominanz bekannt ist, durch Einführen eines frequenzabhängigen Bauteiles in den optischen Resonator des optischen Senders eliminiert werden kann. Hierdurch wird es möglich, den Resonator auf die Frequenz des schwächeren Überganges selektiv abzustimmen, wobei gleichzeitig der Resonator hinsichtlich der Wellenlänge des dominanten Überganges verstimmt wird.

Ein bisher verwendetes frequenzselektives Bauteil ist aus einem oder mehreren f arbzerlegenden Prismen

ίο aufgebaut, die innerhalb des optischen Resonators zwischen dem stimuliert emittierenden Medium und den äußeren Reflektoren eingesetzt worden sind. Eine derartige Anordnung zeigt beachtlich erhöhte Resonatorverluste, und zwar wegen der Einführung zweier zusätzlicher dielektrischer Grenzflächen pro Prisma. Obgleich der Resonator hinsichtlich des dominanten Überganges verstimmt werden könnte, machen derartig erhöhte Verluste es äußerst schwierig, Schwingungen der schwächeren Übergänge anzuregen.

Gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß die Bedingungen für eine bei den gewünschten schwächeren Übergängen eines optischen Senders auftretende Schwingung durch Verwenden eines an mindestens einem Resonatorende vorgesehenen reflektierenden farbzerlegenden Bauteiles selektiv erhalten werden können.

Es wurde ferner gefunden, daß ein sphärischer optischer Resonator mit einer Resonatorbegrenzung, die eine unter dem Brewsterschen Winkel angeordnete brechende Oberfläche und eine sphärische reflektierende Oberfläche aufweist, bei einem relativ schwachen Übergang selektiv schwingen kann. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß der Ausdruck »sphärischer Resonator« jeden optischen Resonator umfassen soll, bei dem mindestens eine Spiegelfläche eine sphärische reflektierende Oberfläche aufweist. Verschiedene bekannte Sonderfälle sphärischer Resonatoren sind die hemisphärischen oder halbsphärischen Resonatoren, bei denen ein sphärischer Reflektor einem ebenen Reflektor in einer Entfernung gegenübersteht, die gleich dem Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche ist, ferner gibt es die konfokalen Resonatorformen, bei denen ein Paar gleicher sphärischer Reflektoren in einem Abstand gegenüberstehend angeordnet sind, der gleich ihrer beider Brennweite ist.

Es wurde ferner gefunden, daß der durch eine sphärische reflektierende Resonatoroberfläche eingeführte Strahl-Astigmatismus durch eine zylindrische Ausbildung der brechenden Oberfläche an der Spiegelfläche kompensiert werden kann. Ein derartiger Astigmatismus kann, wenn er nicht auskorrigiert wird, die Senderschwingung ernsthaft beeinträchtigen.

Gemäß der Erfindung wird als Resonatorspiegel eines optischen Senders ein reflektierendes Prisma verwendet, das die Funktion eines festzulegenden Bauteiles mit der eines Reflektors in einem einzigen optischen Bauteil kombiniert. Hierzu können ein ebenes reflektierendes Prisma zusammen mit einem sphärischen Spiegel als die gegenüberliegenden Resonatorbegrenzungen verwendet werden, so daß ein optischer Resonator gebildet wird, innerhalb dessen das stimuliert emittierende Medium untergebracht ist. Alternativ hierzu kann das reflektierende Prisma eine sphärische reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei die brechende, unter dem Brewsterschen Win-

kel angeordnete Oberfläche des Prismas so ausgebildet ist, daß sie eine konkave zylindrische Krümmung aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das stimuliert emittierende Medium aus einer Mischung von Ne und ³He.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines optischen Senders, in dem ein ebenes reflektierendes Prisma und eine Ne-³He-Gasmischung gemäß der Erfindung verwendet werden, und

Fig. 2A und 2B verschiedene Ansichten eines sphärischen reflektierenden Prismas, wie dieses in der Anordnung nach Fig. 1 Verwendung finden kann.

In der Zeichnung ist ein optischer Sender mit gasförmigem Medium 10 dargestellt, dessen stimuliert emittierendes Medium 11 inerhalb eines als Resonator dienenden Interferometerraumes untergebracht ist. Der Resonator wird durch reflektierende Spiegel 12 und 13 begrenzt. Das Medium 11 ist durch eine Gasmischung, z. B. durch eine Mischung von Helium und Neon, gebildet, die ein für das Auftreten einer stimulierten Strahlung geeignetes Energiezustandssystem besitzt. Das Medium 11 ist in einem rohrförmigen Glaskolben oder in einem aus einem anderen dielektrischen Material hergestellten Kolben 24 mit einer Mittelachse 14 untergebracht.

Bisher war es üblich, eine Mischung von Neon und handelsüblichem Helium, das in der Hauptsache das Isotop ⁴He enthält, zu verwenden. Das hierbei zumeist verwendete Mischungsverhältnis ist so eingestellt worden, daß sich die Partialdrücke von Helium und Neon wie 5:1 verhalten haben. Es können aber auch andere Mischungsverhältnisse in optischen Sendern verwendet werden. Es wurde gefunden, daß die effektive Umkehr der Besetzungsverteilung in einem Helium-Neon-Sender um ein Viertel oder mehr erhöht werden kann, wenn das normale Heliumisotop ⁴He durch das leichtere Isotop ³He in der Gasfüllung ersetzt wird. Eine derartige Substitution resultiert in einer Zunahme der zugeordneten Elektronentemperatur der Gasmischung und in einer Zunahme der Geschwindigkeit, mit der metastabil angeregte Heliumatome durch Zusammenstöße mit Neonatomen — unter gleichzeitiger Anregung der letzteren auf das gewünschte obere Energieniveau — in den Grundzustand übergeführt werden, im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der metastabil angeregte Heliumatome durch Elektronenstöße in den Grundzustand übergeführt werden.

Die Heliumkonzentration kann beispielsweise einem Partialdruck von 0,7 Torr entsprechen und die Neonkonzentration einem Partialdruck von 0,1 Torr. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß der Partialdruck des Heliums den des Neons übersteigt, obgleich auch eine Stimulierung bei Helium-Neon-Verhältnissen auftreten kann, die von dem obigen Verhältnis 7:1 beträchtlich abweichen. Beispielsweise ist ein Betrieb des erfindungsgemäßen optischen Senders über einen breiten Partialdruckbereich möglich, und zwar von 3:1 bis 50:I₅ obgleich die Intensität der stimulierten Emission in diesem Bereich nicht konstant ist.

C. K. N. Patel hat die Abhängigkeit der Ausgangsleistung eines ⁴He-Ne-Senders vom Gasdruck gemessen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Journal of Applied Physics, November 1962, Bd. 33,

S. 3194, veröffentlicht. Das gleiche relative Verhalten, jedoch aber bei einer größeren Verstärkung pro Längeneinheit, zeigt ein ähnlicher ³He-Ne-Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung. Der Betrag, um den die Verstärkung und der Leistungsausgang bei Verwendung von ³He an Stelle von ⁴He zunehmen, ist proportional zu dem durch ³He substituierten ⁴He-Anteil. So beträgt in einer Gasmischung, die Neon und Helium, und zwar 50% ³He und 50 ⁰Zo

ίο ⁴He, enthält, die Verbesserung der Verstärkung und der Ausgangsleistung etwa die Hälfte derjenigen Verbesserung, die mit 100% ³He erhalten werden kann. Im allgemeinen ist es jedoch nur notwendig, daß ein nennenswerter ³He-Anteil in der Gasmischung vorhanden ist, um eine Verbesserung der Verstärkung und des Leistungsausganges gemäß der Erfindung zu erhalten. Üblicherweise sollte der ³He-Anteil den ⁴He-Anteil überschreiten. In der bevorzugten Ausführungsform würde die Gasmischung Neon und

ao im wesentlichen 100%iges ³He enthalten.

Für Helium ist es kennzeichnend, daß sein Energiezustandssystem eine große Anzahl diskreter Zustände aufweist. Hierbei ist der 2 ^-Zustand (geschrieben in der LS-Bezeichnung) metastabil. Der Ausdruck »metastabil« wird allgemein dahingehend verstanden, daß die Zeit, die ein auf den 2 ^-Zustand angeregtes Atom zur Rückkehr in den Grundzustand E₀ benötigt, vergleichsweise groß ist oder, mit anderen Worten, daß die Übergangswahrscheinlichkeit vom 2 ^J5-Zustand auf den Grundzustand klein ist. Andererseits ist die Entleerungsgeschwindigkeit von den höheren Zuständen E₂, E₃ auf den 2 ^-Zustand groß, so daß auf solche höhere Zustände angeregte Atome dazu neigen, in den 2 ^-Zustand entweder durch einen direkten Übergang als Folge von Zusammenstößen zurückzukehren oder in Kaskadenform als Ergebnis aufeinanderfolgender Übergänge. Der resultierende Effekt ist eine Anhäufung im 2 ^-Zustand angeregter Atome. Der hauptsächliche Gegeneffekt ist die Entleerung dieses Atomzustandes auf den Grundzustand als Folge von Zusammenstößen der Atome mit der Kolbenwand. Es ist jedoch durch die Zufuhr genügender Hochfrequenz- oder anderer Energie zum Helium möglich, genügend energiereiche, für Zusammenstöße mit Heliumatomen vorgesehene freie Elektronen mit dem Ziel zu erzeugen, die Besetzungsdichte des 2 !S-Zustandes der Heliumatome auf einen relativ hohen Wert zu erhöhen.

Wie vorstehend erwähnt, enthält der Kolben 24 auch Neon. Neon weist vier Energiezustände auf — es sind dies die Zustände 3 s₂, 3 S₃, 3 J₄ und 3 S₅ (Paschen-Notierung) —, deren Abstände vom Grundzustand E₀ im wesentlichen dem Abstand zwischen den Heliumzuständen E₀ und 2¹S entsprechen. Ferner besitzt Neon zehn Energiezustände, 2 P₁ ... 2 p₁₀, die zwischen dem Zustand E₀ und den 3 s-Zuständen liegen und deren Energiedifferenzen zu diesen höheren Zuständen Wellenlängen entsprechen, die im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen.

Für ein System der beschriebenen Art ist es charakteristisch, daß der Zustand 3 S₂ des stimulierbaren Gases nahezu im thermischen Gleichgewicht mit dem Zustand 2 ¹S des Hilfsgases steht, da jeder Zustand im wesentlichen der gleichen Energie entspricht. Daher wird ein großer Einfangquerschnitt für nichtelastische Zusammenstöße existieren, der einen Energieaustausch zwischen dem 2 ^-Zustand von Helium

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und dem 3 5₂-Zustand von Neon zur Folge hat. Dieser liehen Heliumatomen und im Grundzustand befind-Energieaustausch hat eine Besetzung des 3 S₂-Zu- liehen Neonatomen Zusammenstöße auftreten, als Standes von Neon, insbesondere bis zu dem Wert deren Folge die letzteren auf den 3 ,^-Zustand, von zur Folge, bei dem dieser Besetzungsanteil, bezogen dem aus eine Emission bei der gewünschten Frequenz auf die gesamte Besetzung der Neonzustände, im 5 stimuliert werden kann, angeregt werden; die Wahrwesentlichen mit dem Anteil der Besetzung des scheinlichkeit aber, mit der Zusammenstöße zwischen 2 ^xS-Zustandes von Helium, bezogen auf die gesamte im 2 ^-Zustand befindlichen Heliumatomen und Besetzung der Heliumzustände, übereinstimmt. We- energiereichen Elektronen der Entladung stattfinden gen der adiabatischen Natur der Zusammenstöße (wodurch die Heliumatome dazu veranlaßt werden, werden diejenigen Zustände der Neonatome, z.B. io in den Grundzustand wieder zurückzukehren, ohne der 2p₄-Zustand, die hinsichtlich der Energie sich daß hierbei ein Energieübergang auf das als das von der des metastabilen Heliumzustandes beträcht- stimulierbare Gas dienende Neon stattfindet), wird lieh unterscheiden, nicht direkt beeinflußt. Als Folge reduziert oder zumindest nur um ein kleineres Aushiervon kann eine Umkehr der Besetzungsverteilung maß erhöht.

(ein Zustand sogenannter »negativer« Temperatur), 15 Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Aus-

zwischen den 3 s- und 2 p-Zuständen erzeugt werden, führungsform nach Fig. 1. Der erhöhte Leistungs-

Die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Zu- ausgang oder Verstärkungsgewinn, der durch die

ständen hat eine bei etwa 15 800 liegende Wellen- ^sHe-Substitution erhalten wird, gestattet, daß die

zahl, was einer Wellenlänge von 6328 A entspricht. Länge des Resonators zwischen den Endreflektoren

Bei optischen Sendern ist es bekannt, daß, wenn 20 12,13 und daher die Länge des Kolbens 24 verkürzt eine Besetzungsumkehr zwischen einem Energiezu- werden kann, und zwar ausgehend von der bisher stand innerhalb eines Mediums erzeugt worden ist, üblichen Länge von einem Meter um den Faktor 18, eine hiervon ausgehende Emission bei einer Wellen- ohne daß hierbei die Voraussetzung für eine Schwinlänge stimuliert werden kann, die dem zwischen den gung verlorenginge. Zugleich ist die radiale Abmesinvertiert besetzten Zuständen vorhandenen Energie- 25 sung des Kolbens 24, die bei bekannten Kolben abstand entspricht. Eine stimulierte Emission tritt üblicherweise 6 mm beträgt, um den Faktor 6 reduauf, wenn eine Strahlung der gleichen Frequenz ziert worden. Die resultierende Anordnung, in der (Signalfrequenz) in das Medium einfällt und in den der Kolben 24 üblicherweise eine Länge von etwa angeregten Partikeln den Übergang aus dem oberen 5 cm und einen Durchmesser von etwa 1 mm besitzt, in den unteren Energiezustand auslöst (stimuliert). 30 kann daher leicht praktischen Zwecken angepaßt Der emittierte Strahl ist kohärent und befindet sich werden und kann sowohl im Laboratorium als Unterin Phase mit dem stimulierenden Signal. Bei der Ab- suchungsgerät als auch im Handel als eine kompakte Wesenheit eines von außen zugeführten Signals kann Quelle kohärenter Strahlungsenergie für optische, eine Emission durch Photonen stimuliert werden, die meteorologische und Übertragungszwecke verwendet spontan an einigen der angeregten Partikeln ausge- 35 werden.

löst werden, wenn letztere in den tieferen Energie- Zusätzlich zu und als Ergebnis der reduzierten zustand zurückkehren. In jedem Falle addiert sich Abmessungen werden weniger diskrete Schwingungsdie stimulierte Emission zur stimulierenden Welle, frequenzen vom kleineren Vielfacheigenwert-Resoso daß das Signal eine Vergrößerung oder Verstär- nator emittiert. So wurde eine Schwingung bei einer kung während seines Durchlaufes durch das Medium 40 einzigen diskreten Frequenz, die innerhalb eines erfährt. Der Verstärkungsbetrag hängt von der Länge 1500 Megahertz breiten Bandes bei einer Mittelfredes im Medium verlaufenden Strahlenweges exponen- quenz von 4,73 · 10¹⁴ Hertz abstimmbar ist, durch tiell ab und ist umgekehrt proportional zum Durch- leichtes Ändern der zwischen den Spiegeln vorhanmesser des Mediums. Die langgestreckte Form eines denen optischen Weglänge erhalten. Die gesamte optischen Senders gemäß der Erfindung sucht daher 45 mechanische Bewegung, die zur Überstreichung des eine bevorzugte Richtung, die Axialrichtung, so ein- gesamten Frequenzbereiches notwendig war, ist hierzurichten, daß Photonen, die spontan in dieser Rieh- bei kleiner als 3 · 10~⁴ mm. So können durch Vertung emittiert werden, einer wesentlich größeren binden eines Resonatorspiegels mit einer Justiervor-Verstärkung als Photonen unterliegen, die in außer- richtung und durch Überwachen der Frequenz des axialen Richtungen emittiert werden. Daher ist die 50 Senderausganges kleinste Lageunterschiede festaus einem Ende des Kolbens 24 emittierte Energie gestellt werden. Andere Abstimmverfahren, einim wesentlichen monochromatisch und kohärent. Es schließlich beispielsweise des elektronisch erfolgensei bemerkt, daß die Vorrichtung entweder als eine den Änderns der optischen Weglänge, sind gleich-Quelle derartiger Energie oder als ein Verstärker falls möglich.

von außen zugeführter Signale verwendet werden 55 Wegen der vergleichsweise kleinen erforderlichen

kann. Heliumgasmenge ist die Zunahme der Materialkosten

Gemäß einer Theorie, durch die die verfügbare im Vergleich zur erreichbaren wesentlichen Leistungs-Ausgangsleistung auf die erfindungsgemäße Weise zunähme unwesentlich. Sie liegt bei einigen wenigen erhöht wird, verursacht das in der Gasmischung vor- Cents. Die durch die ^sHe-Substitution ermöglichte handene ³He-Isotop einen Zustand höherer Elek- 60 Reduzierung der geometrischen Abmessungen kann tronentemperatur als dieser im Vergleich bei zu- im Effekt die Gesamtmaterialkosten unter diejenigen nehmenden Entladungsspannungsgradienten erhalten der bekannten optischen Sender senken. Geeigneterwird. Wegen der vorhandenen höheren Elektronen- weise wird nach F i g. 1 die von einer Quelle 15 hertemperatur ist die Geschwindigkeit, mit der die rührende Anregungsenergie der Gasmischung mit Heliumatome in den 2 *S-Zustand angeregt werden, 65 Hilfe von Elektroden 16 zugeführt, wodurch eine größer, hierdurch nimmt die Besetzung des 2¹S-Zu- elektrische Entladung im Medium 11 erzeugt wird. Standes zu. Zusätzlich wird die Wahrscheinlichkeit Die von der anfänglichen Entladung herrührende größer, mit der zwischen im 2 ^-Zustand befind- Energie regt die Heliumatome auf einen oberen

Energiezustand an. Diese Anregungsenergie wird auf mit diesen Atomen kollodierende Neonatome übertragen, wodurch letztere in einen höheren Energiezustand übergehen. Zusätzliche, unmittelbare Zusammenstöße zwischen Neonatomen und energiereichen Elektronen führen gleichfalls zur Anregung einiger Neonatome auf den höheren Zustand. Diese Neonatome können dann durch Strahlung der entsprechenden Wellenlänge stimuliert werden, fortlaufend und kohärent zu emittieren, wobei der resultierende Strahl, der durch den Strahl 16 in der Figur dargestellt ist, längs der Achse 14 zwischen den Spiegeln 12 und 13 hin und zurück reflektiert wird mit der Folge, daß seine Intensität nach jedem Durchgang durch das Medium 11 erhöht wird. Jeder zwischen den äußeren Reflektoren erfolgende Durchlauf des Energiestrahles 16 schließt eine Durchquerung der Austrittsfenster 17, 18 der Umhüllung 24 ein. Diese Austrittsfenster können ebene Scheiben aus homogenen optischen Gläsern hoher Qualität oder aus erschmolzenem Quarz, z. B. aus der unter dem Handelsnamen »Corning No. 7940« bekannten Quarzsorte sein. Die Austrittsfenster sind gegenüber der Achse 14 und gegenüber dem Strahl 16 unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet. Für bestimmte Anwendungsfälle können die Fenster 17, 18 plankonvexe oder bikonvexe Linsen aufweisen. Die Fenster 17 und 18 sind an den das Medium 11 enthaltenden Kolben angeschmolzen.

Der Begrenzungsspiegel 12 besteht aus einem sphärischen Reflektor, der eine dielektrische oder metallische Grundlage besitzen kann, auf der eine metallische, reflektierende Oberfläche oder eine dielektrische Mehrfachbeschichtung aufgebracht ist. Zum Betrieb als hemisphärischer Resonator ist die Brennweite des Spiegels 12 gleich dem Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen der Reflektoren 12 und 13.

In Weiterbildung der Erfindung besteht der Begrenzungsspiegel 13 aus einem dielektrischen Prisma, das eine den Strahl brechende Oberfläche 19 aufweist, die unter dem Brewsterschen Winkel hinsichtlich des einfallenden Energiestrahles 16 angeordnet ist, sowie eine den Strahl reflektierende Oberfläche 20, die senkrecht zum Strahl 16' orientiert ist, der dem Strahl 16 nach der Brechung desselben entspricht. Das Prisma 13 kann aus erschmolzenem Quarz oder aus optischen Qualitätsgläsern bestehen und hat eine übliche 13-, 15- oder 171agige reflektierende Beschichtung 21, die auf der reflektierenden Oberfläche 20 aufgebracht ist. Vorzugsweise kann die Beschichtung 21 alternierende Lagen aus Magnesiumfluorid und Zinksulfid aufweisen, die je etwa eine viertel Wellenlänge bei der gewünschten Betriebsfrequenz dick sind.

Das Prisma 13 hat eine farbzerlegende Wirkung, die einen einfallenden, kollimierten Strahl, der mehrere Frequenzkomponenten enthält, dazu bringt, nach dem Eintritt in das Prisma zu divergieren oder sich aufzuspalten. Es werden daher die Strahlanteile kürzerer Wellenlänge 22 um einen größeren Winkel gebrochen, als es für den Anteil der gewünschten Wellenlänge 16' gewünscht ist, während Strahlanteile größerer Wellenlänge 23 um einen kleineren Winkel als der Anteil 16' gebrochen werden (F i g. 1). An der Fläche 21 werden die Strahlanteile 22, 23 reflektiert und laufen daher aus der Achse des Mediums und des Hohlraumes unter einem Winkel heraus, der gleich ihrem zugeordneten Einfallswinkel auf die Fläche 21 ist. Alle Strahlanteile, die nicht mehr parallel zur Strahlachse 16 sind, werden entweder unmittelbar oder nach einigen wenigen Reflexionen aus dem optischen Resonator austreten. Durch Drehen des Prismas 30 um eine zur Zeichnungsebene senkrechten Achse kann der optische Resonator auf irgendeinen der strahlenden Übergänge abgestimmt werden, und zwar bei einer gleichzeitig auftretenden Verstimmung hinsichtlich benachbarter unerwünschter Übergangsfrequenzen. Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung kombiniert daher die Funktionen eines farbzerlegenden Abstimmgliedes und eines Reflektors in einem einzigen Bauteil. Eine derartige Anordnung besitzt mehrere wichtige Vorteile gegenüber den mehrgliedrigen bekannten Aufbauten. Hierzu gehören ein dauernder Schutz der anfänglichen kritischen Schichten der dielektrischen reflektierenden Beschichtung, niedrigere Resonatorverluste, die ihre Ursache in der Ausschaltung mindestens zweier Grenzflächen Dielektrikum — Luft haben, und die leichte Zugänglichkeit der reflektierenden Oberfläche für das Auskoppeln äußerer Energie für die Auswahl, der Eigenschwingung und für Impedanzabstimmzwecke. Ferner wird der Strahlanteil 16' in sich selbst reflektiert, da er auf die Fläche 21 senkrecht auffällt, so daß die Stimulierung aufrechterhalten wird, ohne daß hierbei eine störende achsparallele Strahlverschiebung auftritt, die bei der Erzeugung einer inneren Totalreflexion dienenden Anordnungen auftritt.

Die Beschreibung der F i g. 1 erfolgte im Zusammenhang mit einem Resonator, bei dem ein sphärischer Spiegel und ein ebener Reflektor den Resonatorabschluß bilden. In vielen Fällen ist es wünschenswert, daß der Resonator konfokal ist, d. h., daß beide Reflektoren sphärisch sind, wobei ihre Krümmungsradien gleich dem Abstand der beiden Reflektoren sind. Der Vorteil des konfokalen oder nahezu konfokalen Zustandes liegt in der direkten Proportionalität begründet, die zwischen der Verstärkungswirkung des stimuliert emittierenden Mediums und der Länge desselben vorhanden ist, sowie in der zwischen der Verstärkungswirkung des Mediums und dem Durchmesser desselben vorhandenen umgekehrten Proportionalität. Hieraus folgt, daß lange, dünne Verstärkerrohre den größten Wirkungsgrad besitzen. Der gewünschte Strahl ist ein dünnes Strahlenbüschel, eine Forderung, die am besten in einem konfokalen Resonator erhalten werden kann. Demgemäß kann in Weiterbildung der Erfindung die reflektierende Oberfläche 20 des Prismas 13 der F i g. 1 sphärisch gemacht werden, und zwar unter Verwendung des entsprechenden Krümmungsradius, ohne daß hierdurch die frequenzauswählende Natur des reflektierenden Prismas zerstört würde. Jedoch ist eine derartige Kombination eines Prismas mit einer sphärischen reflektierenden Oberfläche astigmatisch und ist daher Ursache für einen stimulierten Strahl, der in jeder der beiden Hauptebenen verschiedene Krümmungen der Wellenfront aufweist. Für die meisten Zwecke ist ein derartiger Strahl unerwünscht, da der Gütefaktor oder Q-Faktor für Eigenschwingungen niedriger Ordnung des optischen Resonators bei einem derartigen Strahl reduziert wird, so daß Schwingungen in schwachen Übergängen sehr schwierig aufrechtzuerhalten sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist daher der Strahlastigmatismus eines sphärischen

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reflektierenden Prismas eliminiert durch Ausbilden Im vorliegenden Falle ist β der Brewstersche Ein-

der brechenden Oberfläche desselben als konkav fallswinkel und die Gleichung (s) reduziert sich daher zylindrische Fläche. auf

In der Fig. 2A ist eine Ansicht in lotrechtem $

Schnitt meridional eines astigmatisch kompensierten, 5 Rmer — ^^J ■ (^

sphärischen, dielektrischen reflektierenden Prismas

30 dargestellt, während in der Fig. 2B eine Ansicht Sie ist die Bedingung für eine anastigmatische Ab-

des Prismas 30 in waagerechtem Schnitt (sagittal) bildung durch das Prisma 30 mit einem optischen dargestellt ist Zur Definition sei angeführt daß die _{Krümmungsradius v =} A. _Es ist daher ersichtlich, lotrechte Schnittebene die Zeichnungsebene der io ⁶ η

Fig. 1 ist und daß die waagerechte Schnittebene daß der Astigmatismus eines unkorrigierten sphäeine zur lotrechten Ebene senkrechte Ebene ist, in rischen reflektierenden Prismas, das als der eine Reder die Normale, d. h. der Strahlteil 16', der sphä- flektor in einem konfokalen optischen Resonator risch gekrümmten Oberfläche liegt. Die Achse des verwendet wird, elimiert werden kann, wenn die Eingangsstrahles ist zu U_mer kollinear — dem 15 brechende Oberfläche des Prismas entsprechend optischen Krümmungsradius des Prismas 30 in der Gleichung (6) zylindrisch gemacht wird,
lotrechten Ebene — und zu U_sag — dem optischen Ein Vergleich der durch ein unkorrigiertes sphä-

Krümmungsradius des Prismas in der waagerechten risches reflektierendes Prisma gelieferten Brenn-Ebene. Der Strahl fällt unter einem Winkel β ein und punktbilder mit denjenigen eines gemäß der Erfinwird an der Oberfläche 31 unter einem Winkel φ ge- 20 dung hinsichtlich des Astigmatismus auskorrigierten brachen. Prismas wurde durchgeführt.

Die allgemeinen Ausdrücke für die Brechung eines Für das unkorrigierte Prisma wurden die Werte

dünnen astigmatischen Strahlenbüschels an einer S — 3,9 m, η = 1,458 und R_mer — R_sag = 00 gewählt, Oberfläche, die in zwei Hauptebenen beliebige während für das korrigierte Prisma die Werte Krümmungen besitzt, können dem Buch »Prinzipien as S = 3,9 m, η = 1,458, R_sag = 00 und R_mer = 4,7 m geder Optik«, Kapitel 4 (1959), von Born und Wolf wählt wurden. Ein stimulierter Strahl, der aus einem entnommen werden und unter Berücksichtigung der etwa 2,7 m von der Prismaoberfläche entfernt ge-Fig. 2A und 2B wie folgt umgeschrieben werden: legenen Punkt divergierte, diente zur Ausleuchtung

der Prismen. Der Meridionalfokus zeigte bei 0,9 und 30 der Sagittalfokus bei 2,8 m beim unkorrigierten Prisma die charakteristischen Bilder eines astigmatisch abbildenden Körpers. Umgekehrt war das durch das korrigierte Prisma gelieferte Bild an allen Stellen des Bildrahmens sehr genau kreisförmig.
35 Bei Versuchen, bei denen ein Resonator verwendet wurde, an dessen einem Ende ein reflektierendes Usag ' S_sag Rsag * ' Prisma und an dessen anderem Ende ein sphärischer

Spiegel angeordnet war, wurden Übergänge bei

Hierin sind R_mer und R_sag die geometrischen 6118 Ä und 6401A zum Schwingen angeregt. ZuKrümmungsradien der brechenden Oberfläche. Es 40 sätzlich trat eine Schwingung an vielen schon wird bei dieser Analyse angenommen, daß eine der früher beobachteten Übergängen im infraroten Be-Hauptebenen des Strahlenbüschels mit einer der reich auf.

Hauptebenen der Prismakrümmung zusammenfällt. Während die vorstehende Beschreibung der Re-

Das Kriterium für eine anastigmatische Ab- sonatoren an Hand einer Kombination erfolgt ist, die

bildung ist 45 aus einem reflektierenden Prisma und einem sphä-

Umer ⁼ Usag = U. (3) rischen Spiegel besteht, so soll doch die Erfindung

hierauf nicht beschränkt sein, denn in vielen Fällen

Diese Gleichung drückt aus, daß eine bei XJ ange- kann es wünschenswert sein, an beiden Resonatorordnete Punktquelle durch das optische System enden reflektierende Prismen einzusetzen, die so anbei U abgebildet wird. 50 geordnet sind, daß sich ihre brechenden Wirkungen

Daher wird U das optische Zentrum der Krüm- addieren oder subtrahieren.

mung des reflektierenden Prismas. Durch geeignetes Reflektierende Prismen und eine sHe-Substitutton

Wählen von R_sag und R_mer kann das reflektierende gemäß der Erfindung wurden als besonders nützlich Prisma anastigmatisch bei beliebiger Wahl von bei der Erzeugung von Schwingungen bei den S_sag und S_mer gemacht werden. Beim speziellen, 55 schwächsten — 3s₂-2p — sichtbaren Übergängen interessierenden Fall wird die reflektierende Ober- im Helium-Neon-Sender erwiesen. So wurden beifläche sphärisch gemacht, und daher wird. spielsweise bei 6046 A und 5940 A liegende stimu- g __ g _ ς (a\ lierbare Übergänge in einem 1,2 m langen Rohr mit ^{sas£ mer} ' 4 mm Innendurchmesser zum Schwingen gebracht, und R_sag wird unendlich gemacht. Eine Auflösung 60 und zwar bei Verwendung eines Paares reflektierender modifizierten Born-und-Wolfschen Gleichungen der Prismen gemäß der Erfindung, aber ohne irgendnach R_mer ergibt welche andere verfügbare Reflektorkombinationen.

Das gleiche Rohr, wenn es zusammen mit einem 1 «cos φ 151agigen reflektierenden Prisma und einem 131agigen

_cosß _cos2o~ 65 spärischen Spiegel an Stelle eines zweiten reflek-

Rmer — jf- ^-— · (5) tierenden Prismas verwendet wird, lieferte eine Aus-

_ ι ^cos y_ gangsleistung von über 40 Milliwatt bei der bei

S cos²,8 6328 A liegenden Dominante.

1	η	cos2 φ	1	1	η cos φ
umer	Smer	COS2 β	Rmer	cos β	cos2/?
nd					(1)
	1	. n	η cos	ψ — cos/?

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit stimulierter Strahlung in einem Helium-Neon-Medium bei Umkehr seiner Besetzungsverteilung innerhalb eines optischen Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß das Helium des Gasgemisches zum überwiegenden Teil als Heliumisotop ³He vorliegt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Lichtstrahlweges durch das selektiv fluoreszente Medium (Kolbenlänge) in der Größenordnung von 5 cm liegt.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des das Medium enthaltenden Kolbens in der Größenordnung von 1 mm liegt.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung einen den Lichtstrahlweg am einen Ende begrenzenden farbzerlegenden Reflektor (13) aufweist.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der farbzerlegende Reflektor ein Prisma (30) mit einer ersten sphärischen Oberfläche ist.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma eine zweite, zylindrische Oberfläche aufweist, auf die die Strahlen unter dem Brewsterschen Winkel β einfallen.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius R der ersten sphärischen

Oberfläche gleich ^ ist, worin S der Krüm-

⁰^ «-cos/S '

mungsradius der zweiten, zylindrischen Oberfläche ist und η den Brechungsindex des Prismas bedeutet.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Proceedings of the JEEE, Bd. 51, Nr.

8, August 1963, S. 1152/1153.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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