DE1212636B - Optischer Sender fuer stimulierte Strahlung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

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Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIs

Deutsche KL: 2If-90

T 27797 VIII c/21f
12. Januar 1965
17. März 1966

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender für stimulierte Strahlung mit Steuerung der Güte seines optischen Resonators. Zugleich soll das durch den optischen Sender erzeugte Licht weitestgehend richtungsempfindlich gemacht werden. Die Richtungs-Selektivität des Geräts kann zur schärferen Bündelung des Ausgangsstrahls verwendet werden, oder im Falle der Änderung der Güte des optischen Resonators (ß-Schaltung), um schnellere Schaltzeiten und damit eine höhere Energiekonzentration in einem einzelnen Impuls zu erreichen.

Bekanntlich weist der optische Sender ein geeignetes stimulierbares Medium auf, das in der erforderlichen Weise angeregt wird, so daß durch das angeregte Medium hindurchtretendes Licht durch Auslösen (Stimulation) weiterer Lichtquanten der gleichen Frequenz verstärkt wird. Ein solcher optischer Sender oder Verstärker benötigt für seinen optischen Resonator mindestens zwei Reflektoren, die so angeordnet sind, daß Lichtstrahlen wiederholt einen Weg im Medium durchlaufen und zurücklaufen, um eine Rückkopplungsverstärkung zu erzielen und im Falle eines optischen Senders eine ausreichende Schwingungsverstärkung zu erhalten.

Bei dem optischen Sender wird vielfach ein Rubin als stimulierbares Medium verwendet, dem eine Gasentladungslampe, beispielsweise eine Xenon-Gasentladungslampe, die notwendige Anregungsenergie liefert. Ferner läßt man meist einen optischen Sender im Impulsbetrieb statt im stetigen Betrieb arbeiten. Dies wurde bisher in einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Anregungslampe von einer Kondensatorbatterie oder einer anderen Quelle gespeicherter Energie mit Impulsen beliefert wurde. Wenn das Anregungslicht von dem Rubin absorbiert wird, tritt eine Umkehr der Besetzungsverteilung ein, die die Voraussetzung für das Zustandekommen einer Lichtverstärkung im Rubin bildet. Wenn die Verstärkung die Reflexions- und anderen Verluste übertrifft, beginnt der optische Verstärker als optischer Sender zu schwingen.

Für optische Sender mit einem Festkörpermedium für Impulsbetrieb und insbesondere für solche mit einem Rubin ist es im allgemeinen charakteristisch, daß der Ausgangsimpuls nicht in Form eines einzigen Impulses vorliegt, sondern daß Relaxationsschwingungen auftreten und der Gesamtimpulsausgang des optischen Senders durch eine Reihe von kurzen Teilimpulsen oder Spitzen gebildet wird, die etwas regellos und unvorhersagbar auftreten. Es wurde bereits vorgeschlagen, einen elektronischen Verschluß, beispielsweise eine Kerr-Zelle, in den optischen Reso-Optischer Sender für stimulierte Strahlung

Anmelder:

TRG Incorporated, Melville, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Liebau und Dipl.-Ing. G. Liebau,

Patentanwälte,

Göggingen bei Augsburg, v.-Eichendorff-Str. 10

Als Erfinder benannt:
Stuart Donald Suns,
Richard Timothy DaIy,
Huntington, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Januar 1964 (340 483)

nator einzubauen, so daß steuerbare Verluste auftreten, welche erne Schwingung im optischen Sender so lange verhindern, bis der elektronische Verschluß plötzlich geöffnet wird, um auf diese Weise einen sehr scharfen und intensiven Impulsausgang aus einem optischen Sender zu erzielen. Dieses Verfahren ist unter der Bezeichnung der Schaltung der Güte des optischen Resonators, kurz ß-Schaltung, bekanntgeworden.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, andere rasche »Verschlüsse« als die Kerr-Zelle zu verwenden, da die durch die Kerr-Zelle verursachten Verluste hoch sind; d. h. selbst wenn die Kerr-Zelle voll »offen« ist, bringt sie immer noch beträchtliche Verluste in dem optischen System mit sich. Als Ersatz für die verlustbehaftete Kerr-Zelle kann ein einfacher umlaufender Reflektor bzw. ein umlaufendes Prisma verwendet werden. Der' einfachste Fall liegt vor, wenn für den optischen Resonator zwei planparallele Reflektoren benutzt werden, von denen der eine drehbar ist. Gütegeschaltete optische Resonatoren dieser Art und etwas verbesserte Ausführungsformen mit Prismarefiektoren wurden zur Erzeugung sehr intensiver Impulse (mit einer Spitzenleistung von Hunderten von Megawatt) verwendet. Ein ernster Nachteil solcher gütegeschalteter Resonatoren mit umlaufenden Reflektoren wird darin gesehen, daß die Schaltwirkung weit weniger rasch ist, als es mit anderen Vorrichtungen, beispielsweise der Kerr-

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Zelle, möglich ist. Aus Gründen, die nachstehend Totalreflexion gemäß der Erfindung gezeigt. Für die näher erläutert werden, führt dieses langsame Schal- Zwecke der Beschreibung kann angenommen werten nicht zu optimalen Ergebnissen. den, daß das selektiv fluoreszente stimulierbare

Bei einem optischen Sender für stimulierte Strah- Medium 12 ein Rubinkristall in Form eines zylin-

lung mit ausgeprägter Richtungsselektion wird die 5 drischen Stabes ist: An der unteren Fläche 14 des

Erfindung gekennzeichnet durch eine innerhalb des Rubinstabes.kann ein Reflektor 15-vorgesehen wer-

optischen Resonators angeordnete Reflexionseinricli- den, der als einer von zwei Hauptreflektoren einer

tung, die mit wiederholter Totalreflexion unter dem Fahry-Perot-Anordnung des optischen Resonators

Grenzwinkel oder nahe unter dem Grenzwinkel dient.

arbeitet und daher stark richtungsempfindlich ist. io . Der Reflektor 15 ist normalerweise teildurchlässig Diese Reflexionseinrichtung besteht aus für den Hin- und dient als Ausgangsfenster für den optischen und Hergang des stimulierten Lichtes vorwiegend Sender. Der Reflektor 15 kann aus einem gesondersymmetrisch gestalteten optischen Bauteilen, die ten Bauteil bestehen, statt unmittelbar auf den Rubinneben parallelen Spiegelflächen, an denen der stab aufgebracht zu sein. In manchen Fällen ergibt stimulierte Strahl in optimaler Bahn und bei opti- 15 die Fläche des Rubinkristalls für sich · selbst eine malern Gütefaktor des optischen Resonators total ausreichende Fresnelsche Reflexion ohne die Notreflektiert wird, Ein- und Austrittsflächen aufweisen, wendigkeit einer'reflektierenden Schicht,
die mit dem optimalen Strahl vorzugsweise den . Die obere Fläche 13 des Rubinstabes ist zu dessen Brewsterschen Winkel bilden, dergestalt, daß jede Achse schräg angeordnet. Der Winkel der Fläche 13 kleinste Abweichung des stimulierten Strahls aus der 20 ist vorzugsweise derart, daß Axialstrahlen im Rubin-Richtung der optimalen Bahn infolge Unterschreitens kristall auf der Fläche 13 mit dem Brewsterschen des Grenzwinkels für die totale Reflexion starke Winkel auftreffen, so daß eine im wesentlichen ver-Reflexionsverluste oder mit anderen Worten eine lustlose Übertragung aus dem Rubinkristall erhalten starke Verkleinerung des Gütefaktors Q des opti- wird,
sehen Resonators bedingt. 25 Das aus dem Rubinstab 12 bestehende stimulier-

Die innere Totalreflexion unter einem Winkel nahe bare Medium wird durch eine Gasentladungslampe

am Grenzwinkel wirkt sich hochselektiv bezüglich 16 angeregt, welche als Wendel dargestellt ist.

der Fortpflanzungsrichtung aus. Wie nachstehend JSs ist eine ziemlich komplizierte optische BaIm,

näher erläutert wird, ermöglicht es diese Richtungs- welche zwischen dem Rubinstab 12 und dem dem

Selektivität, eine mechanische Steuerung der Güte des 30 Reflektor 15 gegenüberliegenden Reflektor 35 gebil-

optischen Resonators viel schneller wirksam werden det wird. Strahlen, die an der Fläche 13 austreten,

zu lassen. Der optische Sender mit hoher Richtungs- treffen zuerst auf ein optisches Bauteil 18 auf. Die

Selektivität ist ferner vorteilhaft, wenn nur ein Strahlen aus dem Rubinstab 12 treten in das Bauteil

weitestgehend richtungsgebündelter Strahl in Fällen 18 durch eine Eintrittsfläche 22 ein. Das optische

erzeugt werden soll, bei welchen eine Güteschaltung 35 Bauteil 18 kann aus einem Material gebildet werden,

nicht verwendet wird und außerdem für optische das für die Strahlungswellenlänge im wesentlichen

Sender, die stetig statt im Impulsbetrieb arbeiten durchlässig ist, für welche das Gerät betrieben wird

sollen. und hat vorzugsweise einen mäßig hohen Brechungs-

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird index. Bei dem in Fig. 1 dargestellten besonderen

diese nachfolgend in Verbindung mit den Zeich- 40 Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß das

nungen näher beschrieben, und zwar zeigt optische Bauteil 18 aus Quarz hergestellt ist, welcher

Fig. 1 eine Draufsicht, teilweise schematisch, des den Vorteil einer geringen Absorption für die hier

erfindungsgemäßen Geräts mit einer Anordnung zum verwendete Rillenlänge hat.

Impulsbetrieb durch Güteschaltung, Die Fläche 22 ist vorzugsweise ebenfalls mit dem

Fig. 2 eine Draufsicht, teilweise schematisch, 45 Brewsterschen Winkel zu einem Axialstrahl aus dem einer anderen Ausführungsform des erfindungs- Rubinstab 12 angeordnet. Der einfacheren Dargemäßen Geräts mit Fortpflanzungsrichtungsselek- stellung halber wird in F i g. 1 der Brechungsindex tion sowohl in der horizontalen als auch in der verti- des optischen Bauteils 18 aus Quarz als gleich dem kalen Ebene, des Rubinstabes 12 angenommen, so daß die Fläche

Fig. 3 bis 6 Diagramme, welche die Lichtfort- 50 22 zur Fläche 13 parallel verläuft und der Strahl 19

pflanzung durch das optische System des Geräts innerhalb des optischen Bauteils 18 parallel zur

unter verschiedenen Bedingungen darstellen, um die . Achse des Rubinstabes 12 weiterläuft.

Beschreibung der Wirkungsweise des erfindungs- Der Rubinstab 12 ist mit Bezug auf das optische

gemäßen Geräts zu veranschaulichen, Bauteil 18 und insbesondere mit Bezug auf dessen

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abhängig- 55 reflektierende Flächen 20 und 21 so geneigt, daß

keit des Reflexionsvermögens des optischen Reso- der Strahl 19 auf die reflektierende Fläche 20 fast

nators von der Abweichung von der optimalen Fort- genau mit dem Grenzwinkel auf trifft. Es wird in Er-

pflanzungsrichtung, d. h. vom Grenzwinkel, innerung gebracht, daß es für eine Grenzfläche zwi-

Fig. 8 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der sehen zwei Medien mit verschiedenem Brechungsgespeicherten Energie und des Strahlungsimpuls- 60 index einen Einfallswinkel (gesehen von dem Medium

ausgangs für langsam schaltende, gütegeschaltete, mit dem höheren Brechungsindex zum Medium mit

optische Sender und dem niedrigeren Brechungsindex) gibt, oberhalb wel-

Fig. 9 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der chem ein Strahl eine innere Totalreflexion erfährt,

gespeicherten Energie und des Strahlungsimpuls- Bei kleineren Einfallswinkeln (d. h. größeren Streifausgangs für das erfindungsgemäße Gerät mit 65 winkeln) besteht Teildurchlässigkeit durch die

schneller Güteschaltung. Fläche. .

In Fig. 1 ist ein gütegeschalteter, optischer Im- Zunächst dürfte die Erwärmung genügen, daß der

pulssender 11 mit Richtungsselektiori durch innere Strahl 19 eine innere Totalreflexion sehr nahe unter

dem Grenzwinkel von der Fläche 20 erfährt, dann von der Fläche 21 und wieder von der Fläche 20, wie in F i g. 1 gezeigt. Die Flächen 20 und 21 sind parallel, so daß der Einfallswinkel für den Strahl 19 bei jeder der.drei Reflexionen innerhalb des optischen Bauteils 18 offensichtlich der gleiche ist. Ferner wird darauf hingewiesen, daß die Lichtstrahlen 19 planpolarisiert sind, da die verschiedenen mit dem Brewsterschen Winkel angeordneten Grenzflächen Licht von jeder Polarisation mit Ausnahme der linearen Polarisation in einer bestimmten Richtung ausfiltern. Alle reflektierenden und übertragenden Flächen sind in an sich bekannter Weise so ausgebildet und angeordnet, daß sie der bestimmten Richtung der linearen Polarisation Rechnung i„ tragen.

Der Strahl 19 tritt aus dem optischen Bauteil 18 ohne Verluste durch eine Austrittsfläche 23 aus, welche mit dem Brewsterschen Winkel angeordnet ist und welche zur Eintrittsfläche 22 symmetrisch sein kann.

Ferner ist ein weiteres optisches Bauteil 24 vorgesehen, das im wesentlichen ein Gegenstück zum optischen Bauteil 18 sein und mit einer Eintrittsfläche 27, Reflexionsflächen 25 und 26 und mit einer Austrittsfiäche 28 versehen sein kann. Obwohl die Dicke der optischen Bauteile 18 und 24 in F i g. 1 nicht dargestellt ist, ist diese natürlich zumindest ausreichend, um den ganzen aus dem Rubinstab 12 austretenden Strahl aufzunehmen. Im optischen Bauteil 24 finden ähnliche Reflexionen statt wie in Verbindung mit dem optischen Bauteil 18 beschrieben.

Nach dem Austreten aus dem optischen Bauteil 24 trifft der Strahl 19 auf ein Drehprisma 31 auf, das eine Eintrittsfläche 32 aufweist, welche in Optimalstellung mit dem stimulierten Strahl den Brewsterschen Winkel bildet, ferner eine reflektierende Fläche 33 und als dritte Fläche eine Austrittsfläche 34 aufweist, die ebenfalls mit dem Strahl den Brewsterschen Winkel bildet.

Das Drehprisma 31 ist auf einem Drehtisch 29 angeordnet, der durch einen Synchronmotor oder in anderer Weise mit einer mäßig hohen Drehzahl (bei dem dargestellten Beispiel mit 15 000 U/min) angetrieben werden kann.

Die Aufgabe des Drehprismas 31 ist zusammen mit einem den Strahl in sich zurückreflektierenden Endprisma 35 die Erzeugung eines Verschlußeffekts, der ähnlich demjenigen eines umlaufenden ebenen Reflektors ist, jedoch wird durch das Zusammenwirken des Drehprismas 31 mit dem Endprisma 35 die Winkelgeschwindigkeit, die ohne das Endprisma im gespiegelten Strahl bereits verdoppelt ist, durch die nochmalige Spiegelung erneut verdoppelt, somit insgesamt vervierfacht.

Der Strahl 19 tritt aus dem Drehprisma 31 aus und in das den Strahl in sich zurückreflektierende Endprisma 35 ein. Das Endprisma 35 hat die Form eines Dachkantprismas mit einer ersten innen total reflektierenden Fläche 37 und einer in F i g, 1 nicht gezeigten zweiten innen total reflektierenden Fläche. Das Endprisma 35 hat eine Eintritts- und Austrittsfläche 36, welche mit dem Brewsterschen Winkel schräg gerichtet ist, um Ubertragungsverluste auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Das Endprisma 35 reflektiert den Strahl nur in einer einzigen Ebene in sich zurück, d. h. in das Endprisma 35 eintretende Strahlen werden in einer solchen Richtung zurückgeführt, daß die Projektion der eintretenden und austretenden Strahlen auf eine Ebene, die zur Dachkante des Endprismas senkrecht ist, parallel ist, mit anderen Worten, die Richtung des Strahls ist unempfindlich für Veränderungen der relativen Orientierung zwischen dem Endprisma und dem Strahl um eine Achse herum, die zur Dachkante des Endprismas parallel ist. Andererseits haben Veränderungen in der relativen Orientierung des Strahls und des Endprismas in der Zeichenebene der F i g. 1 die gleiche Wirkung als wenn das Endprisma 35 ein ebener Reflektor wäre.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß bei der Anordnung nach F i g. 1 ein Endprisma 35 in Form eines Dachkantprismas deshalb verwendet wird, um einen hohen Empfindlichkeitsgrad für die Orientierung des Strahls mit Bezug auf das Prisma in der Zeichenebene aufrechtzuerhalten und zugleich hochkritische Bedingungen der Orientierung senkrecht dazu im wesentlichen auszuschalten. Es wird daher die Verschlußwirkung aufrechterhalten. Jedoch ist hier das Problem hinsichtlich der kritischen Orientierung der Achse des Drehprismas 31 oder anderer Bauteile im wesentlichen beseitigt.

Zur weiteren Beschreibung der Wirkungsweise des Geräts wird diese manchmal mit Hilfe eines umlaufenden ebenen Reflektors erläutert, der ideell die gleiche Wirkung wie das Gerät mit den Prismen 31 und 35 in Fig. 1 erzeugen würde (wenn auch seine Umlaufgeschwindigkeit zweimal so groß sein müßte). Obwohl das umlaufende Verschlußteil gewöhnlich zu gleichförmiger Drehung angetrieben wird, kann es in bestimmten Fällen wünschenswert sein, den Verschluß durch eine Feder oder einen anderen Mechanismus auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, um einen einzelnen optischen Sendeimpuls auszulösen.

Wie nachfolgend näher erläutert wird, dient der beschriebene optische Sender dazu, starke Verluste in den optischen Resonator einzubringen, ausgenommen, wenn das Drehprisma 31 genau ausgerichtet ist, damit der Strahl 19 in der gleichen Richtung durch das Gerät (einschließlich der optischen Bauteile 18 und 24) vor und zurück geführt wird. Es können verschiedene Formen von Steuervorrichtungen verwendet werden, um die Entladungslampe 16 etwas vor der Auslösestellung für das Drehprisma 31 zu zünden. Beispielsweise ist ein Geber 39 schematisch dargestellt, der mit einem Schaltglied 38 zusammenwirkt, um die richtige Steuerung für das Zünden der Lampe 16 zu erzielen. Der Geber 39 und das Schaltglied 38 können von magnetischer oder photoelektrischer Art sein oder irgendeine andere der verschiedenen bekannten Formen haben, um ein Signal zu liefern, wenn sich das Schaltglied 38 in der Nähe des Gebers 39 vorbeibewegt. Offensichtlich wird die Stellung des Schaltgliedes 38 durch die Zeit bestimmt, welche zwischen dem Zünden der Lampe 16 und dem Auslösen des optischen Senders besteht, wobei natürlich die Drehgeschwindigkeit des Tisches .29 zu berücksichtigen ist.

Der Geber 39 liefert ein Signal an das die Lampe zündende Steuerbauteil 41, welches seinerseits die Lampenstromversorgung 42 betätigt, welche mit der Lampe 16 durch eine elektrische Leitung 17 verbunden ist.

Das Zusammenwirken des Drehprismas mit dem den Strahl in sich zurückreflektierenden Endprisma

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35, das dem Strahl die vierfache Winkelgeschwindig- jedoch etwas verschieden von der vorhergehenden

keit des Drehspiegel» verleiht, ist nicht allein ver- Situation, bei welcher der Reflektor als feststehend

antwortlich für die verbesserte Wirkungsweise des betrachtet wurde und die Verluste für verschiedene

erfindungsgemäßen Geräts. Noch entscheidender ist Fortpflanzungsrichtungen eines Strahls betrachtet

vielmehr die Wirkungsweise der optischen Bauteile 5 wurden. Die Richtung des axialen Strahls 82 aus dem

18 und 24, welche in erster Linie einen hohen Grad Rubin kann als durch einen gebenden Reflektor am

an Richtungsselektivität ergibt und damit das rasche anderen Ende des Rubinstabes, das in Fig. 6 nicht

Pulsen bewirkt, was ein Hauptvorteil der Erfin- gezeigt ist, festgelegt betrachtet werden,

dung ist. In Fig. 6 ist der beispielsweise im Uhrzeigersinn

Die Wirkungsweise der optischen Bauteile 18 und io drehbare Reflektor 89 in einer Stellung dargestellt,

24 wird am besten in Verbindung mit F i g. 3 bis 6 die gegenüber der Stellung des Reflektors 85 in den

verständlich. In diesen Figuren ist der Einfachheit F i g. 3 bis 5 geringfügig negativ verdreht ist.

halber das Drehprisma 31 und das den Strahl in sich Der Strahl 82 nimmt seinen Weg von links nach

zurückreflektierende Endprisma 35 durch einen ein- rechts zwischen den reflektierenden Flächen 83 und

fachen Drehspiegel (der in Fig. 6 weitergedreht ge- 15 84 mit innerer Totalreflexion, wie in Fig. 3 gezeigt,

zeigt ist) dargestellt. Beim Auftreffen auf den Reflektor 89 wird er jedoch

In Fig. 3 ist ein Rubinstab eines optischen Sen- nicht in der gleichen Richtung zurückgeführt, sonders bei 81 dargestellt, aus dem der Strahl 82 austritt dem so abgelenkt, daß er auf die Flächen 83 und 84 und eine innere Totalreflexion zwischen den Flächen mit einem kleineren Winkel als dem Grenzwinkel 83 und 84 erfährt. (Die mit dem Brewsterschen Win- 20 auftrifft, so daß beim Rücklauf von rechts nach links kel angeordneten Eintritts- und Austrittsflächen sind durch das System Verluste aus diesem stattfinden,
der Einfachheit halber nicht dargestellt.) Wie ersichtlich, tritt ein beträchtlicher Verlust auf,

In Fig. 3 ist angenommen, daß der Strahl 82 auf wenn sich der Reflektor 89 dreht, bis er eine Stellung

die reflektierende Fläche 83 und 84 genau mit dem erreicht, die der Stellung des Reflektors 85 in F i g. 3

Grenzwinkel 0_C auftrifft. 25 entspricht, bei welcher der Strahl 82 durch das

Der Strahl erfährt daher eine innere Totalreflexion System mit innerer Totalreflexion bei allen Einfallabwechselnd von den Flächen 84 und 83, bis er aus- winkeln auf die Flächen 83 und 84 vor- und zurücktritt und auf den Reflektor 85 auf trifft. In Fig. 3 ist läuft, wodurch alle Energieverluste an den Flächen angenommen, daß der Reflektor 85 so gerichtet ist, 83 und 84 praktisch ausgeschaltet werden. Eine daß der Strahl 82 zum Reflektor 85 senkrecht ist und 30 Vorstellung der Beziehung zwischen den Verlusten daher durch das optische Bauteil mit den Flächen 83 und der winkeligen Orientierung des Reflektors 89 und 84 nach seinem ersten Durchlauf durch das kann aus F i g. 7 gewonnen werden.
System in der gleichen Richtung zurückgeführt wird. Fi g. 7 zeigt eine graphische Darstellung des effek-Da der Strahl 82 auf die reflektierenden Flächen 83 tiven Reflexionsvermögens des ' Systems mit den und 84 beim Hin- und Zurücklaufen durch das 35 reflektierenden Flächen 83 und 84 in den Fig. 3 System mit dem Grenzwinkel auftrifft, ,findet in allen bis 6, wobei beispielsweise vier verschiedene Kurven Fällen eine innere Totalreflexion statt, so daß prak- entsprechend vier Systemen mit einer, mit sechs, mit tisch kein Verlust durch die Flächen 83 und 84 ent- neun und mit zwölf Reflexionen dargestellt sind, steht. Hierbei ist zu· erwähnen, daß das Gerät nach F i g. 1

Anders in Fig. 4, bei welcher die einzige Ver- 4° mit zwei optischen Bauteilen 18 und 24 dargestellt änderung zu F i g. 3 darin besteht, daß der aus dem ist, von denen jedes drei Reflexionen für insgesamt Rubin 81 austretende Strahl 86 nicht axial ist und sechs Reflexionen ergibt. Es kann je nach dem beauf die reflektierende Fläche 84 mit einem Winkel sonderen Anwendungsfall der Erfindung eine größere auftrifft, der kleiner als der Grenzwinkel ist. Es findet oder kleinere Zahl von Reflexionen vorgesehen werdaher keine innere Totalreflexion von deti Flächen 45 den. Es kann z. B. vorteilhaft sein, vier optische Bau-83 oder 84 bei dieser oder bei den nachfolgenden teile an Stelle von zweien zu verwenden, wodurch Reflexionen des Strahls 86 statt, so daß beträchtliche zwölf Reflexionen erhalten werden.
Verluste an Lichtenergie auftreten, bevor der Strahl Die Kurve für zwölf innere Reflexionen bei einem 86 den Reflektor85 erreicht. Der Verlust des opti- Durchlauf in Fig. 7 zeigt ein 10- bis lOO°/oiges sehen Systems kann daher in hohem Maße von der 50 Schaltintervall für eine 0,2 Milliradian Umdrehung Fortpflanzungsrichtung des Strahls 86 abhängig ge- des umlaufenden Reflektors. (Hierbei ist die zweimacht werden und die Richtungsselektivität kann fache Winkelverdoppelung des Geräts nach Fig. 1 dadurch erhöht werden, daß die Zahl der Reflexionen nicht berücksichtigt.)
im System erhöht wird. Bei einer Umlaufgeschwindigkeit von 30 000 U/min

Fig. 5 zeigt die Situation für einen Strahl 87, der 55 entspricht dies einem Schaltintervall von 70 Nano-

in das System so eintritt, daß er auf die reflektierende Sekunden. Diese Geschwindigkeit ist ausreichend

Fläche 84 mit einem Einfallswinkel auftrifft, der hoch, um eine optimale Energiekonzentration in

größer als der Grenzwinkel ist. Der Strahl erfährt einem einzelnen Ausgangsimpuls zu erhalten. Eine

eine innere Totalreflexion bis er auf den Reflektor 85 Drehzahl von 15 000 U/min, welche für das Drehauftrifft und semen Rücklaufweg beginnt. Auf dem 6c prisma 31 erforderlich sein würde, ist nicht unge-

Rücklaufweg trifft er auf die reflektierenden Flächen wohnlich schwierig zu erreichen. Die Bedeutung der

83 und 84 mit einem kleineren Winkel als der Grenz- raschen Schaltzeit für einen gütegeschalteten opti-

winkel auf, so daß Verluste durch das Hindurch- sehen Sender ergibt sich aus den Fig. 8 und 9.

treten durch die Flächen 83 und 84 eintreten. F i g. 8 zeigt im oberen Teil mit einer gestrichelten

F i g. 6 zeigt ein Augenblicksbild, bei welchem die 65 Linie eine Kurve des Schwingungsschwellenwertes

Verluste im System von der Orientierung eines dreh- eines optisch angeregten, gütegeschalteten, optischen

baren Reflektors 89 mit Bezug auf einen axialen Senders. Die voll ausgezogene Linie zeigt die verfüg-

Strahl aus dem Rubinstab abhängen. Dies ist analog, bare Verstärkung, die auch von der gespeicherten

Energie abhängt. Jedesmal wenn die verfügbare Verstärkung den Schwingungsschwellenwert überschreitet, findet eine Schwingung statt. Hierdurch wird die verfügbare gespeicherte Energie rasch verringert, bis sie unter den Schwingungsschwellenwert abfällt. Da der Schwellenwert infolge des allmählichen Zunehmens der Güte des optischen Resonators abnimmt, wird ein Punkt erreicht, bei welchem der Schwellenwert wieder unter der verfügbaren Anregungsenergie liegt und ein weiterer Impulsausgang erzeugt wird. Bei dem in F i g. 8 dargestellten besonderen Beispiel ist der Güteschalter ausreichend langsam, so daß drei Ausgangsimpulse erzeugt werden. In vielen Fällen ist es wünschenswert, die Energie in einem einzigen Impuls bis zum maximal möglichen Ausmaß zusammenzufassen.

Dies wird durch die Verwendung einer rascheren, in Fig. 9 dargestellten Güteschaltwirkung erzielt. Wie aus F i g. 9 ersichtlich ist, ist die Güteschaltwirkung rasch mit Bezug auf die Entwicklungszeit für den Impuls (etwa 2 · 10~⁷ Sekunden). Daher fällt der Schwingungsschwellenwert, der durch die gestrichelte Linie in F i g. 9 dargestellt ist, ausreichend rasch ab, so daß die verfügbare Anregungsenergie oberhalb des Schwingungsschwellenwertes bleibt, bis praktisch die gesamte verfügbare gespeicherte Energie in einem einzigen Riesenimpuls ausgelöst wird. Hierbei ist zu erwähnen, daß sowohl in F i g. 8 als auch in F i g. 9 vorgesehen ist, daß der Beginn der optischen Anregung, beispielsweise durch das Zünden der Gasentladungslampe 16 ausreichend lang vor der Schaltwirkung beginnt, damit die gespeicherte Energie im wesentlichen auf einen Höchstwert aufgebaut werden kann. Bei dem betrachteten Fall beträgt diese Zeit etwa 1 msec.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß das verbesserte, in F i g. 1 dargestellte Güteschaltgerät die Möglichkeit liefert, gespeicherte Energie in einem einzigen Riesenimpuls von sehr hoher Intensität freizusetzen. Dieser Impuls ist sehr kurz und findet zu einem voraussagbaren Zeitpunkt statt. Alle diese Eigenschaften sind für besondere Anwendungsfälle von optischen Sendern vorteilhaft, beispielsweise für ein Entfernungsmeßgerät, d. h. für eine Ortung unter Verwendung von sichtbaren oder Infrarotfrequenzen.

Die Ausgangssteuerung von optischen Sendern durch innere Totalreflexion ist auch vorteilhaft für andere Zwecke als das Erzielen von intensiven steuerbaren Impulsen aus einem gütegeschalteten, optischen Resonator. Eine solche Ausgangssteuerung kann dazu verwendet werden, daß der Ausgang aus einem optischen Sender stärker richtungsgebündelt ist, als es bei einem einfachen Resonator mit planparallelen Reflektoren der Fall sein würde. Die Eigenschaft eines optischen Senders, auf Grund welcher er einen stark richtungsgebündelten Ausgang hat, wird manchmal durch die Zahl der in ihm erzeugten und emittierten Schwingungstypen ausgedrückt. Dies ist ein vorteilhaftes Verfahren für die mathematische Analyse von optischen Resonatoren und ist ein Ergebnis von theoretischen Untersuchungen der Fortpflanzungsarten von Hochfrequenzenergie in Mikrowellenhohlräumen und Übertragungsleitungen. Die Erzeugung eines stark richtungsgebündelten Ausgangsstrahls wird daher manchmal als Schwindungstypselektion bezeichnet. Die Wirkungsweise der Erfindung wird hier ohne Bezugnahme auf das Konzept der Ausbreitungsarten erläutert, obwohl sie auch von diesem Gesichtspunkt aus beschrieben und analysiert werden könnte.

F i g. 2 zeigt einen optischen Sender mit Schwingungstypselektion oder Selektion seiner Fortpflan-Zungsrichtung durch innere Totalreflexion gemäß der Erfindung. Das Gerät nach Fig.2 ist in vieler Beziehung dem Gerät nach F i g. 1 ähnlich, so daß die vorangehend in Verbindung mit F i g. 1 gegebene Erläuterung der Grundprinzipien der Wirkungsweise

ίο auch für das Gerät nach F i g. 2 zutrifft. Der optische Sender 51 in F i g. 2 enthält ein stimulierbares Medium, beispielsweise einen Rubinstab 52. Dieser kann mit einer reflektierenden Fläche 55 auf seiner Stirnfläche 54 versehen sein, während das andere Ende 53 des Stabes 52 schräg gerichtet sein kann, um die Übertragungsverluste herabzusetzen, wie vorangehend in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben wurde.

Der optische Sender 51 enthält weiter die optischen Bauteile 58 und 64, die den optischen Bauteilen 18 und 24 der F i g. 1 entsprechen. Das optische Bauteil 58 ist mit einer Eintrittsfläche 62, reflektierenden Flächen 60 und 61 und mit einer Austrittsfläche 63 versehen. Das optische Bauteil 64 weist eine Eintrittsfläche 67, reflektierende Flächen 65 und 66 und eine Austrittsfläche 68 auf.

Der optische Sender nach F i g. 2 weicht von demjenigen nach Fig. 1 insofern ab, als sein Strahl 59, der durch die optischen Bauteile 58 und 64 hindurchtritt und austritt, auf ein die Polarisationsebene drehendes Bauteil 69 auftrifft, das verschiedene Formen haben kann und beispielsweise ein Λ/2-Plättchen sein kann.

Die Aufgabe dieses Plättchens ist die Drehung der Polarisation des Strahls 59 um 90° beim Durchtritt in der einen oder anderen Richtung.

Hinter dem Plättchen 69 durchquert der Strahl 59 weitere optische Bauteile 71 und 72, die gegenüber den optischen Bauteilen 58 und 64 um 90° um eine zum Strahl 59 parallele Achse gedreht sind.

Beim Verlassen der optischen Bauteile 71 und 72 trifft der Strahl 59 auf einen ebenen Reflektor 73, von dem er zurückreflektiert wird. Während die Reflektoren 55 und 73 als ebene Reflektoren beschrieben wurden, kann der eine Reflektor oder können beide Reflektoren des optischen Senders beispielsweise die Form von Würfelecken haben oder können in bestimmten Fällen auch konkav sein.
Die Wirkungsweise des in F i g. 2 dargestellten optischen Senders ist am besten in Verbindung mit der Beschreibung zu F i g. 3, 4 und 5 verständlich. Aus der Beschreibung zu diesen Figuren ergibt sich, daß die optischen Bauteile 58 und 64 für eine gegebene Fortpflanzungsrichtung des Strahls 59 praktisch verlustlos sind. Für andere Richtungen als die begünstigte Richtung sind die Übertragungsverluste durch die optischen Bauteile 58 und 64 selbst bei einer kleinen Abweichung von der optimalen Richtung beträchtlich, wie aus F i g. 7 hervorgeht.

Die durch die optischen Bauteile 58 und 64 erzielte Selektivität besteht jedoch nur in der einen Ebene, nämlich in der Zeichenebene der F i g. 2. Die optischen Bauteile 71 und 72, welche mit 90° orientiert sind, sind vorgesehen, um eine Richtungsselektivität in einer Richtung im rechten Winkel zu derjenigen zu erhalten, welche durch die Elemente 58 und 64 erhalten wird, wodurch eine einzige Fortpflanzungsrichtung bestimmt wird, für welche die

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Verluste geringstmöglich sind. Da die optischen Bauteile 58, 64, 71 und 72 auch hinsichtlich der Polarisation des Strahls 59 selektiv sind, wird es wünschenswert, die Polarisation des Strahls um 90° zwischen dem optischen Bauteil 64 und dem optischen Bauteil S jTt zu drehen, so daß die Polarisation der Orientierung der optischen Bauteile angepaßt ist. Dies läßt sich leicht durch ein die Polarisationsebene drehendes Bauteil 69 erzielen.

■ Hierbei ist zu erwärmen, daß es, während das stimulierbare Medium und die optischen Bauteile bei den dargestellten Ausführungsformen gesondert und verschieden sind, auch möglich ist, die optischen Bauteile aus stimulierbarem Material herzustellen und dieses Material anzuregen, um eine optische Ver-Stärkung in den optischen Bauteilen herbeizuführen.

Aus der vorangehenden Beschreibung des Geräts nach F i g. 2 ergibt sich, daß nur Lichtstrahlen innerhalb eines außerordentlich kleinen Winkels (der Fortpflanzungsrichtung) vor und zurück durch den optisehen Sender ohne wesentliche Verluste übertragen werden können und dementsprechend die Schwingung des optischen Senders und dessen Ausgang auf diese Fortpflanzungsrichtung beschränkt sind. Die auf diese Weise erzielte Selektivität ist häufig wünsehenswert und wurde bisher durch Hilfsmittel, beispielsweise durch eine sehr große räumliche Trennung der Reflektoren erreicht. Das erfindungsgemäße Gerät ergibt durch innere Totalreflexion eine Selektivität, die derjenigen gleichwertig ist, welche mit sehr großer Trennung der Reflektoren erreicht wird, jedoch innerhalb ernes kleinen Raumes und mit einem relativ kleineren Ausfluchtungsproblem,
tion geschaffen, die außerdem eine wirksame und

Durch die Erfindung wird daher ein optischer Sender mit einer besonders wirksamen Richtungsselektion geschaffen, die außerdem eine wirksame und leicht steuerbare Q-Schaltung ermöglicht.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender für stimulierte Strahlung mit ausgeprägter Richtungsselektion, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des optischen Resonators eine mit mehrfacher Totalreflexion unter dem Grenzwinkel oder nahe unter dem Grenzwinkel arbeitende, stark richtungsempfindliche Reflexionseinrichtung angeordnet ist, deren für 'den Hin- und Hergang des stimulierten Lichtes vorwiegend symmetrisch gestaltete, optische Bauteile (18, 24; 58,64) neben parallelen Spiegelflächen (20, 21; 25, 26; 60, 61; 65, 66; .83, 84), an denen der stimulierte Strahl in optimaler Bahn (19,5.9,82) und bei optimalem Gütefaktor Q des optischen Resonators (15, 35; 55, 73) total reflektiert wird, Em- und Austrittsflächen (22, 23; 27, 28; 62, 63; 67, 68) aufweisen, die mit dem optimalen Strahl vorzugsweise den Brewsterschen Winkel bilden, dergestalt, daß jede .kleinste Abweichung des stimulierten Strahles aus der Richtung der optimalen Bahn infolge Unterschreitens des Grenzwinkels für die totale Reflexion starke Reflexionsverluste oder (mit anderen Worten) eine stärke Verkleinerung des Gütefaktors Q des optischen Resonators bedingt.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseinrichtung so angeordnet ist, daß eine Vergrößerung des Einfallswinkels gegenüber dem optimalen Grenzwinkel berm Hinweg eine Verkleinerung des Einfallswinkels auf dem Rückweg mit Unterschreitung des Grenzwinkels und umgekehrt bedingt.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 und 2 mit einem drehbaren reflektierenden Bauteil (31), welches das Licht mit Ausnahme einer einzigen Winkelstellung aus der optimalen Bahn (19) auslenkt, um Verluste hervorzurufen und so den Schwingungseinsatz des optischen Senders zu unterdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare reflektierende Bauteil (31) mit einem festen Endspiegel (37) zusammenarbeitet, dergestalt, daß die Verdopplungswirkung der Winkelgeschwindigkeit des sich drehenden reflektierenden Bauteils (31) zweifach ausgenützt wird.

4 Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Endspiegel als Dachkantprisma ausgebildet ist.

5. Optischer Sender nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens zwei optische Bauteile (71, 72) vorgesehen sind, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, um hierdurch eine vollständige Richtungsselektivität in Fortpflanzungsrichtung zu erzielen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Fr.anz.ösische Patentschrift Nr. 1306; 777;
Journal of Applie.d Physics, Bd. 33, Nr.

6, Juni

1962, S. 20Ö9 bis 2011;
Applied Optics, Bd. 1, Nr. 5, September 1962,

S. 577.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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