DE1206084B

DE1206084B - Optischer Sender oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1206084B
Application number: DEW33095A
Authority: DE
Inventors: Paul P Kisliuk; David Allmond Kleinman
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-10-16
Filing date: 1962-10-10
Publication date: 1965-12-02
Also published as: FR1325584A; US3134837A; BE623385A; NL280012A; GB1015154A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT /~. 1206084

Safe} KL Mf

*i t/

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIs

Deutsche Kl.: 2If- 90

W3309f:VTIIc/21f
10. Oktober 196-2
2. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker und im einzelnen auf Hohlraumresonatoren hierfür.

Der in neuerer Zeit entwickelte optische Sender oder Verstärker hat die Erzeugung und Verstärkung kohärenter elektromagnetischer Wellen im optischen Frequenzbereich möglich gemacht. Dieser Frequenzbereich erstreckt sich vom tiefsten infraroten bis zum fernsten ultravioletten. Auf Grund der in diesem Bereich vorhandenen außerordentlich hohen Frequenzen ist die Zahl der für die Nachrichtenübertragung und andere Zwecke ausnutzbaren Frequenzkanäle entscheidend erhöht worden.

Die für Mikrowellen-Frequenzen entwickelten Molekularverstärker (Maser) weisen ein stimulierbares Medium auf, das in einem Resonator, der eine einzige Resonanzfrequenz (im folgenden Eigenwert oder Eigenschwingung genannt) in der Nähe der Frequenz der stimulierten Emission aufweist, untergebracht ist. Der Aufbau eines solchen Resonators ist verhältnismäßig einfach, da dessen Abmessungen in der Größenordnung einer einzigen Wellenlänge der gewählten Frequenz liegen. Die Übertragung einer solchen Ausbildung auf optische Sender oder Verstärker ist jedoch wegen der außerordentlich kleinen Wellenlängen unpraktisch. Es war daher erforderlich, optische Resonatoren mit Abmessungen zu entwickeln, die einige tausendmal größer sein können als die Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz.

Eine Anordnung, die mit Erfolg für diesen Zweck benutzt worden ist, ist nach Art des Fabry-Perot-Interferometers aufgebaut. Sie besteht aus zwei planparallelen reflektierenden Oberflächen, die in entsprechend bemessenem Abstand voneinander angeordnet sind. Das aktive selektiv fluoreszente Medium befindet sich zwischen den reflektierenden Flächen, von denen wenigstens eine teilweise durchlässig ist, damit eine Ankopplung an einen äußeren Verbraucherkreis ermöglicht ist.

Optischer Sender oder Verstärker

Anmelder: ^{: ;}

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
Paul P. Kisliuk, Morristown, N. J.;
David Allmond Kleinman,
Plainfield, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. Oktober 1961
(145087)

vorzugt angeregt, sondern es können gleichzeitig mehrere angeregt werden.

Das Vorhandensein vieler angeregter Eigenschwingungen in einem optischen Sender oder Verstärker für Nachrichtenübertragungszwecke ist jedoch von Nachteil. Beispielsweise ist eine wesentlich größere Leistung für einen optischen Sender oder Verstärker mit vielen angeregten Eigenschwingungen als für einen solchen mit einer einzigen angeregten.Eigenschwingung erforderlich, um die gewünschte wohldefinierte Ausgangslinie zu erzeugen, die sich deutlich von der Rausch-Emission abhebt. Außerdem benachteiligt die Anregung vieler Eigenschwingungen die Stabilität des optischen Senders oder Verstärkers, was für Nach-

Optische Resonatoren, die notwendigerweisewesent- 40 richtenübertragungssysteme von wesentlicher Bedeulich größer sind als die verwendeten Wellenlängen, tung ist. ■

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hohlraumresonators, der ein Eigenschwingungssystem aufweist, bei dem nur verhältnismäßig wenige bevorzugte Eigenschwingungen von zahlreichen möglichen Eigenschwingungen angeregt werden. Hierbei sollen im

haben von Natur aus viele Resonanzfrequenzen. Eine mathematische Analyse des Eigenwertsystems eines Fabry-Perot-Resonators findet sich in einem Aufsatz von Fox und L i in »Bell System Technical Journal«, Bd. 40, S. 453. Fox und L i haben gezeigt, daß der Resonator durch eine Reihe axialer und außeraxialer-Eigenschwingungen sehr kleiner Dämpfung gekennzeichnet werden kann. Bei einem Resonator der in dem obengenannten Aufsatz analysierten Ausbildung ist die Dämpfung für alle axialen Eigenschwingungen "gleich. Daher wird keine axiale Eigenschwingung be-"wesentlichen die Dämpfungswerte für die unerwünschten Eigenschwingungen des Resonators gegenüber den bevorzugten Eigenschwingungen erhöht werden.

,Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem optischen Sender oder Verstärker, bestehend aus einem optischen Resonator mit planparallelen reflek-

509 740/18Φ

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tierenden Spiegelflächen, von denen wenigstens eine natoranordnung erreicht. Bei der Vorrichtung nach teilweise durchlässig ist, aus einem innerhalb des F i g. 1 sind also die reflektierenden Flächen 12 und 13 Resonators angeordneten selektiv fluoreszenten Me- teildurchlässig (selbstverständlich bezogen auf Licht dium und einer auf das selektiv fluoreszente Medium bei Betriebsfrequenz), während die Fläche 11 volleinwirkenden Anregungslichtquelle. Die Lösung be- 5 ständig reflektiert. "Die zusätzliche reflektierende steht erfindungsgemäß darin, daß wenigstens eine Fläche unterdrückt wirksam die Anregung unerebene, teilweise reflektierende, teilweise durchlässige wünschter Eigenwerte des ursprünglichen Zweiinnere Spiegelfläche im optischen Resonator in axialem Flächen-Grund-Resonators durch eine Erhöhungderen Abstand von den äußeren Spiegelflächen und parallel Dämpfung gegenüber der für andere Schwingungs-ZU ihnen angeordnet ist und daß die äußeren und 10 eigenwerte. Im allgemeinen wird das gewünschte inneren Spiegelflächen eine Vielzahl von Abschnitten Ergebnis erzielt, wenn die Länge des leeren Raumes bzw. Zwischenräumen in dem Resonator begrenzen, zwischen den Flächen 11 und 12 kleiner ist als der wobei das selektiv fluoreszente Medium einen der Abstand zwischen den Flächen 12 und 13. Eine opti-Zwischenräume ausfüllt. Zweckmäßig ist hierbei vor- male Unterdrückung wird bei dem optischen Sender gesehen, daß wenigstens eine äußere Spiegelfläche des 15 oder Verstärker 10 erreicht, wenn der leere Raum etwa optischen Resonators ebenso gut reflektiert wie die gleich (2 Δ v)~^x ist, wobei Δ ν die Halbwerts-Breite der innere Spiegelfläche. Emissionslinie des optischen Senders oder Verstär-

Ln folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- kers ist.

nung beschrieben; es zeigt Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, 20 nach Fig.l (Drei-Flächen-Resonator) beschränkt,

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin- sondern kann beispielsweise auch auf einen optischen

dung, Sender oder Verstärker der in F i g. 2 gezeigten Art

F i g. 3 ein schematisches Diagramm zur Erläute- angewandt werden. Die dort gezeigte Anordnung 20

rung der Erfindung, besitzt im Abstand angeordnete parallele reflek-

Fig. 4a das Eigenwert-Spektrum eines zweifläcbi- 25 tierende Flächen 21, 22, 23 und 24. Der gesamte

gen optischen Resonators und . optische Resonator wird durch die reflektierenden

F i g. 4b das Eigenwert-Spektrum eines vierflächigen Endflächen 21 und 24 begrenzt, von denen wenigstens

optischen Resonators. eine teildurchlässig ist. Die reflektierenden Flächen 22

Der optische Sender oder Verstärker 10 in F i g. 1 und 23 sind teildurchlässig und definieren mit den

weist einen optischen Resonator auf, der durch drei mit 30 Flächen 21 und 24 drei innere Zwischenräume des

axialem Abstand angeordnete planparallele reflektie- Resonators. Das selektiv fluoreszente Medium in Form

rende Flächen 11,12 und 13 gebildet wird. Das selektiv eines Stabes 15 befindet sich im mittleren Zwischen-

fluoreszente Festkörper-Medium in Form eines Stabes raum, also zwischen den Flächen 22 und 23. Die An-

15 ist innerhalb des Resonators im Spalt zwischen den Ordnung des Mediums im mittleren Zwischenraum ist

reflektierenden Flächen 12 und 13 angeordnet, während 35 die bevorzugte.

im Raum zwischen den Flächen U und 12 ein transpa- Zweckmäßig besitzt jede reflektierende Endfläche

rentes, inertes Medium, z. B. Luft oder Vakuum vor- des optischen Hohlraumresonators, die auch eine

handen ist. Die Flächen 12 und 13 können durch Seite eines leeren Zwischenraumes begrenzt, ein

direktes Aufdampfen dünner Silberfilme od. dgl. auf Reflexionsvermögen, das wenigstens ebenso gut ist

die planen Stirnflächen des Stabes 15 gebildet sein. 40 wie das der zugehörigen inneren reflektierenden

Eine Anregungslichtquelle 16 umgibt den Stab 15. Die Fläche, die die andere Seite desselben Zwischenraumes

selektive Fluoreszenz wird eingeleitet, wenn die An- begrenzt. So ist beim optischen Sender oder Ver-

regungsenergie eine Besetzungs-Umkehr im Energie- stärker 10 nach Fig.l die Fläche 11 vollständig

term-System des Stabes 15 erzeugt. reflektierend, ihr Reflexionsvermögen ist daher größer

Optische Sender oder Verstärker bisher bekannter 45 als das der inneren Fläche 12, die teildurchlässig ist.

Art, bei denen ein Resonator nach Art des Fabry- Es sei jedoch bemerkt, daß die Eigenschwmgung-Aus-

Perot-Interferometers benutzt wird, sind durch zahl- sonderungseigenschaften nicht dadurch verbessert

reiche Schwingungseigenwerte gekennzeichnet, von werden, wenn die Fläche 11 besser reflektiert als die

denen man die Anregung einiger unterdrücken möchte. Fläche 12. Optimale Bedingungen für die Schwin-

Solche Eigenwerte neigen im Anregungsfall dazu, die 50 gungseigenwert-Aussonderung erfordern lediglich, daß

Güte des optischen Senders oder Verstärkers herabzu- die Fläche 11 zunächst gleich gut reflektiert wie die

setzen, und sie sind immer dann störend, wenn die Fläche 12; es sind andere Überlegungen, die bestim-

stimulierte Emission in einem Frequenzband erfolgt, men, ob ihr Reflexionsvermögen tatsächlich größer ist

das breiter ist als etwa (2nd)'¹ Weilenzahlen, wenn η als die der Fläche 12.

der Brechungsindex und d der Abstand zwischen den 55 Beim optischen Sender oder Verstärker 20 nach

reflektierenden Enden des selektiv fluoreszenten Me- F i g. 2 begrenzen die reflektierenden Flächen 21 und

diums ist. Man nimmt an, daß diese Eigenwerte die 24 den gesamten Hohlraumresonator. Leere Zwischen-

Ursache für verschiedene Feinstrukturarten sind, die räume werden durch die Flächen 21 und 22 und durch

im kohärenten Ausgangslicht beobachtet wurden. Der die Flächen 23 und 24 begrenzt. Die Fläche 21 reflek-

Weg, d kleiner zu machen, um die Anregung uner- 60 tiert vollständig, während die Fläche 22 teildurchlässig

wünschter Eigenwerte zu vermeiden, befriedigt nicht, ist. Daher ist das Reflexionsvermögen der Fläche 21

und zwar in erster Linie, weil dadurch auch die Größe wenigstens gleich gut wie das der Fläche 22. Die reflek-

des selektiv fluoreszenten Mediums herabgesetzt wird tierenden Flächen 23 und 24 am anderen Ende des

und damit auch die Verstärkung. optischen Senders oder Verstärkers 20 sind beide teil-

Eine Unterdrückung von der Anregung bestimmter 6g durchlässig. Wiederum ist aber das Reflexionsver-

Eigenwerte wird bei dem optischen Sender oder Ver- mögen der Endfläche 24, die die eine Seite des anderen

stärker 10 durch Hinzufügen einer zusätzlichen reflek- leeren Zwischenraumes definiert, wenigstens ebenso

tierenden Fläche zu der bekannten Fabry-Perot-Reso- gut wie das der Fläche 23.

Claims

5 6

Die erflndungsgemäßen Besonderheiten können an den Eigenschwingungen des Resonators r& gleich oder

Hand der F i g. 3 verständlich gemacht werden, die größer sein sollte als r_a.

eine zweidimensional* schematische Darstellung eines _{E gei d bestimmtes Bei iel mit} «l optischen Senders oder Verstärkers mit vier reflektie- * η 5 renden Flächen zeigt. Das selektiv fluoreszente 5 fe = 10 und T = 0,02 betrachtet. Die entsprechen-Medium, angedeutet durch den schraffierten Bereich den Reflexionswerte sind r_a = 0,82 und r& = 0,96. bei — a < ζ < α, ist gekennzeichnet durch eine reelle Die Dämpfung der bevorzugten Eigenschwingung ist Dielektrizitätskonstante ε > 1 und eine reelle Leitfähigkeit σ. Für |z|>e wird angenommen, daß χ_ηίη = — 0,002 ε — 1 und σ = 0 sind. Reflektierende Flächen sind bei io während
ζ — ± α, ±b angeordnet und besitzen Reflexions- χ_Μαχ = —0,2, Koeffizienten r_a und rb- ist.

Wenn In F i g. 4 ist das Eigenschwingungs-Spektrum der in

Vß — ι F i g. 3 gezeigten Anordnung, verglichen mit dem

_fa — ,. ...— _{15 e}j_ner Anordnung ohne reflektierende Flächen bei ± b,

V^s + 1 gezeigt. Die Dämpfung im Falle zweier Flächen

und (F i g. 4a) ist für alle Schwingungsformen gleich:

η = e-v _χ

ist, kann man mit ₂₀ X ⁼ ^=" ~ — 0,1.

T = tanh(/),

Die Höhe der Spektrallinien in F i g. 4 ist propor- _ (1 — />) j

~ ~"fi _l _rλ tional -^ und gibt das relative Q für jede Eigen-

j 25 schwingung an. Die Höhenwerte in Fig. 4b sind

gegenüber den in F i g. 4 a gezeigten vergrößert darge-

1 _ (1 — r_a) stellt, so daß die beiden Spektren nicht unmittelbar

l/^T (1 + r_a) ' verglichen werden können. Die Höhe der Linien in

' F i g. 4b zeigt, daß die Dämpfungswerte in ausge-

Es ist dann möglich, beliebige Reflexions-Eigen- 3o wählten Eigenschwingungen gegenüber denen der

schäften bei ζ — ± a, ± b durch geeignete Wahl für T bevorzugten Eigenschwingungen erhöht sind. Es sollte

^_nA ¹ ;™ Boravii T^r, π uio 1 -^, u_a*™„u*_a außerdem beachtet werden, daß in der Grundperiode

und y=- im Bereich von 0 bis 1 zu betrachten. ^ . _{g 4b mehr} Eigenschwingungen vorhanden sind

Weiterhin soll die Kreisfrequenz ω der Lichtwellen als in Fig. 4 a, weil der gesamte optische Resonator im Resonator reell sein, und σ soll einen geeigneten 35 der Vier-Flächen-Anordnung länger ist als bei der negativen Wert annehmen. Wenn jetzt die Dirnen- Zwei-Flächen-Anordnung. Die zusätzlichen Eigensionen so gewählt werden, daß schwingungen sind jedoch solche mit größerer Dämp-

^ * bifl dh d h Ebi

(b — d\ = ma\(s ^^un^ ^un(* beeinflussen daher das gewünschte Ergebnis

' nicht. Die Periodizität des in Fig.4b gezeigten

gilt, wobei m und η positive ganze Zahlen sind, kann 4° Spektrums ergibt sich durch die Wahl einer ganzen

au Hand einer Berechnung des elektromagnetischen _{Zam f} n_ _{Die Periodizität ist nicht vorhandeilj}

Feldes im Resonator gezeigt werden, daß fur die bevor- m '

zugte, also angeregt werdende Eigenschwingung der _wenn JL _nj_cht ganzzahlig ist, aber dann ist immer

geringsten Dämpfung ^m

_T 45 noch eine bevorzugte Eigenschwingung mit minimaler

£_mim = Dämpfung vorhanden. Die beste Unterdrückung uner-

]/ε wünschter Eigenschwingungen wird erzielt, indem

ist wobei ^{man setzt} b — am (2Av)~\ wobei Δ ν die Halbwerts-

2 π σ α \ Breite der stimulierten Emissionslinie des Mediums ist.

——-) 5°

/ 2 π σ α \ χ = tanh ——-) 5°

^{V C}P ι Patentansprüche:

ein Maß für die Dämpfung ist. Für die Eigen- 1· Optischer Sender oder Verstärker, bestehend

schwingungen der größten Dämpfung gilt aus einem optischen Resonator mit planparallelen

55 reflektierenden Spiegelflächen, von denen wenig-

%max = —Τ~γε, (ε T² < 1) stens eine teilweise durchlässig ist, aus einem innerhalb des Resonators angeordneten selektiv fluo-

y_max = 1 uji _> j) reszenten Medium und einer auf das selektiv fluo-

^max J¹T^T ' reszente Medium einwirkenden Anregungslicht-

-r-j _w 6o quelle, dadurch gekennzeichnet, daß

^{er e} wenigstens eine ebene, teilweise reflektierende, teil-

„ _ χ weise durchlässige innere Spiegelfläche (12; 22, 23)

~~ χ_η{η im optischen Resonator in axialem Abstand von

den äußeren Spiegelflächen (11, 13; 21, 24) und

sei das »Aussonderungsverhältnis« genannt. Dann ist 65 parallel zu ihnen angeordnet ist und daß die

R_max gleich e oder gleich ±-, das immer kleiner ist. ^äuße™ ™d inneren Spiegelflächen eine Vielzahl

T^% ' von Abschnitten bzw. Zwischenräumen m dem

Daraus folgt, daß für optimale Aussonderung unter Resonator begrenzen, wobei das selektiv fluo-

reszente Medium (15) einen der Zwischenräume ausfüllt.
2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine äußere Spiegelfläche (H₃ 13) des optischen Resonators ebenso gut reflektiert wie die innere Spiegelfläche (12).
3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen im optischen Resonator im wesentlichen gleich dem Kehrwert der Breite der stimulierten Emissionslinie in Wellenzahlen ist.
4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen des optischen Resonators, dessen Länge im wesentlichen gleich dem Kehrwert der Breite der stimulierten Emissionslinie in Wellenzahlen ist, kein selektiv fluoreszentes Medium enthält.
5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste (22) und zweite (23) innere ebene Spiegelfläche im optischen Resonator angeordnet ist, die beide einen axialen Abstand von den äußeren Spiegelflächen (21, 24) aufweisen und parallel zu ihnen verlaufen, daß die inneren Spiegelflächen und wenigstens eine der äußeren Spiegelflächen für die auszustrahlenden Lichtwellen teilweise durchlässig sind, daß die äußeren und die inneren Spiegelflächen drei Zwischenräume im optischen Resonator bilden und daß das stimulierbare Medium (15) den mittleren Abschnitt des Resonators ausfüllt.
6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren, kein stimulierbares Medium enthaltenden Abschnitte Längen aufweisen, die im wesentlichen gleich dem Kehrwert der Breite der Emissionslinie in Wellenzahlen ist.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Spiegelflächen (21, 24) wenigstens ebenso gut reflektieren wie die ihnen benachbarten Spiegelflächen (22, 23).
20

In Betracht gezogene Druckschriften:
Physical Review Letters, Bd. 6, Nr. 10 vom 15. 5. 1961, S. 528 bis 530;

Journal of the SMPTE, Bd. 70, Mi 1961, S. 509 bis 511.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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