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Optischer Sender oder Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium
aus mehreren Kristall-Teilsystemen besteht Zusatz zur Anmeldung: S 87019 VIII c/21
f -Auslegeschrift 1201487 Die Hauptpatentanmeldung bezieht sich auf einen optischen
Sender oder Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium aus mehreren Kristall-Teilsystemen
besteht und der zur Erzeugung bzw. Verstärkung elektromagnetischer Strahlung dient,
bei dem jedes Teilsystem aus einem Halbleiter besteht, bei dem die von Natur vorgegebenen
quantenmechanischen Schwingungszustände der atomaren Bausteine des Kristalls, beispielsweise
der Moleküle, angeregt sind, wobei bei einer eingestrahlten Primärstrahlung Kombinationsfrequenz
auftreten, deren Größe der Summe oder der Differenz von Primärstrahlung und Eigenfrequenz
entspricht und bei dem die Kombinationsstrahlung eines Systems als Primärstrahlung
des Nachbarsystems zur Erzeugung einer neuen Kombinationsstrahlung Verwendung findet.
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Im Gegensatz zu den bisher bekannten 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 den konventionellen Verstärkern kann nur eine Frequenz verstärkt
werden, die mit einer Frequenz des quantenmechanischen Systems übereinstimmt, kann
mit Hilfe des optischen Festkörperverstärkers gemäß der Erfindung jede beliebige
Frequenz verstärkt werden. Außerdem ist dieser Verstärker im Gegensatz zu den konventionellen
Anordnungen ein mehrstufiger Verstärker, da die Verstärkung innerhalb des aus mehreren
Teilsystemen bestehenden Gesamtsystems in mehreren Stufen erfolgt.
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Neben der gegenüber konventionellen Festkörperverstärkern vorhandenen
Unabhängigkeit von Resonanzbeziehungen zeigt der optische Festkörperverstärker nach
der Lehre der Erfindung gegenüber den bekannten Anordnungen noch andere wesentliche
Unterschiede. So wird bei bekannten Anordnungen beispielsweise der Ladungszustand
der im Gitter vorhandenen Störstellen ausgenutzt. Teilweise werden diese durch äußere
Magnetfelder in gewünschter Weise beeinflußt; so z. B. bei dem sogenannten Phononmaser
zur Erzielung einer resonanzmäßigen Übereinstimmung von Schallwellen und Mikrowellen.
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Da es sich bei den nach der Lehre der Erfindung verwendeten Kristallsystemen
vorzugsweise um undotierte Materialien handelt, spielen hierbei derartige Störstelleneffekte
keine Rolle. 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 quantenmechanischen Energieschema
des verwendeten Festkörpers vorgebildet sind, d. h., es werden Frequenzen verstärkt,
die im Prinzip beliebig gewählt werden können.
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Hierfür sind zwei grundsätzliche physikalische Umstände wesentlich.
Die Streustrahlung wird durch wechselseitige optische Kopplung in einem aus mehreren
Teilsystemen bestehenden Kristallsystemen erzeugt und verstärkt. Außerdem ist die
Streustrahlung zumindest in bezug auf einige bevorzugte, neu entstehende und zu
verstärkende Frequenzen kohärent, was ebenfalls durch die wechselseitige optische
Beeinflussung der Teilsysteme bewerkstelligt wird.
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Als quantenmechanisches Energieschema werden in den Teilsystemen vorwiegend
die Energiezustände der Gitterschwingungen verwendet, die auf verschiedene Weise
angeregt werden können. Die Energiezustände von Störatomen spielen hierbei im Gegensatz
zu den bekannten Anordnungen keine Rolle. Nichtlineare Polarisationserscheinungen
haben dabei ebenfalls keinen Einfluß auf die sich hierbei abspielenden Vorgänge.
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Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung ist dies in der Weis ausgenützt,
daß wenigstens eines der Teilsysteme aus piezoelektrischen Halbleiterkristallen
besteht, daß Elektroden vorgesehen sind, über die eine elektrische Anregung der
piezoelektrischen Teilsysteme erfolgt und daß diese Elektroden so geschaltet sind,
daß die Anregung der einzelnen Teilsysteme voneinander unabhängig ist.
Die
elektrische Anregung der Kristallschwingungen kann - entsprechend den der Erfindung
zugrunde liegenden Erkenntnissen -insbesondere dann in charakteristischer Weise
durchgeführt werden, wenn die anzuregenden Teilsysteme piezoelektrische Eigenschaften
besitzen. Diese elektrische Anregung erfolgt beispielsweise über die hierzu vorgesehenen
Elektroden durch elektrische Felder. Die Anregung bestimmter Schwingungszustände
in den Teilsystemen kann durch elektrische Wechselfelder erfolgen, die durch Anlegen
äußerer Elektroden auf diese Teilsysteme übertragen werden.
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Es ist weiterhin vorgesehen, daß die geometrische Anordnung der Teilsysteme
so gewählt ist, daß die Einstrahlung von Kombinationsfrequenzen aus Nachbarsystemen,
deren Frequenzen an die eigenen Grenzen der piezoelektrischen Schwingungszustände
angepaßt sind, stattfinden.
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Bei einer Weiterbildung der Anordnung gemäß der Erfindung kann ein
Teilsystem als Ausgangssystem ausgebildet sein, das die eingestrahlten Kombinationsfrequenzen
als verstärktes Signal ausstrahlt.
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Zur Anregung bestimmter Eigenschwingungen in piezoelektrischen Teilsystemen
sind elektrische Schwingungen vorgesehen, die zumindest teilweise dem induzierenden
Strahlungsfeld bzw. seiner zu verstärkenden Kombinationsfrequenz angehören, wobei
in bezug auf Kohärenz der Phasenverteilung und hinsichtlich der übereinstimmung
in bestimmten Wellenformen oder Frequenzen des Gesamtstrahlungssystems ein zeitlich
nicht veränderbarer Zusammenhang zwischen den schwingungsanregenden Komponenten
des Strahlungsfeldes und den zu verstärkenden induzierten Komponenten besteht.
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Die geometrische Anordnung ist dabei so gewählt, daß die Einstrahlung
zum Teil nicht kohärenter Kombinationsstrahlungen einer bestimmten frei wählbaren
Frequenz aus mehreren Teilsystemen in das als Ausgang vorgesehene Teilsystem gleichzeitig
möglich ist.
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Es ist weiterhin vorgesehen, daß das elektromagnetische Strahlungsfeld
sich nur innerhalb des aus mehreren Teilsystemen bestehenden Gesamtsystems befindet
und dieses nur am Eingang und Ausgang des Systems mit dem Außenraum in Verbindung
steht.
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Bei einer Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung ist vorgesehen,
daß die gesamte, aus mehreren Teilsystemen bestehende Anordnung bis auf die Ein-
und Ausgänge der zu verstärkenden Strahlung durch reflektierende Medien abgeschlossen
ist.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung
ist die geometrische Gestalt des durch reflektierende Medien gebildeten Resonators
der aus mehreren Teilsystemen bestehenden Anordnung bestimmten Wellenformen ausgewählter
Teilschwingungen in Teilsystemen angepaßt.
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Nach einer besonderen Weiterentwicklung der Anordnung weisen die die
Anordnung abschließenden reflektierenden Medien eine Schichtstruktur auf, wobei
die einzelnen Schichten selektive optische Eigenschaften in bezug auf bestimmte
Frequenzen und in bezug auf den Polarisationszustand der bestimmten Frequenzen zugehörigen
Strahlungskomponenten besitzen.
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Nähere Einzelheiten gehen aus den an Hand der F i g. 1 bis 10 beschriebenen
Ausführungsbeispielen hervor. Die Erfindung ist nicht auf die lediglich zur Erläuterung
dienenden Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die F i g. 1 bis 4 dienen der Erläuterung der in den Ausführungsbeispielen
als Grundprozesse vorkommenden Strahlungsübergänge.
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In F i g. 1 sind aus dem Energieschema eines Kristalls die beiden
Energieniveaus der Schwingungsstufen E"" und Erz herausgegriffen, wobei
Ein den Zustand höherer Energie und E" den tieferer Energie bezeichnet. Der
Schwingungszustand mit der Energie En soll thermisch oder durch elektromagnetische
Beeinflussung angeregt sein, was durch * auf dem Energieniveau E" angedeutet ist.
Es wird nun in den Kristall eine elektromagnetische Strahlung mit der Frequenz Y
primär eingestrahlt. Die zugehörige Quantenenergie ist durch den Pfeil hv angedeutet.
Als Folge dieser Einstrahlung in diesen Kristall entsteht eine Strahlung mit gleicher
Frequenz Y=v', was durch einen umgekehrten Pfeil gleicher Länge wie die eingestrahlte
Quantenenergie angedeutet ist. Außerdem entsteht eine Streustrahlung mit der Frequenz
vl=v-vmn, wobei Y", die der Energiedifferenz der beiden gezeigten Energiezustände
entsprechende Frequenz einer Kristalleigenschwingung ist. Hierbei wird vom Kristallgitter
die Energie E.-E, absorbiert.
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In F i g. 2 ist ebenso wie in F i g.1 der Energiezustand E," und Ers
dargestellt. Jetzt ist aber der höhere Energiezustand angeregt, was beispielsweise
durch Wärme oder elektromagnetische Energie geschieht. Wird nunmehr die Primärstrahlung
hv in den Kristall eingestrahlt, so entsteht neben der Strahlung mit gleicher Frequenz
v=v' insbesondere eine Streustrahlung mit der Frequenz v2=v+Ym, In diesem Falle
entsteht die Frequenz v2, indem der angeregte Kristall die Energiedifferenz E.-E"
an das Strahlungsfeld abgibt.
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In F i g. 3 sind wiederum zwei Energieeigenwerte der Schwingungsstufen
des Kristallgitters herausgegriffen, die mit Ein und E" bezeichnet werden.
Der Schwingungszustand E" sei angeregt, was durch * auf dem Energieniveau E" angedeutet
sei. Wird nun eine Primärstrahlung hY in den Kristall eingestrahlt, deren Quantenenergie
kleiner als die Energiedifferenz E"-E" ist, so findet eine kohärente Streuung mit
gleicher Frequenz v=v' statt. An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Streufrequenzen
v1 und v2 in F i g. 1 und 2 mit der Primärstrahlung der Frequenz v nicht kohärent
sind.
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In F i g. 4 sind die gleichen Energiezustände aus dem Energiespektrum
der Kristalleigenschwingungen wie in den vorausgegangenen Figuren angezeigt. Der
obere Energiezustand Ein sei angeregt, was durch Sternchen auf dem Energieniveau
E" bezeichnet wird. Wird nun eine Primärenergie hv eingestrahlt, so entsteht neben
der in F i g. 2 bereits erwähnten inkohärenten Streustrahlung mit der Frequenz v2
eine kohärente Streustrahlung, deren Frequenz v' gleich der Frequenz Y der eingestrahlten
Primärstrahlung ist. Wird eine zweite Primärstrahlung h vo, deren Frequenz kleiner
als die Frequenz der Eigenschwingungen des Kristalls Y." ist, eingestrahlt, so entsteht
eine inkohärente Streustrahlung mit der Frequenz Y3 =Ym"-YO, d. h., die Frequenz
der Streustrahlung v3 entspricht der Differenz der Gittereigenschwingungen vm"-
der Frequenz v. der eingestrahlten Primärstrahlung h vo. Demgegenüber war in F i
g. 1 die Frequenz
der Primärstrahlung v größer als die Eigenfrequenz
des Kristallgitters v,"". Die Anzahl der angeregten Gitterzustände nimmt mit wachsender
Temperatur zu. Die Intensität der Streustrahlung geht dabei mit v4 der eingestrahlten
Primärstrahlung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung ist in den
F i g. 5 bis 10 angegeben. Die F i g. 5 bis 10 demonstrieren schematisch ein Termschema
der Gesamtanordnung, die aus einzelnen Teilsystemen besteht. Die Teilsysteme 1,
2, 3 und 4, welche in gleicher Reihenfolge mit den F i g. 5, 6, 7 und 8 gekennzeichnet
sind, bestehen beispielsweise alle aus Ionenkristallen gleicher chemischer Zusammensetzung.
Die Energiestufen Ein und E" deuten hier zwei in Betracht kommende Energiezustände
der Kristallschwingungen an. Das Teilsystem 2 in F i g. 6 erfährt durch äußere mechanische
Kräfte eine Deformation, die eine Vergrößerung der Energiedifferenz zur Folge hat.
Die neuen Energiestufen in diesem Teilsystem werden mit Ein und En
bezeichnet.
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Im Teilsystem 1 in F i g. 5 wird eine Primärstrahlung eingestrahlt,
deren Frequenz mit der Eigenfrequenz entsprechend der Energiedifferenz E,"-E" übereinstimmt.
Der obere Zustand E," wird infolgedessen angeregt. Außerdem wird die Strahlung hv
auch auf das Teilsystem 2 in F i g. 6 eingestrahlt, das im Vergleich zum Teilsystem
1 - wie ersichtlich -durch mechanische Deformation einen etwas größeren Energieabstand
besitzt. Es entsteht dann im Teilsystem 2 eine relativ niederfrequente Strahlung
h v6, die vom Teilsystem 2 in das Teilsystem 1 zurückgestrahlt wird. Hiedurch wird
im Teilsystem 1 gemäß F i g. 5 eine Strahlung mit der Kombinationsfrequenz h v5
erzeugt. Wie man sieht, ist die Frequenz v5 mit der Eigenfrequenz des Teilsystems
2 in F i g. 6 identisch. Die Strahlung h v5 wird deshalb aus dem Teilsystem 1 in
das Teilsystem 2 eingestrahlt, wo diese vollständig absorbiert wird und den Anregungsgrad
des Zustandes E,"' erhöht. Außerdem wird im Teilsystem 2 auch eine Kombinationsstrahlung
h r, erzeugt, die in das Teilsystem 3 in F i g. 7 als Primärstrahlung eingestrahlt
wird. In den F i g. 6 und 5 ist, wie an den Sternchen * ersichtlich, der obere Energiezustand
jeweils angeregt. Im Teilsystem 3 in F i g. 7 hingegen ist der untere Energiezustand
E" angeregt. Bei Einstrahlung der Strahlung hve aus dem Teilsystem 3 entsteht, wie
ersichtlich, eine neue Kombinationsstrahlung h v7. Da jedoch das Teilsystem 3 nicht,
wie das Teilsystem 2, deformiert ist, sondern seinen normalen Energieabstand wie
das Teilsystem 1 besitzt, so ist die Strahlung mit der Frequenz v7 in bezug auf
die Frequenz mit der Eigenfrequenz v5 des Teilsystems 2 identisch. Die Strahlung
h v7 wird nun einerseits in das Teilsystem 2 zurückgestrahlt, wo diese den
Anregungsgrad des Energiezustandes E"' modifiziert. Hauptsächlich wird jedoch die
Strahlung h v7 aus dem Teilsystem 3 in das Teilsystem 4 in F i g. 3 eingestrahlt,
bei welchem der untere Energiezustand E" angeregt ist. Die im Teilsystem 4 entstehende
Strahlung h v$ stimmt in bezug auf die Frequenz jedoch mit der Strahlung
hvs überein. Aus h v$ und hve wird neben wechselseitiger Einstrahlung in
die Teilsysteme 4 und 2 die Frequenz v, in ein aus Unterteilsystemen bestehendes
Teilsystem 5, das in F i g. 9 dargestellt ist, eingestrahlt. Hier wird die Frequenz
v8 an einer angeregten Kristallschwingung mit ihrem oberen Energiezustand E; kohärent
gestreut und in den Unterteilsystemen zu einem kohärenten Strahlungsfeld ausgebildet.
Von diesen Unterteilsystemen sind in F i g. 9 nur zwei Unterteilsysteme stellvertretend
für mehrere dargestellt. Das kohärente Strahlungsfeld in den Teilsystemen 50, 51
usw. wird in ein weiteres Teilsystem 6 in F i g. 10 eingestrahlt, dessen Termdifferenz
E2 El seiner Spinzustände entweder durch geeignete Wahl der Substanz oder durch
mechanische Deformation des Kristallgitters der zu verstärkenden Frequenz va angepaßt
ist. Die obere Energiestufe E2 im Teilsystem 6 ist angeregt, so daß nunmehr das
Strahlungsfeld mit der Frequenz v$ nochmals verstärkt werden kann. Das Teilsystem
6 in F i g. 10 kann jedoch in speziellen Ausführungen der Anordnung auch fehlen.
Die Anregung der einzelnen Teilsysteme erfolgt, wie ersichtlich, im wesentlichen
elektrodynamisch, wobei, wie die Anordnung zeigt, die notwendigen Eigenschwingungen
jeweils durch Kombinationsfrequenzen benachbarter Systeme erzeugt werden. Mindestens
eines der Teilsysteme kann piezoelektrisch sein, so daß die Anregung von Eigenschwingungen
auch durch zusätzliche äußere Felder erfolgen kann. Auf diese Weise wird, wie das
Beispiel zeigt, aus einer relativ hohen Primärfrequenz eine niederfrequente Strahlung,
beispielsweise im langwelligen Ultrarot- bzw. im Mikrowellenbereich, erzeugt, die
mit einer modifizierbaren Intensität in den Unterteilsystemen des Teilsystems 5
ein in sich kohärentes Strahlungsfeld auftritt und von dort verstärkt nach außen
emittiert werden kann. Die Verstärkung wird durch die jeweiligen Anregungen in den
Teilsystemen 1 bis 9 bestimmt. Das Teilsystem 6 in F i g. 10 ist kein Ionenkristall,
sondern beispielsweise ein mit paramagnetischen Ionen dotierter Valenzkristall.
Der Abstand der Energiestufen El und E2 im Teilsystem 6 kann jedoch auch in diesem
Kristall in gewissen Grenzen durch äußere Deformation oder durch äußere elektrische
bzw. magnetische Felder modifiziert werden, wodurch der gewünschten Verstärkung
auch eine Anpassung bzw. eine gewisse Selektivität ermöglicht wird. Der Kristall
aus dem Teilsystem 6 kann jedoch auch piezoelektrisch sein, wobei die innere elektrische
Feldstärke zur Modifikation bzw. zur Anregung del Energiestufen E2 und El verwendet
wird.
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Es sei noch erwähnt, daß hinsichtlich der Anregung gemäß der Erfindung
auch die Einwirkung eines Ultraschallgenerators auf mindestens eines der Teilsysteme
vorgesehen sein kann, wodurch in diesem Teilsystem die Anregung bestimmter Energiezustände
von Kristallschwingungen erfolgt. Diese Schwingungen besitzen dann im Gegensatz
zu den Schwingungen thermischer Anregung vorgebbare Wellenfronten mit gewünschter
Richtung, an denen eine Reflexion bzw. Streuung von in Nachbarsystemen erzeugten
Strahlungsanteilen erfolgt. Beispielsweise kann insbesondere das Teilsystem 5 mit
seinen Unterteilsystemen auf diese Weise orientiert angeregt werden und eine Reflexion
der Schwingungen mit der Frequenz v$ an diesen Wellenfronten für den Strahlengang
ausgenützt werden.