DE1201487B - Optischer Sender oder Verstaerker, dessen selektiv fluoreszentes Medium aus mehrerenKristall-Teilsystemen besteht - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIs

Deutsche KL: 2If-90

Nummer: 1201487

Aktenzeichen: S 87019 VIII c/21 f

Anmeldetag: 30. August 1963

Auslegetag: 23. September 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium aus mehreren Festkörperteilsystemen besteht und der zur Verstärkung bzw. Schwingungserzeugung und/oder Übertragung von elektromagnetischen Signalen dient. Im Gegensatz zu bekannten optischen Festkörperverstärkern sind bei dieser Anordnung die zu verstärkenden Frequenzen wenigstens teilweise von den durch die atomare Struktur der Kristalle bedingten festen Frequenzen unabhängig, d. h., zwischen der eingestrahlten Primärfrequenz und der durch die Energiezustände im Kristallsystem vorgegebenen Frequenz muß keine resonanzmäßige Übereinstimmung bestehen. Daher ist es möglich, Frequenzen zu erzeugen und zu verstärken, die nicht im quantenmechanischen System des Festkörpers vorgebildet sind. Dies kommt dadurch zustande, daß eine an sich beliebig gewählte Primärfrequenz an den Schwingungszuständen des Kristallgitters gestreut

wird, so daß neue Streufrequenzen entstehen, die aus 20 2

Primärfrequenz und den Eigenschwingungen zusammengesetzt sind (Summations- bzw. Differenz- Da es sich bei den nach der Lehre der Erfindung frequenzen). Da die Primärfrequenzen beliebig sind, verwendeten Kristallsystemen vorzugsweise um unsind ebenfalls die Sekundärfrequenzen beliebig. dotierte Materialien handelt, spielen hierbei derartige

Dies steht im Gegensatz zu den bisher bekannten 25 Störstelleneffekte keine Rolle,
quantenmechanischen Verstärkern, bei denen die zu
verstärkende Frequenz notwendig mit einer von der
Natur des Systems durch die Energiezustände vorgegebenen Frequenz in resonanzmäßiger Übereinstimmung steht, d. h., bei diesen konventionellen Ver- 30 mechanischen Energieschema des verwendeten Feststärkern kann nur eine Frequenz verstärkt werden, körpers vorgebildet sind, d. h., es werden Frequenzen

Optischer Sender oder Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium aus mehreren Kristall-Teilsystemen besteht

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft, Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Eberhard Groschwitz, München

Vielmehr ist für die vorliegende Erfindung die Erkenntnis wesentlich, daß durch die Ausnutzung von Streustrahlungen die Möglichkeit besteht, Frequenzen zu verstärken, die nicht von Natur aus in dem quanten-

die mit einer Frequenz des quantenmechanischen verstärkt, Systems übereinstimmt. Die Frequenz des quanten- können, mechanischen Systems ist jedoch unverändert, stoff- Hierfür

die im Prinzip beliebig gewählt werden

sind zwei grundsätzliche physikalische

gebunden und damit von der Natur vorgegeben. 35 Umstände wesentlich. Die Streustrahlung wird durch Der optische Festkörperverstärker gemäß der Erfin- wechselseitige optische Kopplung in einem aus dung ist im Gegensatz zu den konventionellen Festkörperverstärkern ein mehrstufiger Verstärker, da die

Verstärkung innerhalb des aus mehreren Teilsystemen

mehreren Teilsystemen bestehenden Kristallsystem erzeugt und verstärkt. Außerdem ist die Streustrahlung zumindest in bezug auf einige bevorzugte, neu entbestehenden Gesamtsystems in mehreren Stufen erfolgt. 40 stehende und zu verstärkende Frequenzen kohärent, Außer der gegenüber konventionellen Festkörper- was ebenfalls durch die weselseitige optische Beeinverstärkern vorhandenen Unabhängigkeit von Reso- flussung der Teilsysteme bewerkstelligt wird,
nanzbeziehungen zeigt der optische Festkörperver- Darüber hinaus werden die verwendeten Primärstärker nach der Lehre der Erfindung gegenüber den Strahlungen mit an sich beliebigen Frequenzen von bekannten Anordnungen noch andere wesentliche 45 solcher Intensität gewählt, z. B. selbst als stimulierte Unterschiede. So wird bei bekannten Anordnungen Strahlung, daß die entstehenden Streustrahlungen von beispielsweise der Ladungszustand der im Gitter entsprechend beliebiger Frequenz wiederum kohärent vorhandenen Störstellen ausgenutzt. Teilweise werden sind.

diese durch äußere Magnetfelder in gewünschter Weise Als quantenmechanisches Energieschema werden in

beeinflußt, so z. B. bei dem sogenannten Phononmaser 50 den Teilsystemen vorwiegend die Energiezustände der zur Erzielung einer resonanzmäßigen Übereinstimmung Gitterschwingungen verwendet, die auf verschiedene von Schallwellen und Mikrowellen. Weise angeregt werden können. Die Energiezustände

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von Störatomen spielen hierbei im Gegensatz zu den Kombinationsfrequenz des Nachbarsystems kann bekannten Anordnungen keine Rolle. Nichtlineare beispielsweise durch Deformation des Kristallgitters

Polarisationserscheinungen haben dabei ebenfalls kei- erfolgen,

nen Einfluß auf die sich hierbei abspielenden Vorgänge. Zur Erzeugung neuer Frequenzen durch Kombina-

Das bei diesem Vorgang zur Wirkung gelangende 5 tionsstrahlung werden in Teilsystemen der Gesamt-

elektromagnetische Strahlungsfeld befindet sich wäh- anordnung Molekülschwingungen angeregt. Die hier-

rend des gesamten Verstärkungsvorgangs, auch bei aus bei Wechselwirkung mit dem eingestrahlten

stufenförmiger Verstärkung, vorwiegend innerhalb des Strahlungsfeld entstehenden Kombinationsfrequenzen

Kristallsytems. Der Außenraum wird nur an den vorge- werden in diesen bzv/. weiteren Teilsystemen kohärent

sehenen Ein- und Ausgängen des Gesamtsystems für io verstärkt.

das Strahlungsfeld zugänglich gemacht. Auf diese Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, Weise entsteht ein Festkörperverstärker für beliebige daß die nicht auf Molekülschwingungen beruhenden Frequenzen, der sich unter anderem durch seine festen Eigenfrequenzen, insbesondere die von angegeometrische Kleinheit auszeichnet. regten Energiezuständen paramagnetischer Fremd-

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes 15 ionen bzw. von ferromagnetischen Eisenverbindungen,

Teilsystem der Anordnung aus einem Halbleiter Verwendung finden.

besteht, bei dem die von Natur vorgegebenen quanten- Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind Mittel mechanischen Schwingungszustände der atomaren vorgesehen, die bewirken, daß die Verstärkung frei Bausteine des Kristalls, beispielsweise der Moleküle, wählbarer Frequenzen, die von den durch die Stoffangeregt sind, wobei bei einer eingestrahlten Primär- 20 eigenschaften der Teilsysteme festgelegten Eigenstrahlung Kombinationsfrequenzen auftreten, deren frequenzen unabhängig sind, durch Kombinations-Größe der Summe oder der Differenz von Primär- strahlung erfolgt, die Einstrahlung mit einer beliebigen strahlung und Eigenfrequenz entspricht, und daß die Frequenz durch Wechselwirkung der eingestrahlten Kombinationsstrahlung eines Systems als Primär- elektromagnetischen Wellen mit den angeregten Molestrahlung des Nachbarsystems zur Erzeugung einer 25 kularschwingungen mindestens eines der Teilsysteme neuen Kombinationsstrahlung Verwendung findet. entsteht.

Die Eigenfrequenzen der Teilsysteme des Gesamt- Es ist weiterhin vorgesehen, daß die frei wählbare systems stellen Schwingungsfrequenzen der Molekular- Frequenz bzw. Frequenzen der Primärstrahlung so schwingungen des Kristallgitters dar. Eine Anregung gewählt sind, daß wenigstens teilweise die zu verdieser Schwingungsfrequenzen kann durch elektro- 30 stärkende Frequenz bzw. Frequenzen der entstehenden magnetische Schwingungen, die von außen auf den Kombinationsstrahlung mit den Eigenfrequenzen beKristall wirken, sowie durch äußere mechanische nachbarter Teilsysteme übereinstimmen oder in ganz-Schwingungen erfolgen. Die Zahl der angeregten zahligen Verhältnissen korrespondieren.
Schwingungszustände nimmt mit der Temperatur nach Zweckmäßigerweise ist die geometrische Anordnung einem bekannten Gesetz zu. Deshalb nimmt die Inten- 35 benachbarter Teilsysteme derart, daß die Kopplung sität der sogenannten violetten Komponente im der beiden Teilsysteme hinsichtlich des zu verstär-Spektrum der kombinierten Streuung zu, wenn die kenden Strahlungsfeldes durch Kombinationsstrahlung Temperatur ansteigt. Bei der der Erfindung zugrunde erfolgt.

liegenden Erkenntnis wird dieser Sachverhalt bei der Zur Erzeugung einer kohärenten streuenden VerAnregung der Teilsysteme, unter anderem durch 4° Stärkung einer Kombinationsstrahlung mit einer zu Einhaltung eines geeigneten Temperaturplanes, aus- wählenden Frequenz wird zu einem Teilsystem ein genutzt. Die Eigenfrequenzen der Molekularschwin- Nachbarsystem gewählt, das mindestens eine Eigengungen liegen im allgemeinen im infraroten Spektral- frequenz besitzt, die mit der zu verstärkenden, mit der bereich. Sie werden durch die Molekularstruktur Primärstrahlung nicht kohärenten Kombinationsbestimmt. Durch Verwendung von Kombinations- 45 strahlung des Teilsystems korrespondiert,
frequenzen ist es möglich, auf gewünschte Frequenzen Dabei ist vorgesehen, daß die Materialien für die einzuwirken, die unter- oder oberhalb des infraroten Teilsysteme so gewählt sind, daß die Eigenfrequenz Sprecktralbereiches liegen. Die Streustrahlung ist bei eines kohärent streuenden und verstärkenden Teilgleichbleibender Frequenz mit der Primärstrahlung systems sich nur wenig von der von einem Nachbarkohärent. Aus diesem Grunde erfolgt die Verstärkung 50 system eingestrahlten Kombinationsfrequenz unterin Teilsystemen gemäß der Erfindung kohärent in scheidet, da hierdurch bei Differenzfrequenzen relativ solchen Teilsystemen, in denen die Primärstrahlung bei niedrige Frequenzen erzeugt werden können,
gleichbleibender Frequenz kohärent gestreut wird. Bei einer speziellen Ausbildung der Erfindung sind Streustrahlung mit veränderter Frequenz ist mit der Hilfsmittel vorgesehen, die eine Deformation des Primärstrahlung nicht kohärent. Es wird deshalb eine 55 Kristallgitters eines kohärent streuenden Teilsystems nicht kohärente gestreute Frequenz in einem Nach- zur Anpassung der Eigenfrequenz an die von einem barsystem mit gleicher Frequenz kohärent gestreut, Nachbarsystem eingestrahlte Kombinationsfrequenz wobei dieses Nachbarsystem zur Verstärkung dieser bewirken. Als Hilfsmittel geeignet sind Spitzen, Teilfrequenz optisch oder akustisch angeregt wird. Klemmen oder Schneiden.

Gemäß der Erfindung wird die Kombinationsstrahlung 60 Bei einer Ausführungsform der Anordnung gemäß

in ein Nachbarsystem eingestrahlt und dort kohärent der Erfindung ist zur notwendigen Anregung bestimm-

gestreut bzw. reflektiert. Hierdurch wird die Korn- ter Energiezustände bzw. Schwingungszustände in

binationsstrahlung einer beliebigen vorgegebenen Fre- Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signal-

quenz aus verschiedenen Systemen in einem bestimmten frequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen

Teilsystem als kohärentes Strahlungsfeld nach dem 65 und/oder verstärken, eine Zuführung von Primär-

Interferometerprinzip gesammelt und durch Anregung strahlung auf diese Teilsysteme von außen mit geeig-

dieses Teilsystems verstärkt. Die Anpassung der Eigen- neter Frequenz bzw. geeigneten Frequenzen vor-

frequenz des kohärent streuenden Systems an eine gesehen.

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Bei einer anderen Ausführungsform der Anordnung Schwingungszustand E_n sei angeregt, was durch * auf

gemäß der Erfindung ist zur notwendigen Anregung dem Energieniveau E_n angedeutet ist. Wird nun eine

bestimmter Energiezustände bzw. Schwingungszu- Primärstrahlung hv in den Kristall eingestrahlt, deren

stände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz Quantenenergie kleiner als die Energiedifferenz E_m—E_n

bzw. Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent 5 ist, so findet eine kohärente Streuung mit gleicher

streuen und/oder verstärken, die Einstrahlung von Frequenz ν ~ v' statt. An dieser Stelle sei bemerkt,

Kombinationsstrahlung aus benachbarten Teilsystemen daß die Streufrequenzen V₁ und v₂ in Fig. 1 und 2

mit angepaßter Frequenz vorgesehen. mit der Primärstrahlung der Frequenz nicht kohärent

Bei einer weiteren Ausführungsform der Anordnung sind.

gemäß der Erfindung ist zur notwendigen Anregung be- ₁₀ In F i g. 4 sind die gleichen Energiezustände aus

stimmter Energien von Kristallschwingungszuständen dem Energiespektrum der Kristalleigenschwingungen

in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signal- wie in den vorausgegangenen Figuren angezeigt. Der

frequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen obere Energiezustand E_m sei angeregt, was durch

und/oder verstärken, ein Ultraschallgenerator vor- Sternchen auf dem Energieniveau E_m bezeichnet wird,

gesehen, der auf diese Teilsysteme einwirkt. _i5 Wird nun eine Primärenergie hv eingestrahlt, so ent-

Mindestens eines der Teilsysteme kann aus Halb- steht neben der in F i g. 2 bereits erwähnten inkohä-

leiterkristallen mit vorwiegend Valenzbindung be- renten Streustrahlung mit der Frequenz v₂ eine kohä-

stehen, vorzugsweise aus homöopolaren Kristallen, rente Streustrahlung, deren Frequenz v' gleich der

beispielsweise Germanium oder Silizium. Ebenso ist Frequenz ν der eingestrahlten Primärstrahlung ist.

es möglich, daß mindestens eines der Teilsysteme aus 20 Wird eine zweite Primärstrahlung hv₀, deren Frequenz

halbleitenden Ionenkristallen, beispielsweise aus kleiner als die Frequenz der Eigenschwingungen des

A^InB^v-Verbindungen, mit heteropolarem bzw. ge- Kristalls v_mn ist, eingestrahlt, so entsteht eine inko-

mischtem Bindungscharakter besteht oder daß wenig- härente Streustrahlung mit der Frequenz v_s = v_mn—v₀,

stens eines der Teilsysteme aus mit paramagnetischen d. h., die Frequenz der Streustrahlung v₃ entspricht

Ionen stark dotierten Einkristallen halbleitender 25 der Differenz der Gittereigenschwingungen v_mn— der

Elemente besteht. Frequenz der eingestrahlten Primärstrahlung hv_a. Dem-

Nähre Einzelheiten gehen aus den an Hand der gegenüber war in F i g. 1 die Frequenz der Primär-

F i g. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen strahlung ν größer als die Eigenfrequenz des Kristall-

hervor. Die Erfindung ist nicht auf die lediglich zur gitters v_mn. Die Anzahl der angeregten Gitterzustände

Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiele be- 30 nimmt mit wachsender Temperatur zu. Die Intensität

schränkt. der Streustrahlung geht dabei mit v⁴ der eingestrahlten

Die F i g. 1 bis 4 dienen der Erläuterung der in Primärstrahlung.

den Ausführungsbeispielen als Grundprozesse vor- Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das

kommenden Strahlungsübergänge. an Hand der Figuren 5 bis 8 beschrieben wird, ist

In F i g. 1 sind aus dem Energieschema eines 35 das Zusammenwirken eines aus mehreren Teil-Kristalls die beiden Energieniveaus der Schwingungs- systemen bestehenden Gesamtsystems dargestellt,
zustände E_m und E_n herausgegriffen, wobei E_m In F i g. 5 sind zwei Energiestufen E_m und E_n der energiereicher als E_n sein soll. Der Schwingungszu- Kristallschwingungen des Teilsystems 1 dargestellt, stand mit der Energie E_n soll thermisch oder durch Der untere Energiezustand E_n ist angeregt, was durch * elektromagnetische Beeinflussung angeregt sein, was 40 angedeutet ist. Die Anregung erfolgt beispielsweise im durch * auf dem Energieniveau E_n angedeutet ist. vorliegenden Beispiel durch Einhalten einer bestimmten Es wird nun in den Kristall eine elektromagnetische Temperatur des Teilsystems 1. Es wird nun eine Strahlung mit der Frequenz ν primär eingestrahlt. Primärstrahlung hoher Intensität mit der Frequenz ν Die zugehörige Quantenenergie ist durch den Pfeil hv in das Teilsystem 1 eingestrahlt, wobei die Streuangedeutet. Als Folge dieser Einstrahlung in diesen 45 strahlung mit der Frequenz v₅ entsprechend F i g. 1 Kristall entsteht eine Strahlung hv mit gleicher entsteht. Diese Strahlung der Frequenz V₅ wird im Frequenz ν — ν', was durch einen umgekehrten Pfeil Teilsystem 2, das in F i g. 6 mit seinen Energiegleicher Länge wie die eingestrahlte Quantenenergie stufen E_m und E_n dargestellt ist, primär eingestrahlt, angedeutet ist. Außerdem entsteht eine Streustrahlung Die Strahlung mit der Frequenz v_s ist nur relativ mit der Frequenz V₁ = v—v_mn, wobei v_mn die der 50 wenig verschieden von der durch die Differenz der Energiedifferenz der beiden gezeigten Energiezustände Energiestufen gegebenen Eigenfrequenz v_mn des Teilentsprechende Frequenz einer Kristalleigenschwingung systems 2, so daß nunmehr bei Anregung des Energieist. Hierbei wird vom Kristallgitter die Energie E_m—E_n zustandes E_n eine Streustrahlung hv_e entsteht, wobei absorbiert. die Frequenz v_e relativ klein gegen die Frequenzen v₅

In F i g. 2 sind ebenso wie in F i g. 1 die Energie- 55 und ν ist. Im Teilsystem 2 ist durch eine entsprechend

zustände E_m und E_n dargestellt. Jetzt ist aber der höhere Temperatur, als sie das Teilsystem 1 besitzt,

höhere Energiezustand angeregt, was beispielsweise der untere Energiezustand E_n stärker angeregt als im

durch Wärme oder elektromagnetische Energie ge- Teilsystem 1. Außerdem wird im Teilsystem 2 auch

schieht. Wird nunmehr die Primärstrahlung hv in den eine Strahlung mit der Frequenz v₅' erzeugt, deren

Kristall eingestrahlt, so entsteht neben der Strahlung 60 Frequenz der aus dem Teilsystem 1 eingestrahlten

mit gleicher Frequenz ν = ν', insbesondere eine Streu- Frequenz entspricht.

strahlung mit der Frequenz v_z = v+v_mn. In diesem Die im Teilsystem 2 entstandene Streustrahlung hv₆

Fall entsteht die Frequenz v₂, indem der angeregte mit der Frequenz ^₆ wird in das Teilsystem 3 primär

Kristall die Energiedifferenz E_m—E_n an das Strahlungs- eingestrahlt. Das Teilsystem 3 mit seinen interessieren-

feld abgibt. 65 den, in Fig. 7 dargestellten Energiestufen E_m und

In F i g. 3 sind wiederum zwei Energiestufen der E_n hat die gleiche Eigenfrequenz v_mn wie die Teil-Schwingungszustände des Kristallgitters herausge- systeme 1 und 2 in F i g. 5 bzw. 6, d. h., die Energiegriffen, die mit E_m und E_n bezeichnet werden. Der differenzen E_m—E_n sind in den Teilsystemen 1,2 und 3

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alle gleich groß. Im Gegensatz zu den Teilsystemen 1 übereinstimmen muß. Die zur Anregung bestimmte und 2 ist aber im Teilsystem 3 der Schwingungs- elektromagnetische Strahlung kann unabhängig von zustand mit der Eigenfrequenz v_mn durch eine be- der Primärfrequenz ν des Teilsystems 1 von außen stimmte Temperatur angeregt, die sich von den eingestrahlt werden; sie kann aber auch in bestimmten Temperaturen in den Teilsystemen 1 und 2 unter- 5 Teilsystemen aus der Primärfrequenz durch Komscheidet. Die Temperatur im Teilsystem 3 ist größer binationsstrahlung gebildet werden, die dann je nach als die Temperatur im Teilsystem 2. Demzufolge ist Wahl in bestimmten Nachbarteilsystemen zur Anim Teilsystem 3 der Kristall im Energiezustand E_m, regung verwendet wird. In diesem Fall sind in einem was durch *** auf der Energiestufe E_m angedeutet ist. bestimmten Teilsystem entsprechend angepaßte Ener-Es erfolgt deshalb im Teilsystem 3, wie in F i g. 7 io gieverteilungen sowie entsprechend angepaßte Energieersichtlich, eine Streustrahlung mit der Frequenz v₇, differenzen vorzusehen, was durch Wahl geeigneter wobei jetzt aber der Kristall seinen angeregten Ener- Substanzen erfolgen kann.

gievorrat in die Streustrahlung mit der Frequenz v₇ In den F i g. 9 bis 12 ist ein weiteres Beispiel für emittiert. Die Frequenz v₇ entspricht der Streustrah- ein Gesamtsystem, welches aus verschiedenen Teillung gemäß v₂ in F i g. 2. Aus dem bisher Gesagten 15 systemen besteht, in bezug auf das hierbei interesgeht hervor, daß die Strahlung mit der Frequenz V₇ sierende Termschema schematisch dargestellt,
in bezug auf die Frequenz mit der Strahlung der F i g. 9 zeigt zwei Energiezustände der Kristall-Frequenz v_s übereinstimmt. Die Phasenbeziehungen schwingungen eines Teilsystems 1 dieses Gesamtdieser Teilstrahlungen v₅ und V₁ in den Teilsystemen 1, systems. Die beiden Energiestufen sind mit E_m und 2 und 3 sind jedoch verschieden. Es wird nun einer- 20 E_n bezeichnet. Der untere Energiezustand E_n ist seits die Strahlung mit der Frequenz v₇ aus dem thermisch oder elektrisch angeregt. Es wird nun auf Teilsystem 3 in die Teilsysteme 1 bzw. 2 zurück- dieses Teilsystem 1 eine Primärstrahlung hv mit der gestrahlt, wobei in den Teilsystemen 1 und 2 die Frequenz ν eingestrahlt, wobei die Kombinations-Intensität der Strahlung mit der Frequenz in gewissen frequenz v_B entsteht. Das Teilsystem 1 besteht aus Grenzen beliebig verstärkt werden kann, insofern nur 35 einem Ionenkristall, in speziellen Fällen auch aus im Teilsystem 3 die Eigenfrequenz v_mn hinreichend einem Molekülkristall. Die Strahlung hv₉ aus dem stark angeregt ist. Aus den Teilsystemen 1, 2 und 3 Teilsystem 1 wird nun als Anregungsfrequenz in ein wird außerdem in ein System von Unterteilsystemen Teilsystem 2, wie in F i g. 11 dargestellt, eingestrahlt, nach F i g. 8 A₀, A₁, A₂ usw. des Teilsystems 4 die Dieses Teilsystem 2 besteht nicht aus einem Ionen-Strahlung mit der Frequenz v_s = v₇ eingestellt. Diese 30 kristall, sondern aus einem Valenzkristall mit einge-Strahlung wird durch kohärente Streuung an dem streuten paramagnetischen Ionen. Das Termschema angeregten Energiezustand Ei sowie durch mehrfache der Spinzustände dieser Ionen ist in Fig. 11 sche-Äeflexion an Begrenzungsflächen einzelner Unter- matisch dargestellt. Die im Teilsystem 1 in F i g. 9 systeme des Teilsystems 4 als in sich kohärentes erzeugte Frequenz v₉ ist auf die Anregungsfrequenz Strahlungsfeld zur Emission der gewünschten Strah- 35 abgestimmt, die den Energiestufen E₃, E₁ des Teillung am Ausgang des Gesamtsystems ausgebildet. Die systems 2 entspricht. In Fig. 10 sind zwei Energie-Eigenfrequenzen der Teilsysteme 4 sind von den stufen der Kristallschwingungen des Teilsystems 3 Eigenfrequenzen der Teilsysteme 1, 2 und 3 ver- dargestellt. Das Teilsystem 3 besteht ebenso wie das schieden. Im vorliegenden Falle sei beispielsweise Teilsystem 1 aus einem Ionenkristall bzw. aus einem die Eigenfrequenz vq erheblich größer als v_mn. Es sei 40 Molekülkristall. Es wird nun in das Teilsystem 3 der Energiezustand Et im Teilsystem 4 und seinen entweder die Frequenz ν der gleichen Primärstrahlung Unterteilsystemen angeregt. Die im Teilsystem 1 wie in Fig. 9 eingestrahlt, oder es kann auch eine eingestrahlte Primärstrahlung mit der Frequenz ν neue Primärstrahlung in das Teilsystem 3 eingestrahlt besitzt eine gewisse Bandbreite. Auf die genannte werden. Man beschränkt sich beispielsweise auf den Weise entsteht schließlich eine gewünschte nieder- 45 Fall, daß im Teilsystem 3 die gleiche Primärstrahlung/zr frequente Strahlung, die durch die Quantenenergie wie im Teilsystem 1 eingestrahlt wird. Die Energieder Schwingungszustände der Teilsysteme 2 und 3 stufen des Teilsystems 3, die hier herausgegriffen sind, beliebig in bezug auf die Intensität verstärkt werden sollen als E_m' und E_n' bezeichnet werden. Hierdurch kann. Gemäß der Erfindung besteht jedoch der wird deutlich, daß das Teilsystem 3 ein anderes wesentliche Zweck der Anordnung darin, daß auf die 50 Termschema als das Teilsystem 1 in F i g. 9 aufweist, beschriebene Weise nunmehr im Gegensatz zu her- Dies kann durch Wahl eines Kristalls anderer Zukömmlichen Maser- bzw. Laser-Anordnungen fast sammensetzung geschehen oder in speziellen Fällen beliebige Frequenzen erzeugt und außerdem verstärkt auch dadurch, daß das Teilsystem 3 zwar aus der werden können. Diese Frequenzen sind von den von gleichen Kristallart besteht wie das Teilsystem 1, im der Natur vorgegebenen festen Eigenfrequenzen der 55 Teilsystem 3 aber die Differenz der Energiezustände quantenmechanischen Systeme der verwendeten Fest- durch Kompression des Kristallgitters oder durch körper verschieden. ein starkes elektrisches Feld in der angedeuteten Die in den Untersystemen A₀, A₁ usw. vorhandene Weise vergrößert worden ist. Sowohl in dem einen Strahlung ist in sich kohärent, da in den Untersy- als auch in dem anderen Fall sei im Teilsystem 3 der stemen des Teilsystems 4 nur kohärente Streuung 60 untere Energiezustand E_n thermisch oder elektrisch stattfindet. Das Teilsystem 4 hat eine gewisse Analogie angeregt. Bei Einstrahlung der Primärstrahlung hv zu einem Interferometer. Die Anregung der Zustände entsteht im Teilsystem 3 die Kombinationsstrahder Kristallschwingungen kann an Stelle einer ther- lung hv₁₀ mit der Frequenz V₁₀. Der Kristall des Teilmischen Anregung wie im vorliegenden Beispiel auch systems 3 ist so gewählt bzw. die Deformation des elektromagnetisch erfolgen. Zu diesem Zwecke be- 65 Kristallgitters ist von solcher Größe, daß die Strahlung sitzen die einzelnen Teilsysteme einen Eingang für die mit der Frequenz V₁₀ mit der zu verstärkenden Schwinanregende elektromagnetische Strahlung, deren Fre- gung des Teilsystems2 in Fig. 11 übereinstimmt, quenz mit der Eigenfrequenz der Kristallschwingungen deren Frequenz der Energiedifferenz E₃-E₂ ent-

spricht. Im Teilsystem 3 ist der oberste Energiezustand 3 durch die Quantenenergie hv hinreichend stark angeregt, so daß die relativ niedrige Frequenz, welche der Differenz der Energie der Energiestufen E₃, E₂ entspricht, in der üblichen Weise stimuliert verstärkt wird. Das Gesamtsystem enthält außerdem ein Teilsystem4, das in Fig. 12 in bezug auf zwei Energiestufen dargestellt ist. Das Teilsystem 4 besteht wiederum aus einem Ionenkristall. Dieser kann von gleicher Beschaffenheit sein wie das Teilsystem 1 in Fig. 9. Der verschiedene Energieabstand gegenüber dem Teilsystem 1 wird in diesem Fall beispielsweise durch äußere mechanische Kräfte erzeugt. Es kann aber auch ein Ionenkristall gewählt werden, der von den Teilsystemen 1 und 3 verschieden ist und eine geeignet gewählte Eigenfrequenz besitzt. Im Teilsystem 4 ist die obere Energiestufe der Kristallschwingungen angeregt. Diese sei mit E_m", die untere Energiestufe mit E_n" bezeichnet. Es wird nun in das Teilsystem 4 sowohl aus dem Teilsystem 3 die Fre- ao quenz v₁₀ als auch aus dem Teilsystem 2 die gleiche Frequenz, jedoch verstärkt, eingestrahlt. Dann entsteht im Teilsystem 4 eine Streustrahlung mit der Frequenz v₁₂. Je nach Wahl der Energiedifferenz zwischen E_m" und E_n" kann nun die Strahlung Ar₁₂ entweder mit der Primärstrahlung hv in bezug auf die Frequenz übereinstimmen oder statt dessen auch mit der Anregungsfrequenz im Teilsystem 2. Die im Teilsystem 4 erzeugte Strahlung hv₁₂ wird dann entweder in die Teilsysteme 1 und 3 eingestrahlt oder außerdem auch in das Teilsystem 2, wodurch die Strahlung der Anregungsfrequenz im Teilsystem 2 in bezug auf die Intensität der Strahlung hv_a = hv₁₂ modifiziert wird, so daß der Anregungsgrad des Energiezustandes 3 im Teilsystem 2 verändert werden kann, was eine Modulation der Intensität der zu verstärkenden Strahlung mit der Frequenz V₁₀ im Teilsystem 2 bewirkt. Die stimulierte Strahlung hv₁₀ im Teilsystem 2 ist kohärent. Auch bei diesem Beispiel sind die Anregungen in den Teilsystemen 1, 3 und 4 jeweils entweder thermischer oder elektromagnetischer Natur. Die jeweiligen Anregungsverhältnisse in den einzelnen Teilsystemen wirken sich auf das Zusammenspiel des Gesamtsystems so aus, daß eine gewünschte zu verstärkende Kombinationsstrahlung durch die Teilsysteme erzeugt und stufenweise verstärkt wird. Das Gesamtsystem besitzt demzufolge eine gewisse Analogie mit einem stufenweisen Verstärker der Radiotechnik. Derartige aus mehreren Kristallteilsystemen bestehende Anordnungen sind geeignet zur Erzeugung und Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung frei wählbarer, nicht durch einen bestimmten Kristall festgelegter Frequenzen bzw. Frequenzbänder, sofern nicht bestimmte Frequenzen durch Spinsysteme paramagnetischer Ionen in bestimmten Teilsystemen bevorzugt werden sollen. Die Anwendung derartiger Anordnungen kann sich auf Strahlungsbereiche beziehen, die sich vom Mikrowellenbereich bis in den sichtbaren Bereich bzw. ultravioletten Bereich erstrecken. Im allgemeinen wird man in einer bestimmten Anordnung beispielsweise die Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellenstrahlungen bevorzugen und durchführen. Nach dem gleichen Prinzip eines mehrstufigen Verstärkers der Kombinationsstrahlungen von Teilsystemen, die in gegenseitiger Strahlungs-Wechselwirkung stehen, können auch Frequenzen im sichtbaren Spektralbereich erzeugt und verstärkt werden.

Weiterhin ist eine Anwendung gemäß der Erfindung als Verstärker und/oder Frequenzwandler vorgesehen, wobei in verschiedenen Teilsystemen relativ hohe und in anderen Teilsystemen relativ niedere Frequenzen verstärkt werden. Außerdem ist die Anordnung zur Verwendung als Seitenbandverstärker mit mehreren Verstärkerstufen geeignet.

Auf Grund der geringen räumlichen Ausdehnung sowie auf Grund der freien Wählbarkeit des Spektralbereiches ist die entsprechend den Erkenntnissen der Erfindung aufgebaute Anordnung als Sonde für strahlentherapeutische Zwecke verwendbar.

Weiterhin ist es möglich, eine Kombination mehrerer gleichartiger Anordnungen zur Erhöhung der Intensität bestimmter ausgewählter Frequenzen bzw. Frequenzbereiche anzuwenden. Außerdem kann eine Kombination mehrerer gleichartiger Anordnungen zur wechselseitigen Beeinflussung der einzelnen Anordnungen verwendet werden, derart, daß beispielsweise eine Anordnung in einem tieferen Frequenzband auf eine andere einwirkt, während letztere in einem höheren Frequenzband auf die erstere einwirkt oder umgekehrt, und daß aus einem bestimmten Teilsystem einer der Anordnungen eine verstärkte Kombinationsfrequenz austritt. Außerdem sind Kombinationen aus mehreren gleichartigen Anordnungen zur Verwendung als Filter bzw. als Tief- oder Hochpaß geeignet. Eine Kombination aus einer großen Anzahl gleichartiger Anordnungen kleiner geometrischer Ausdehnung ist für die Verwendung als Bildwandler geeignet.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium aus mehreren Kristall-Teilsystemen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilsystem der Anordnung aus einem Halbleiter besteht, bei dem die von Natur vorgegebenen quantenmechanischen Schwingungszustände der atomaren Bausteine des Kristalls, beispielsweise der Moleküle, angeregt sind, so daß bei einer eingestrahlten Primärstrahlung Kombinationsfrequenzen auftreten, deren Größe der Summe oder der Differenz von Primärstrahlung und Eigenfrequenz entspricht, und daß die Kombinationsstrahlung eines Systems als Primärstrahlung des Nachbarsystems zur Erzeugung einer neuen Kombinationsstrahlung Verwendung findet.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus angeregten Molekülschwingungen resultierenden Kombmationsstrahlungen Verwendung finden.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht auf Molekülschwingungen beruhenden festen Eigenfrequenzen, insbesondere die von angeregten Energiezuständen paramagnetischer Fremdionen bzw. von ferromagnetischen Eisenverbindungen, Verwendung finden.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die bewirken, daß die Verstärkung frei wählbarer Frequenzen, die von den durch die Stoffeigenschaften der Teilsysteme festgelegten Eigenfrequenzen unabhängig sind, durch Kombinationsstrahlung erfolgt, die bei Einstrahlung mit einer beliebigen Frequenz durch

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Wechselwirkung der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen mit den angeregten Molekülschwingungen mindestens eines der Teilsysteme entsteht.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die frei wählbare Frequenz bzw. frei wählbaren Frequenzen der Primärstrahlung so gewählt sind, daß wenigstens teilweise die zu verstärkenden Frequenzen der entstehenden Kombinationsstrahlung mit den Eigenfrequenzen benachbarter Teilsysteme übereinstimmen oder in ganzzahligen Verhältnissen korrespondieren.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine solche geometrische Anordnung benachbarter Teilsysteme, daß die Kopplung der beiden Teilsysteme hinsichtlich des zu verstärkenden Strahlungsfeldes durch Kombinationsstrahlung erfolgt.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Teilsystem ein Nachbarsystem gewählt ist, das mindestens eine Eigenfrequenz besitzt, die mit der zu verstärkenden, mit der Primärstrahlung nicht kohärenten Kombinationsstrahlung des Teilsystems korrespondiert und somit eine kohärente Streuung dieser Kombinationsstrahlung ermöglicht.

8. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien für die Teilsysteme so gewählt sind, daß die Eigenfrequenz eines kohärent streuenden und verstärkenden Teilsystems sich nur wenig von der von einem Nachbarsystem eingestrahlten Kombinationsfrequenz unterscheidet.

9. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfsmittel vorgesehen sind, die eine Deformation des Kristallgitters eines kohärent streuenden Teilsystems zur Anpassung der Eigenfrequenz an die von einem Nachbarsystem eingestrahlte Kombinationsfrequenz bewirken.

10. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hilfsmittel Spitzen, Klemmen oder Schneiden sind.

11. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur notwendigen Anregung bestimmter Energiezustände bzw. Schwingungszustände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, eine Zuführung von Primärstrahlung auf diese Teilsysteme von außen mit geeigneter Frequenz bzw. geeigneten Frequenzen vorgesehen ist.

12. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur notwendigen Anregung bestimmter Energiezustände bzw. Schwingungszustände in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, die Einstrahlung von Kombinationsstrahlung aus benachbarten Teilsystemen mit angepaßter Frequenz vorgesehen ist.

13. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur notwendigen Anregung bestimmter Energien von Kristallschwingungszuständen in Teilsystemen, welche eine Signalfrequenz bzw. Signalfrequenzen aus Nachbarsystemen kohärent streuen und/oder verstärken, ein Ultraschallgenerator vorgesehen ist, der auf diese Teilsysteme einwirkt.

14. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Teilsysteme aus halbleitenden Ionenkristallen, beispielsweise aus AⁱⁿB^v-Verbindungen, mit heteropolarem bzw. gemischtem Bindungscharakter besteht.

15. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Teilsysteme aus Halbleiterkristallen mit Valenzbindungen besteht, vorzugsweise aus homöopolaren Kristallen, beispielsweise Germanium oder Silizium.

16. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Teilsysteme aus mit paramagnetischen Ionen stark dotierten Einkristallen halbleitender Elemente (Valenzkristallen) besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Illuminating Engineering, Januar 1962, S. 38/39;
Physical Review Letters, Bd. 8, Nr. 1 vom 1.1.1962, S. 18 bis 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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