DE1207499B - Optischer Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT Int. Cl.:

HOIs

Deutsche KL: 2If-90

AUSLEGESCHRIFT '·***· 1207499

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

W 33396 VIII c/21f
26. November 1962
23. Dezember 1965

'■ 4 4

Die Erfindung betrifft Verstärker mit stimulierbaren Medien, insbesondere einen optischen Verstärker zur Verstärkung elektromagnetischer Wellen des infraroten, sichtbaren und ultravioletten Frequenzbereiches.

Einrichtungen zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen dieses Frequenzbereiches, der nachfolgend zusammenfassend als optischer Bereich bezeichnet wird, sind in der USA.-Patentschrift 2 929 922, A.L. Schaw-Iow et al., beschrieben. Solcherart erzeugte Wellenenergie ist durch hohe Monochromasie und Kohärenz gekennzeichnet. Wegen der sehr hohen Frequenz in diesem Bereich ist die Möglichkeit gegeben, außerordentlich viele Informationen übertragen zu können. Wellen des optischen Frequenzbereiches sind daher als Trägerwellen für die Nachrichtenübertragung besonders geeignet. Jedoch hängt die Ausnutzung dieser gegebenen Möglichkeit neben anderem von der Verfügbarkeit über Einrichtungen zur Verstärkung der Wellenenergie bei diesen sehr hohen Frequenzen ab.

Die Erfindung ist daher allgemein auf Verstärkung optischer Wellen gerichtet.

Es wurde schon vorgeschlagen, die Prinzipien des selektiv fluoreszenten optischen Oszillators zum Erzeugen einer Verstärkungswirkung zu benutzen. Bei einer derartigen Anordnung geht Wellenenergie (Licht) durch ein stimulierbares Medium, in dem in zwei verschiedenen Energiezuständen des Energiezustandsdiagramms eine nicht im Gleichgewicht befindliche Besetzungsverteilung vorhanden ist. In einem optisehen Sender oder Verstärker werden jedoch sowohl vorwärts als auch rückwärts laufende Wellen verstärkt. Daher ist bei NichtVorhandensein einer nicht reziproken Dämpfung die maximal zulässige Verstärkung eines derartigen Verstärkers durch die Eingangs- und Ausgangsanpassungen begrenzt. Um insbesondere unterhalb der Schwinggrenze zu bleiben, ist es

notwendig, daß die Verstärkung geringer als -=- ist,

wenn R der Bruchteil der an den Anpassungen reflektierten Energie ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, elektromagnetische Wellen in einem optischen Laufwellenverstärker stabil zu verstärken, wobei sowohl die Verstärkung als auch die reflektierte Energie beliebig groß gemacht werden können.

Bei einem üblichen optischen Verstärker mit stimulierbarem Medium haben die vorwärts und rückwärts laufenden Wellen dieselbe Frequenz. Wenn die Länge des stimulierbaren Mediums richtig gewählt wird, addieren sich die Wellen in Phase, und es können Schwingungen entstehen.

Optischer 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:

Arthur Ashkin, Bernardsville, N. J.;

Ping King Tien,

Chatham Township, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 23. Februar 1962 (175 101)

Der Erfindung liegt im wesentlichen folgende Erkenntnis zugrunde:

Wird in das stimulierbare Medium eine Ultraschall-Laufwelle eingeführt, so werden eine Vielzahl wandernder Unstetigkeiten im stimulierbaren Medium erzeugt, an denen die elektromagnetischen Wellen reflektiert werden. Die reflektierten elektromagnetischen Wellen werden jedoch wegen der wandernden Reflexionsstellen in der Frequenz verschoben (Dopplereffekt), so daß, ohne Rücksicht darauf, wie oft die Wellenenergie das angeregte Medium durchläuft und ohne Rücksicht auf die resultierende Gesamtverstärkung, Schwingungen im üblichen Sinne nicht auftreten können. Somit wird ein solcherart aufgebauter Verstärker unbedingt stabil sein und von sich aus ein nicht reziprokes Verhalten zeigen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das verstärkte Ausgangssignal in der Frequenz gegenüber dem Eingangssignal um einen Betrag verschoben ist, der im wesentlichen gleich einem ganzen Vielfachen der Frequenz der Ultraschallwellen ist. Wegen der außerordentlich hohen Frequenz der Signalwelle ist diese Frequenzverschiebung jedoch verhältnismäßig klein.

Demgemäß ist die Erfindung gerichtet auf einen optischen Verstärker mit einem stimulierbaren angeregten Medium, und die Erfindung besteht darin, daß eine Modulation des zu verstärkenden kohärenten Eingangslichtes mittels Ultraschall erfolgt.

509 759/242

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- und zwar mit Hilfe eines ersten, optisch absorbierenden

nungen beschrieben; es zeigt Teiles 14, z. B. aus schwarzem Saphir, und eines

F i g. 1 eine erste Ausführungsform, zweiten, ultraschallabsorbierenden Teiles 15, der z. B.

F i g. 2 die Energie- und Frequenzkomponenten der ein Rubinkeil, dessen Oberflächen aufgerauht sind, zu verstärkenden Signalwelle am Eingangsende des 5 sein kann,

stabförmigen stimulierbaren Mediums, Dem Stab 10 wird durch eine Öffnung 16 im Hohl-

F i g. 3 die Lage der verschiedenen Signalkompo- raum 11 die Eingangslichtwelle mit der Signalfrequenz nenten gegenüber der Fluoreszenzlinie des optischen zugeführt (Pfeil 17). Die den Stab 10 verlassende, verVerstärkers, stärkte Signallichtwelle tritt durch die öffnung 16

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform, io wieder aus (Pfeil 18). Das Ausgangslicht kann dann

F i g. 5 eine abgewandelte Anordnung, bei der durch irgendein bekanntes Mittel ausgekoppelt werden.

Signalwelle und Ultraschallwelle unter einem Winkel Zum Beispiel kann hierzu ein Zirkulator verwendet

zueinander orientiert sind, und werden, der aus einem Eingangspolarisator, einem

F i g. 6 eine weitere Anordnung, bei der die reflek- Polarisationsseparator, wie er auf S. 492 von »Fundatierende Oberfläche des stimulierbaren Mediums ig mentals of Optics« von F. A. Jenkins und H. E. gegenüber der Ultraschallwellenfront geneigt ist. White dargestellt ist, und einem Faraday-Rotator

F i g. 1 zeigt zur Erläuterung eine schematische Dar- besteht. Der Polarisationsseparator läßt die einfallende stellung eines optischen Verstärkers entsprechend dem Polarisation durch, die durch den Eingangspolarisator Prinzip der Erfindung. Für einen optischen Verstärker hergestellt ist und die dann vor dem Eintritt in den ist es kennzeichnend, daß er ein Medium verwendet, in 20 Verstärker durch den Faraday-Rotator um 45° gedreht dem wenigstens intermittierend in zwei verschiedenen wird. Die verstärkte Ausgangswelle, die in derselben Energiezuständen des Energiezustandsdiagramms eine Richtung polarisiert ist, geht durch den Faradaynicht im Gleichgewicht befindliche Besetzungsver- Rotator und dreht sich um zusätzliche 45° im selben teilung vorhanden ist. Im einzelnen ist dabei die Be- Sinn wie die einfallende Welle, so daß eine Gesamtsetzungsdichte des höheren der beiden ausgewählten 25 drehung von 90° entsteht. Diese Polarisationsrichtung Energiezustände größer als diejenige des niedrigeren. geht nicht durch den Polarisationsseparator, sie wird Zuweilen wird ein derartiger Ungleichgewichtszustand vielmehr von der Signalquelle weg reflektiert,
als »negative« Temperatur bezeichnet. Wenn man dann Zur Anregung des stimulierbaren Mediums wird der dem Medium, das sich in diesem Zustand »negativer« Stab 10 einer (nicht dargestellten) Anregungslicht-Temperatur befindet, ein Signal mit einer Frequenz zu- 30 quelle ausgesetzt, die um den Stab herum angeordnet führt, die der Energiedifferenz zwischen diesen beiden ist. Dies ist durch die auf den Stab 10 gerichteten Energiezuständen entspricht, so wird im Medium eine Pfeile 19 angedeutet. Es kann auch eine vom Ende Strahlungsemission mit eben dieser Signalfrequenz aus- des Stabes her wirkende Anregung benutzt werden,
gelöst oder stimuliert. Die stimulierte Strahlung be- Bei NichtVorhandensein einer Ultraschallwelle läuft findet sich in Phase mit der Eingangswelle und ist 35 die einfallende Signallichtwelle (d. h. der Lichtstrahl) kohärent. Auf diese Weise findet eine Verstärkung des ' durch den Stab 10 und wird am optischen Abschluß 14 Eingangssignals statt. absorbiert. Bei Vorhandensein einer Ultraschallwelle

Der Verstärker der F i g. 1 enthält einen langge- ^wird jedoch praktisch das gesamte einfallende Licht

streckten Stab 10, der das stimulierbare Medium am Ultraschallwellenzug reflektiert. Das reflektierte

bildet, dessen Abstände der zu dieser selektiven Fluo- 4° Licht hat die Frequenz

reszenz führenden Energiezustände den Frequenzen im f — f — f η\

interessierenden Bereich entsprechen. Zur Erläuterung ■^{/z Jl Jac}' ^w

ist der interessierende Bereich so gewählt, daß er in den wenn /_x die Frequenz des einfallenden Lichtes, /₂ die

Bereich des sichtbaren Lichts fällt, für den ein Rubin- Frequenz des reflektierenden Lichtes und fac die

Material, wie es von A. L. S c h a w 1 ο w in der Arbeit 45 Frequenz der akustischen Welle ist.

»Fine Structure and Properties of Chromium Fluo- Bei Vorhandensein der Ultraschallwelle, die nach-

rescence in Aluminium and Magnesium Oxide« in folgend kurz als »akustische« Welle bezeichnet wird,

ADVANCES IN QUANTUM ELECTRONICS, wird daher gleichfalls kein Licht mit der Frequenz Λ

Columbia University Press, New York, 1961, S. 50 bis reflektiert.

64, beschrieben ist, mit Vorteil verwendet wird. 50 Die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Ver-

Das eine Ende des Stabes 10 erstreckt sich in einen stärkers wird verständlich, wenn man sich vergegen-

leitend begrenzten Hohlraum 11, der so abgestimmt wärtigt, daß die entlang des Stabes 10 fortschreitende

ist, daß er bei der Frequenz der Ultraschallwelle in akustische Welle eine sinusförmig sich ändernde Kom-

Resonanz kommt, die in den Stab 10 eingeführt werden pressionswelle entlang des Stabes erzeugt. Dies ist

soll. Wie die Ultraschallfrequenz ausgewählt wird, 55 durch die gestrichelten Linien 20 angedeutet, die die

wird nachfolgend noch eingehender erläutert werden. fortschreitenden Fronten maximaler Kompression,

Der Hohlraum 11 wird mit Hilfe einer Quelle elektro- also maximaler Dichte darstellen sollen. Der Brechungsmagnetischer Wellenenergie 12 erregt. Die Kopplung index und damit die Dielektrizitätskonstante des zwischen der elektromagnetischen Energie im Hohl- Stabes 10 ändern sich daher entsprechend den Dichteraum 11 und der akustischen Welle im Stab 10 erfolgt 60 änderungen periodisch nach Zeit und Ort. Dementmit Hilfe eines Wandlers, der einen Aufsatz 13 aus sprechend kann der akustisch erregte Stab 10 als verpiezoelektrischem Material, z.B. Quarz, oder aus teilte Reaktanz betrachtet werden, die sich mit Zeit und einem anderen geeigneten, Ultraschallwellen erzeugen- Ort sinusförmig ändert. Eine eingehende Unterden Material aufweist. Der Aufsatz 13 ist am Ende des suchung der Benutzung einer derartigen, sich zeitlich Stabes in einem Gebiet hoher elektrischer Feldstärke 65 und räumlich ändernden Reaktanz als Mittel zur im Hohlraum 11 angeordnet. Kopplung zweier fortschreitender elektromagnetischer

Das entgegengesetzte Ende des Stabes 10 ist sowohl Wellen findet sich in einem Aufsatz mit dem Titel

optisch als auch »akustisch« angepaßt abgeschlossen, »Parametric Amplification and Frequency Mixing in

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Propagating Circuits« von P. K. Ti e η, veröffentlicht Wenn Paus in Gleichung (7) viel kleiner als die

im Journal of Applied Physics, Bd. 29, Nr. 9, Sep- Energie ist, welche die Anregungsquelle liefern kann, tember 1958, S. 1347 bis 1357. Diesem Aufsatz kann um die Inversion der Besetzungsverteilung im Stab 10 mit Hilfe einer Analogiebetrachtung die mathematische aufrechtzuerhalten, liegt der Verstärker ausreichend Theorie der parametrischen Wechselwirkung einer 5 unterhalb der Sättigung. Die Verstärkung kann beliebig elektromagnetischen Welle (z. B. einer Lichtwelle) und groß gemacht werden, indem stärker angeregt oder die einer akustischen Welle, wie diese bei der Erfindung Einrichtung länger ausgeführt wird. Wegen der durch ausgenutzt wird, entnommen werden. die reflektierte Lichtwelle hervorgebrachten Frequenz-

Beim Betrieb wird ein Teil der unter der Frequenz f_x verschiebung treten Schwingungen nicht auf, und zwar eintretenden Lichtenergie an der Eingangsendfläche io ohne Rücksicht auf die im Einzelfall vorhandenen des Stabes reflektiert. Wenn R den Reflexionskoeffi- Werte der Verstärkung und von R.
zienten darstellt, der gleich dem am Eingangsende des Der F i g. 3 ist ferner zu entnehmen, daß der VerStabes reflektierten Bruchteil der Eingangslichtenergie Stärkungsfaktor innerhalb eines gewissen Frequenzist, und wenn P₁ die gesamte Eingangslichtenergie ist, bereiches im wesentlichen konstant gemacht sein kann, dann tritt der Betrag P₁ (1 — Pv) in den Stab ein. Unter 15 wenn die Signalfrequenz so gewählt wird, daß sie in den dem Einfluß des Anregungslichtes wird der in den Mittelbereich der Fluoreszenzkennlinie fällt, und f_ac Stab eintretende Teil des Eingangslichtes, Energie mit- viel kleiner als δ gewählt wird, da die Höhe der Fluotels stimulierter Emission, verstärkt. Der akustische reszenzkennlinie in diesem Frequenzbereich etwa kon-Wellenzug im Stab bewirkt, daß die Eingangslicht- stant ist.

energie reflektiert wird. Sie erscheint daher wieder am 20 Wenn man den Verstärkungsfaktor in diesem Be-Eingangsende des Stabes 10 als Lichtenergie reich mit g bezeichnet, so kann offenbar, wenn g groß

genug ist, die Größe gR größer als Eins sein und die

P% — PiQ- — R) G₁₂, (2) Energie aufeinanderfolgender Reflexionen zunehmen.

Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis g wegen der

wobei G₁₂ die resultierende Gesamtverstärkung bei der 25 hierbei auftretenden suksessiven Frequenzverschiebung Frequenz Z₁ in Vorwärtsrichtung und bei der Frequenz abzunehmen beginnt. Diese Abnahme findet deswegen

f _(f _ f \ (2) statt, weil die den aufeinanderfolgenden »Frequenz-

^{u Ul Jac) y} ' arbeitspunkten« je zugeordnete Höhe der Glocken-

in Rückwärtsrichtung ist. kurve, zu der der Verstärkungsfaktor, wie erwähnt,

Ein Bruchteil P₂ R der Lichtenergie der Frequenz /_{2 30} proportional ist, bei dem Auswandern des »Arbeits-

wird am Eingangsende in den Stab 10 reflektiert, wird punktes« zu den Glockenflanken hin abnimmt. Von um G₂₃ verstärkt und erscheint am Eingang als Wert einer bestimmten Stelle aus ergeben daher aufeinander-

p ρ η T>\ η r /- fA\ folgende Reflexionen eine Energieabnahme. Daher

wird die dem höchsten Leistungsausgang zugeordnete

mit der Frequenz 35 Reflexion als das verstärkte Nutzausgangssignal der

f —ff _ j f \ (<\ Einrichtung ausgewählt.

Ja Ui ^Jac). <,·>) Für jeden Verstärker gibt es ein optimales P., das

Dieser Vorgang wird fortgesetzt, wie es in F i g. 2 eine maximale Verstärkung liefert. Zum Beispiel kann angedeutet ist. Diese Figur zeigt die Lichtenergie- und nach vier Reflexionen bei gleicher Verstärkung g der Frequenzbeziehungen am Eingangsende des Stabes 10. 40 Energieausgang

Die Ausgangslichtenergie Paus, die insgesamt aus ρ =p g*R*n—R)* (8)

dem Verstärker austritt, ist daher die Summe der Reihe

dadurch optimal gemacht werden, indem
P₂(l-i?) + P₃(l-P0 + P₄(l-P0+... (6) ^₀₆

oder ⁴⁵ '

gewählt wird. Hierdurch ergibt sich für

Paus = P₁(I-A)²G₁₂[I + G₂₃R + G₂₃G₃ZR* +...], 1

₍₇₎ Ä-a-iO«--3ö-. (10)

wobei Gnm der Verstärkungsfaktor für die aufeinander- 50 Wenn die Verstärkung je Reflexion g = 10 beträgt, folgend reflektierten Wellen ist. dann ist nach vier Reflexionen die Gesamtverstärkung

Offensichtlich ist das Verhalten des Verstärkers gleich; 330. Man erkennt, daß es in diesem besonderen durch die aufeinanderfolgenden Verstärkungsfaktoren Fall wäasschenswert ist, einen großen Reflexions-G12, G₂₃ · · · und durch R, dem Bruchteil der am Ein- koeffizietrt (i? = 0,6) am Eingang zu haben und nicht gang des Stabes 10 reflektierten Energie, bestimmt. 55 einen kleinen Reflexionskoeffizient, wie es bei einem

F i g. 3 zeigt die glockenförmig verlaufende Fre- reziproken Verstärker wünschenswert sein kann,
quenzkennlinie des optischen Verstärkers. Aus dieser In dem Fall, daß zahlreiche Reflexionen mit, roh

ist zu ersehen, daß die aufeinanderfolgenden Ver- gesprochen, gleicher Verstärkung g auftreten, hat die Stärkungsfaktoren verschiedene Größen haben. Sie Einrichtung einige interessante Sättigungseigenschafsind abhängig von der Frequenzlage innerhalb der 60 ten. Wenn z. B. das Eingangssignal erhöht oder die Glocke (oder Fluoreszenzlinienbreite), unter der die Anregungsenergie so weit herabgesetzt wird, daß die Eingangslichtenergie eingeführt wird, ferner von der Summe der aufeman$erfqjgend reflektierten Energierelativen Größe der Ultraschallfrequenz/_oc und von betrage die Tendenz hat, größer als die verfügbare der Fluoreszenzlinienbreite δ. So fallen gegebenenfalls Energie zu werden, muß siek offenbar die Verstärkung die Verstärkungsfaktoren (die der Höhe der Fluo- 65 von selbst auf einen niedrigen Wert einstellen. Insbereszenzlinie proportional sind) ab, wenn die Frequenz sondere gibt es einen Betriebsbereich, in dem sich die bei aufekMBMierfolgenden Reflexionen sukzessive ver- Verstärkung selbst auf einen Wert begrenzt derart, daß schoben wird. das Produkt gR etwas kleiner als Eins ist. Daher ent-

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stehen keine aufeinanderfolgenden Reflexionen (und fallende Licht der Frequenz f_x tritt am linken Ende des

ein Überschreiten der verfügbaren Energie). Unter Kristallstabes 40 ein, durch den ankommenden akusti-

diesen Sättigungsbedingungen nehmen die aufein- sehen Wellenzug reflektiert, und erscheint dann am

anderfolgenden Terme der Ausgangsreihe, die durch linken Ende des Stabes 40 mit einer Frequenz

die Gleichung (7) gegeben sind, langsam ab, bis sie bei 5 / = / + f_ac (12)

einer Frequenz vernachlässigbar sind, wo die Ver- ²

Stärkung g noch konstant ist. Paus ist dann eine konver- Die aufeinanderfolgenden Reflexionen verschieben

gente geometrische Reihe, deren Summe (unter Ver- allmählich die Frequenz der reflektierten Lichtenergie

nachlässigung der Verluste) gleich der verfügbaren nach oben, so daß nach m Reflexionen die Ausgangs-Energie sein muß. Das heißt io frequenz /₀ gegeben ist durch

P₁ g (I ~-K)² fo-fi + mfac (13)

•raus = *verfügbar· (.-L-U

* Die Frequenz der akustischen Welle wird so gewählt,

Jede Änderung der Gleichheit, die entweder durch daß sich die aufeinanderfolgenden Lichtreflexionen am

Ändern der Eingangsenergie P₁ oder des Wertes der 15 akustischen Wellenzug in Phase addieren, so daß eine

verfügbaren Energie (durch Ändern der Anregungs- monoton zunehmende reflektierte Welle entsteht.

energie) bewirkt wird, ist von einer geringen Änderung Wenn das einfallende Licht und die akustische Welle

der Größe gR begleitet, die jedoch nahe bei Eins bleibt. in derselben Richtung fortschreiten, addieren sich die

Bei einem Verstärker dieser Art, der bei Sättigung reflektierten Lichtkomponenten in Phase, wenn

arbeitet, wird das Signal nach der ersten Reflexion ent- 20

nommen. Die Verstärkung g bleibt in einem großen fr = ft — fac (14)

Bereich der Eingangssignalwerte und der Anregungs- und

energieänderungen etwa gleich -—. Während bei einem Pr = pt — pac (15)

optischen Verstärker bisheriger Art die Verstärkung 25 ist. Wenn das einfallende Licht und die akustische

auf diesen Wert als obere Grenze beschränkt ist, muß Welle in entgegengesetzten Richtungen eingeführt

er in der Praxis unterhalb dieses Verstärkungswerts werden, entsteht eine Addition in Phase, wenn

arbeiten, um »wilde« Schwingungen zu vermeiden.

Ferner istjdie Verstärkung eines Verstärkers bisheriger ft — fi + fac (16)

Art von Änderungen der Amplitude der Anregungs- 30 und

energie abhängig. ß_r=ß_i + ß_ac (17)

Beim Aufbau eines erfindungsgemäßen Verstärkers

ist es notwendig, die Fluoreszenzlinienbreite δ (die eine ist. Hierin bedeuten f_ac und ßac die Frequenz bzw. Funktion des Materials und seiner Betriebstemperatur Phasenkonstanten der akustischen Welle, fi und ß% die ist) zu kennen und die Frequenz der akustischen Wellen 35 Frequenz bzw. Phasenkonstanten der einfallenden so auszuwählen, daß bestimmte Phasenbeziehungen Lichtwelle und der am Eingangsende des Kristallstabes erfüllt sind, die unten eingehender erläutert werden. reflektierten aufeinanderfolgenden elektromagnetischen Als Beispiel soll die akustische Frequenz für einen Ver- Wellen und f_r und ß_r die Frequenz bzw. Phasenkonstärker mit Rubin als das Material des stimulierbaren stanten der durch die akustische Welle reflektierten Mediums berechnet werden. Da akustische Wellen 40 elektromagnetischen Wellenenergie sind,
hoher Frequenz bei Raumtemperatur schnell gedämpft Eine vollständige Reflexion wird für Werte von β werden, wird der Rubinstab vorteilhafterweise bei der erreicht, die entweder der Gleichung (15) oder (17) Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder noch tieferer genügen, je nach den Fortpflanzungsrichtungen der Temperatur betrieben, und zwar zumindest an dem einfallenden Lichtwelle und der akustischen Wellen. Ende, an dem die akustische Welle in den Rubinstab 45 Das Reflexionsvermögen nimmt ab, wenn β von den eingeführt wird. Eine Anordnung hierfür ist in F i g. 4 durch diese Gleichungen gegebenen Werten abweicht, dargestellt. Demgemäß stellen die Gleichungen (15) und (17) eine

Die Ausführung der F i g. 4 ist im wesentlichen die bevorzugte Bedingung dar. Es sei bemerkt, daß bei

gleiche wie die Ausführung der F i g. 1, abgesehen da- einem Verstärker, bei dem eine Vielzahl aufeinander-

von, daß die akustische Welle und die Lichtwelle in den 50 folgender Reflexionen an der akustischen Welle auf-

stimulierbaren Stab von entgegengesetzten Enden her treten, die Gleichungen (15) und (17) vorzugsweise für

eingeführt werden. Der Verstärker weist einen Stab 40 jede aufeinanderfolgende einfallende Welle und für

aus einem stimulierbaren Material (z. B. Rubin) auf, jede aufeinanderfolgende Reflexionswelle erfüllt sind,

dessen eines Ende in den Hohlraum 41 hineinragt, der Die durch die Gleichungen (14) und (16) gegebene

mit der Frequenz der akustischen Welle angeregt wird. 55 Frequenzbeziehung wird andererseits automatisch

Das Ende des Stabes 40 im Hohlraum 41 wird mit erfüllt.

Hilfe eines lichtabsorbierenden Materials 42 und eines Um die ^-Bedingungen für jedes gegebene Medium

Wandlers 43 abgeschlossen, um die Kopplung zwischen zu erfüllen, wird die Frequenz der akustischen Welle

der Lichtwellenenergie im Hohlraum 41 und der so gewählt, wie es in dem nachfolgenden Beispiel

akustischen Welle im Stab 40 zu erhalten. Die gesamte 60 erläutert ist.

Hohlraumanordnung wird von einem Dewar-Gefäß 44 Da /j und f_r in der Frequenz nur um einen kleinen aufgenommen und auf der Temperatur von flüssigem Betrag voneinander abweichen, haben ßi und ß_r etwa Stickstoff (T = 77°K) gehalten. Die akustische Welle die gleiche Amplitude und sind gegeben durch
wird in der dargestellten Weise von rechts in den abgekühlten Teil des Stabes 40 eingeführt. Wenn die akusti- 65 . . . . 2 π _ 2 π η
sehe Welle in den wärmeren Teil des Stabes eintritt, I Pr | ^ | p* | = ~
wird sie allmählich gedämpft und schließlich im linken
Ende des Stabes 40 vollständig absorbiert. Das ein- wobei !Rubin die Wellenlänge der Lichtwelle im Rubin,

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η der Brechungsindex von Rubin (= 1,76) und I₀ die bestimmt ist. Dadurch, daß der größere Teil des Stab-Wellenlänge der Lichtwelle im Vakuum ist. endes praktisch totalreflektierend ist, wird die reflek-Daher ist für die Ausführung nach F i g. 4 tierte Wellenenergie, die auf das Stabende infolge ο —2β· (19) ^der aufeinanderfolgenden Reflexionen auftritt, im ρ ac — pi, ν 5 wesentlichen ganz wieder in den Verstärker eingeführt, ferner folgt aus Gleichung (18) _so daß eine größere Ausgangsenergie in einem ver-

^₀ hältnismäßig kurzen Stab erzeugt wird. Das verstärkte

^^{ac =} Tn^' (^ Licht wird über ein zweites Gebiet 52 niedrigen

Reflexionskoeffizienten entnommen.

FürRubinist^₀f«7000Äunddaher^_ac = 2-10-^Bcm. ₁₀ Bei einer Anordnung, bei der die Fortpflanzungs-

Da richtungen des Lichtes und der akustischen Wellen

fac %ae = Vac (21) nicht parallel sind, müssen die Ausdrücke ß als

ist, wobei fac die Frequenz der akustischen Welle, ^Vektorgrößen ausgedrückt werden. Das heißt

Iac die Wellenlänge der akustischen Welle im Rubin ßr —ßt ± ~ßac, (24)

und vac die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akusti- ¹⁵ , ^₁ . , ,.„ . ,

sehen Welle sind, so erhält man mit ^und Gleichung (20) w,rd zu

voc = 3 · 10⁶ cm/sec (Schallgeschwindigkeit in Rubin) χ.. — ^2 (25)

(22) ^2nCOS&'

2o Offensichtlich können durch Änderung des Win-

für die Frequenz der akustischen Welle kels Θ die akustische Frequenz und die Anzahl der

f 1 <; mn mh, nx\ Reflexionen in einem gewissen Ausmaß geändert

werden, so daß eine bequeme Steuerungsmoghchkeit

Da Rubin bei der Temperatur des flüssigen Stick- gegeben ist. Ferner ist bei einem Einführen des Lichtes Stoffs eine Fluoreszenzlinienbreite von etwa 0,5 cm-¹ 25 unter einem Winkel ein Zirkulator zur Trennung der hat, was einem Frequenzband von 15 000 MHz ent- Eingangs- und Ausgangssignale nicht notwendig,
spricht (dies ist gleich der oben berechneten akustischen Beim Aufbau eines erfindungsgemäßen Verstärkers

Frequenz), so fallen offensichtlich nur die einfallende werden die optische Verstärkung und die durch die Lichtwelle mit der Frequenz Z₁ und die erste reflek- Lichtwelle entstehende Reflexionsdämpfung so betierte Lichtwelle mit der Frequenz /₂ = J₁ + f_ae in 30 messen, daß eine maximale Verstärkung bei einer verdas 15 000-MHz-Band, innerhalb desselben eine nünftigen Stablänge entsteht. Es kann gezeigt werden, wesentliche Verstärkung auftritt. Somit sind beim daß 60% einer einfallenden Lichtwelle durch die oben gegebenen Beispiel die Energiekomponenten für akustische Welle in einem Abstand von N Wellenaufeinanderfolgende Reflexionen mit laufend höheren · längen reflektiert werden können, wenn
Frequenzen beträchtlich kleiner und können praktisch 35 ^n

vernachlässigt werden. Bei Raumtemperatur nimmt ^ ^ cos² 0 ⁼ ^

die Fluoreszenzlinienbreite im Rubin auf 8 cm"¹ (entspricht einer Bandbreite von 240 000 MHz) zu, so daß ist, wobei JV die Anzahl der akustischen Wellenlängen, in die Gesamtverstärkung etwa sechzehn Reflexionen η der Brechungsindex, Δη die Änderung des Brechungseingehen. Jedoch ist wegen der höheren Dämpfung 40 index infolge der akustischen Welle und Θ der Winkel der akustischen Welle bei Raumtemperatur eine zwischen der Fortpflanzungsrichtung der Lichtwelle größere Leistungszufuhr bei der akustischen Frequenz und der akustischen Welle ist.
notwendig. Wenn man zur Erläuterung annimmt, daß cos (9=1

Bei den Ausführungen der Fi g 1 und 4 wird die _{d d ß} ; _{vernünfti Wert von} AL· ₌ 4 · 10-·

an der akustischen Welle reflektierte Lichtenergie 45 ⁶ η

nach Erreichen des Eingangsendes des Stabes teilweise ist, so wird Gleichung (26) erfüllt, wenn N = 1,25 · 10⁴ reflektiert und teilweise durchgelassen. Das Verhältnis akustische Wellenlängen ist. Da X_ac ^ 2 · 10~⁵ cm ist, der Lichtenergie, die am Stabende reflektiert wird, zu entspricht dies einer Länge von 2,54 mm. So bewirkt der gesamten am Stabende einfallenden Lichtenergie die akustische Welle bei maximaler Stärke, daß das wurde mit R bezeichnet. Es sei ferner bemerkt, daß bei 50 einfallende Licht eine Reflexionsdämpfung von etwa den Ausführungen der F i g. 1 und 4 die Endflächen 30 Dezibel je 2,54 cm erleidet. Wenn das stimulierbare des Stabes senkrecht zur Stabachse liegen und daß der Medium eine Verstärkung von mehr als 30 Dezibel einfallende Lichtstrahl und die akustische Welle so je 2,54 cm hervorbringen kann, überwiegt die Vereingeführt werden, daß sie sich entlang des Stabes im Stärkung die Reflexionsdämpfung, und die Lichtwelle wesentlichen parallel zur Stabachse fortpflanzen. Es 55 wächst weiter mit einem Ausmaß an, das durch die sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. So Differenz zwischen Verstärkung und Reflexionsist z.B. in Fig. 5 der Mittelteil 50 des Endes des dämpfung gegeben ist. Dies ist jedoch ein unerwünsch-Kristallstabes vollständig reflektierend ausgeführt ter Fall, da Schwingungen mit der Frequenz des ein- (R * 1). Das einfallende Licht wird unter einem fallenden Lichtes entstehen können. Somit ist es in Winkel Θ zur Stabachse und zur Fortpflanzungs- 60 der Praxis vorzuziehen, die Reflexionsdämpfung richtung der akustischen Welle durch ein Gebiet 51 größer als die Verstärkung zu halten und durch entder Endfläche mit einem kleineren Reflexionskoeffi- sprechendes Einrichten der Differenz jede gegebene zienten eingeführt. Durchdringung des Teils und damit jede gewünschte

Das Licht trifft auf die akustische Welle unter Verstärkung zu erhalten. Ein zweckmäßiger Weg zur einem Winkel auf und wird aufeinanderfolgend 65 Durchführung ist in F i g. 4 dargestellt, wo die Stärke reflektiert, bis es verstärkt und in der Frequenz um der akustischen Welle schnell abfällt, wenn sich der einen Betrag verschoben austritt, der durch die Anzahl Wellenzug entlang des Stabes 40 vom kalten Teil zum der Reflexionen und durch die akustische Frequenz wärmeren Teil fortpflanzt und schnell gedämpft wird.

Somit pflanzt sich bei der Ausführung nach F i g. 4 die Lichtwelle über einen wesentlichen Teil des Stabes 40 fort, wobei sie wesentlich verstärkt wird, bevor sie an der akustischen Welle reflektiert wird. Ein anderes Verfahren zur Steuerung des Verstärkers unter Verwendung einer gegebenen Länge des stimulierbaren Mediums besteht darin, die resultierende Reflexionsdämpfung am Ende des Stabes zu erhöhen, indem die Anregungsenergie und damit die Verstärkung an diesem Ende herabgesetzt wird.

Ein anderer Parameter des optischen Verstärkers, der Beachtung erfordert, ist die Phasenkonstante der durch den Dopplereffekt in der Frequenz verschobenen Lichtwelle. Wie oben durch die Gleichungen (15) und (17) angegeben wurde, erhält man eine optimale Reflexion, wenn die Phasenkonstante der akustischen Welle gleich der Differenz zwischen den Phasenkonstanten jeder einfallenden und jeder reflektierten Lichtwelle ist. Bei der obigen allgemeinen Erläuterung war angenommen worden, daß die /5-Bedingung, die zur Reflexion in Phase notwendig ist, erfüllt werden kann und daß die Bandbreite nur durch die Fluoreszenzlinienbreite begrenzt ist. Dies gilt jedoch nicht allgemein genau. Es kann gezeigt werden, daß der akustische Wellenzug als Bandpaß-Lichtfilter be- as trachtet werden kann mit einer Bandbreite 2 Af₁ zwischen den Punkten mit halber Energie von

24/1 =

1,67Zi
W

(27)

wobei Zi die Frequenz der einfallenden Lichtwelle und W die Anzahl von Wellenlängen eines akustischen Wellenzuges ist, der im wesentlichen konstante Reflexionen je Wellenlänge aufweist.

Der Wert für W wird abgeschätzt, indem man annimmt, daß er ungefähr gleich der Anzahl von Wellenlängen ist, die für eine Reflexionsdämpfung von 3 Dezibel erforderlich sind. Zur Erläuterung sei angenommen, daß das Licht 5 cm entlang des Wellenzugs fortschreitet, bevor es diesen Punkt mit 3 Dezibel erreicht. Demgemäß ist

W = 5 cm

Wellenlängen. Für Zi = 4 · 10¹⁴ Hz erhält man eine Bandbreite von 2600 MHz. Somit ist bei dem gegebenen Beispiel nur eine Reflexion an der akustischen Welle möglich, da Licht mit einer Frequenz

/2 ⁼ /1 ± fac,

das vom Eingangsende des Kristallmedimus reflektiert wird, durch die akustische Welle unbeeinflußt hindurchgeht und im optischen Abschluß absorbiert wird.

Ein einfaches Verfahren zur Erhöhung des Frequenzbereichs, in dem die Phasenkonstanten der verschiedenen Wellen optimal zueinander in Beziehung stehen, ist in F i g. 6 dargestellt. Bei allen vorherigen Beispielen war der Winkel zwischen der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Wellen und der Fortpflanzungsrichtung der einfallenden und der aufeinanderfolgenden frequenzverschobenen Lichtwellen konstant. Bei der Ausführung der F i g. 6 wird dieser Winkel um ein Vielfaches eines kleinen Winkels ε dadurch geändert, daß die Ebene der reflektierenden Eingangsfläche des Stabes 60 um einen Betrag -|- gegenüber der akustischen Wellenfront geneigt wird. Wie bei der Aus-

führung der F i g. 5 wird der Mittelteil 62 des Endes 61 vollständig reflektierend ausgebildet. Die Eingangswelle wird unter einem Winkel Θ zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Welle eingeführt und tritt nach drei Reflexionen unter einem Winkel Θ + 2 ε gegenüber der Richtung der akustischen Welle aus.

Wenn man die Gleichung (25), die allgemeine Formel für die bevorzugte /^-Bedingung, als Funktion der Frequenz anschreibt, und die entstehende Gleichung gleich einer Konstanten K setzt, so ergibt sich

Aicht cos Θ =

2 Vac

fac = K. (28)

Wenn man annimmt, daß die Gleichung (28) für /Licht = /1 und einen bestimmten Winkel Θ erfüllt ist, so kann leicht gezeigt werden, daß durch Addieren konstanter Beträge zu Θ, wenn die Frequenz /Licht um konstante Beträge in aufeinanderfolgenden Reflexionen verschoben wird, die Gleichung (28) für eine große Anzahl von Reflexionen erfüllt werden kann. Das heißt, wenn

Z₁ cos Θ = K (29)

ist, kann gezeigt werden, daß es einen kleinen Winkel ε gibt derart, daß

(/1 + mfac) cos (<9 + m ε) = K (30)

gilt. Durch Gleichsetzen von (29) und (30) erhält man nach einiger Zwischenrechnung

cos (<9 + m ε) 1

cos©
Daher ist, da

1 +

mfa,
/1

(3D

/1

cos (m ε) — tan Θ sin (m ε) — 1 —

mfa,
/1

. (32)

Für kleine Werte von m ε (d. h. m ε <ί 1) ist [wegen cos(mε) «a 1 und wegen sin(τηε) ^ me]

ε =

fa,

Z₁ tan Θ '

(33)

dies gilt für sämtliche m und jedes Θ.
Wenn das Stabende 61 mit einer Neigung von

-γ- gegenüber der Senkrechten zur Stabachse geschliffen ist und wenn Θ etwa gleich ε gemacht wird, dann ergibt sich aus Gleichung (32) [wegen tan Θ = tan ε ρ» ε; cos (m ε) fv 1; sin Qn ε) s» m ε]

ε =

fa,

/l

(34)

Für fac gleich 15 000 MHz und Z₁ gleich 4 · 10⁵ MHz ist ε gleich 6 · 10~³ Bogengrade oder gleich 20 Bogensekunden.

In der Praxis wird der Eingangswinkel Θ für eine Verstärkung bei f_x eingestellt, d. h., daß die /?-Bedingung für Zi erfüllt ist. Die ^-Bedingung wird dann automatisch für sämtliche nachfolgenden Reflexionen richtig.

Bei den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungen wurde die Signalwelle als Lichtstrahl gekennzeichnet. Wenn auch die Erfindung in erster Linie im optischen Frequenzbereich benutzt werden soll, so kann das Erfindungsprinzip auch bei anderen Betriebsfrequenzen angewendet werden. Wenn man z. B. das stimulierbare Medium in einem Wellenleiter anordnet, erhält man einen Verstärker, der im Mikrowellenbereich betrieben werden kann.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Optischer Verstärker mit einem stimulierbaren angeregten Medium, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulation des zu verstärkenden kohärenten Eingangslichtes mittels Ultraschalls erfolgt.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallwelle stirnseitig in ein stimulierbares, angeregtes Kristallmedium eingegeben wird und eine ebenfalls stirnseitig eingegebene kohärente Lichtwelle bei ihrer Reflexion an der Ultraschallwellenfront im Medium eine Frequenzmodulation um ein ganzzahliges Vielfaches der Ultraschallfrequenz erleidet.

3. Optischer Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwelle in das Kristallmedium im wesentlichen parallel zur Lichtwelle eingeführt wird.

4. Optischer Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Kristallmedium ein langgestreckter Stab ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwelle und die Lichtwelle in die gleiche Stirnfläche des Kristallmediums eingeführt werden.

5. Optischer Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Kristallmedium ein langgestreckter Stab ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwelle und die Lichtwelle in entgegengesetzte Stirnflächen des Kristallmediums eingeführt werden.

6. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil des Kristallmediums, in den die Ultra-Schallwelle eingeführt wird, gekühlt wird.

7. Optischer Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verstärker entnommene verstärkte Lichtwelle eine Frequenz

/0 = A-Qn) fac

hat, wobei f_x die Frequenz der eingegebenen Lichtwelle, fac die Frequenz der Ultraschallwelle und m die Anzahl der Reflexionen der Lichtwelle an der Ultraschallwelle sind.

8. Optischer Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verstärker entnommene verstärkte Lichtwelle die Frequenz

fo=fi + Qn)fac

hat, wobei f_x die Frequenz der eingegebenen Lichtwelle, fac die Frequenz der Ultraschallwelle und m die Anzahl der Reflexionen der Lichtwelle an der Ultraschallwelle sind.

9. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdurchtrittsstirnfläche des Kristallmediums einen Reflexionskoeffizienten kleiner als Eins aufweist.

10. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwelle in das Kristallmedium unter einem Winkel Θ zur Lichtwelle eingeführt wird.

11. Optischer Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionskoeffizient R in einem ersten Stirnflächenbereich, durch den die Lichtwelle in das Kristallmedium eintritt, sowie in einem zweiten Bereich, aus dem die verstärkte Lichtwelle austritt, möglichst klein ist und daß R in demjenigen Bereich der Stirnfläche, an der die an der Ultraschallwelle reflektierte Lichtwelle wieder ins Kristallmedium zurückreflektiert wird, etwa gleich Eins ist.

12. Optischer Verstärker nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vollständig reflektierende Bereich der Stirnfläche des Kristallmediums gegenüber der Ultraschallwellenfront im Kristallmedium um einen Winkel i-|-J geneigt ist.

13. Optischer Verstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel |-|-1 gegeben ist durch

für Werte von m ε, die klein gegen Eins sind, wenn m die Anzahl der Reflexionen der Lichtwelle an der Ultraschallwelle, f_ac die Frequenz der Ultraschallwelle und Z₁ die Frequenz der Eingangslichtwelle sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 929 922;

Journal of Applied Physics, Bd. 29, Nr. 9, 1958, S. 1347 bis 1357;

Jay R. S i η g e r , »Advances in Quantum Electronics«, Columbia University Press, New York und London, 1961, S. 50 bis 64;

Jenkins und White, »Fundamentals of Optics«, Mc Graw-Hill Book Comp., 1957, S. 492.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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