DE1233074B - Optischer Sender oder Verstaerker mit stehenden Laengswellen - Google Patents
Optischer Sender oder Verstaerker mit stehenden LaengswellenInfo
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Description
DEUTSCHES fM PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 21g-53/00
Nummer: 1233 074
Aktenzeichen: H 57560 VIII c/21 g
1233 074 Anmeldetag: 30. Oktober 1965
Auslegetag: 26. Januar 1967
Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker (Laser), der mit stehenden Längswellen
arbeitet, und zwar speziell einen optischen Sender mit stimulierbarem Festköφermedium, das in der
Lage ist, sowohl auf einer einzigen als auch auf zwei Frequenzen zu arbeiten, wobei dann die Frequenztrennung
in gewissen Grenzen steuerbar ist.
Es ist seit langem bekannt, daß übliche optische Sender mit Festkörpermedien Vorrichtungen sind,
bei denen vielfältige Schwingungsfonnen (Moden) auftreten. Das Ausgangsspektrum dieser optischen
Sender besteht aus mehreren Frequenzen, die Längsund Querschwingungen seines optischen Resonators
entsprechen. Es wurde experimentell festgestellt, daß nicht alle im Ausgangssignal des optischen Senders
vorhandenen Frequenzen gleichzeitig ausgesandt werden, sondern daß in erheblichem Umfang ein
sprunghafter Wechsel zwischen verschiedenen Schwingungsformen stattfindet.
Es ist offensichtlich, daß es sehr wünschenswert ist, eine Möglichkeit zu finden, um solche sprunghaften
Wechsel der Schwingungsformen unter Kontrolle zu bekommen und die Anzahl der stimulierten
Schwingungsformen zu begrenzen, weil hierdurch die Möglichkeit geschaffen würde, die gesamte Strahlungsenergie
des optischen Senders, die gewöhnlich auf eine große Anzahl von Schwingungsformen verteilt
ist, auf eine einzige Frequenz oder zwei benachbarte Frequenzen zu begrenzen.
Weitere Vorteile von optischen Sendern mit Festkörpermedium mit einer Überwachung der Schwingungsform
würden beispielsweise in ihrer Anwendung in Doppier-Ortungssystemen bestehen, in denen
ein sehr stabiles Ausgangssignal hoher Leistung nur einer Frequenz benötigt wird. Auch ein System mit
zwei Frequenzen mit genau bestimmtem Abstand wäre in Doppier-Ortungssystemen sehr von Vorteil,
da die zweite Frequenz ein zusätzliches Ausgangssignal bildet, das zur Überlagerung geeignet ist, so
daß übliche Zwischenfrequenz-Verstärker-Schaltungen benutzt werden können.
Im Gegensatz zu optischen Festkörpersendern kann ein optischer Sender mit einem gasförmigen
Medium leicht in nur einer Schwingungsform betrieben werden, jedoch hat das gasförmige Medium
den Nachteil, daß es nur eine geringe Leistung abzugeben gestattet.
Es wurde kürzlich im Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 8, August 1963, S. 2289 bis 2295, die
Hypothese vorgeschlagen, daß die Anwesenheit von mehreren Längsschwingungsformen in gewissen optischen
Sendern beispielsweise mit Rubinmedien Optischer Sender oder Verstärker mit stehenden
Längswellen
Längswellen
Anmelder:
Hughes Aircraft Company,
Culver City, Calif. (V. St. A.)
Culver City, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Phys. R. Köhler
Dipl.-Phys. R. Köhler
und Dipl.-Phys. Η. Schwindling, Patentanwälte,
Stuttgart, Hohentwielstr. 28
Stuttgart, Hohentwielstr. 28
Als Erfinder benannt:
Viktor Evtuhov,
Viktor Evtuhov,
Pacific Palisades, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. November 1964
(408 812)
V. St. v. Amerika vom 4. November 1964
(408 812)
a5 ebenso wie die Erscheinung des Springens der Frequenz einem Mangel an genügend schneller räumlicher
Relaxation der Inversion der Besetzungsdichte innerhalb des aktiven Bereiches des stimulierbaren
Kristalls zuzuschreiben ist. Zum Beweis dieser Hypothese durchgeführte Versuche wurden in Applied
Physics Letters, Bd. 2, Nr. 11, 1. Juni 1963, S. 222 bis 224, veröffentlicht. In dieser Hypothese wird angenommen,
daß bei einem optischen Sender mit einem Festkörpermedium, insbesondere mit einem
Rubin, der in einem üblichen optischen Resonator in einer gewissen Weise schwingt, die angeregten
Ionen an den Schwingungsbäuchen dieser Schwingungsform in den Zustand thermischen Gleichgewichts
zurückfallen, jedoch an den Stellen der Schwingungsknoten im angeregten Zustand verbleiben.
Daher tritt eine räumliche Modulation entsprechend der Umkehr der Besetzungsverteilung auf.
Wegen des Fehlens einer räumlichen Relaxation bleibt diese Modulation lange genug erhalten, so daß
der optische Sender bestrebt ist, die Schwingungsfrequenz zugunsten einer Welle zu ändern, bei der
wenigstens einige der Schwingungsbäuche sich an Stellen befinden, wo ein Maximum der Umkehr der
Besetzungsverteilung herrscht. Die Wiederholung dieses Vorganges und die Wechselwirkung mit
anderen Faktoren, wie der Anregung des Mediums, durch die die Umkehr der Besetzungsverteilung
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wiederhergestellt werden soll, werden für das Springen der Frequenz und das Erscheinen von mehreren
Längswellenformen im Ausgangsspektrum verantwortlich gehalten.
Der obenerwähnte Aufsatz in »Applied Physics Letters« beschreibt einen optischen Sender, der keine
durch stehende Wellen gebildete Schwingungsformen aufweist und bei dem daher keine Modulation der
Umkehr der Besetzungsverteilung und daher auch kein damit zusammenhängendes Springen der Frequenz
oder der Schwingungsform stattfindet. Die beschriebene Vorrichtung ist ziemlich kompliziert,
denn sie erfordert viele optische Bauteile, darunter auch einen optischen Gleichrichter, das ist eine nichtreziproke Anordnung, die nur in einer Richtung für
das Licht durchlässig, in der anderen Richtung jedoch für das Licht undurchlässig ist. Dieser optische
Sender erfordert infolgedessen einen sehr langen optischen Resonator, um alle diese Bauteile unterzubringen,
und es sind infolgedessen die Eigenfrequenzen dieses optischen Resonators, die vor der
Einschaltung des optischen Gleichrichters möglich sind, einander sehr dicht benachbart. Dies bedeutet,
daß die Resonanzgüte für jede dieser Frequenzen annähernd die gleiche ist. Das macht es schwierig, alle
Frequenzen, ausgenommen die eine oder die beiden gewünschten Frequenzen, zu unterdrücken, insbesondere
unter vorübergehenden Bedingungen und bei niederen Temperaturen. (Vergleiche hierzu »Spectral
Properties of a Single Mode Ruby Laser: Evidence of Homogeneous Broadening of the Zero-Phonon
Lines in Solids« in Physical Review, Bd. 136, Nr. 1 A, 5. Oktober 1964, S. Al bis A8.)
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein erheblicher Bedarf an einer einfachen Anordnung besteht,
die eine wirksame Überwachung der Längswellen und einen Betrieb auf einer Einzel- oder
Doppelfrequenz-Längswellenform ermöglicht. Von besonderem Vorteil wäre es, wenn dabei das Prinzip
einfacher stehender Wellen in einem kurzen optischen Resonator üblicher optischer Sender beibehalten
werden könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen optischen Sender oder Verstärker für kohärentes
Licht mit einem festen Körper als stimulierbarem Medium innerhalb eines optischen Resonators,
mit einer Strahlungsquelle zur Umkehr seiner Besetzungsverteilung und mit Mitteln, die die Ausbildung
einer einzigen Schwingungsform begünstigen, zu schaffen. Der erfindungsgemäße optische Sender
oder Verstärker ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer geometrisch ausgeglichenen Rückkehr
der .angeregten Ionen über die Länge des stimulierbaren Mediums in den thermischen Gleichgewichtszustand
ein stimulierbares Medium vorgesehen ist, das in einer zur Längsachse des optischen Resonators
senkrecht stehenden Ebene keine bevorzugte Polarisationsachse hat, daß das erzeugte kohärente Licht
auf der Längsachse des optischen Resonators in stehenden Wellen verteilt ist, von denen eine in das
ausgeprägte Optimum der Güte des optischen Resonators fällt und außerdem zwei orthogonale Polarisationskomponenten
derart aufweist, daß die innerhalb des optischen Resonators angeordneten doppelbrechenden
Mittel die Komponenten mit orthogonaler Polarisation längs der Achse des optischen
Resonators um ein Viertel ihrer Wellenlänge gegeneinander verschieben. Mit anderen Worten: Das
stimulierbare Medium ist mithin isotrop oder einachsig. Im Fall seiner Einachsigkeit ist seine Achse
auf die Achse des optischen Resonators ausgerichtet. Das stimulierbare Medium erzeugt dann längs der
genannten Längsachse kohärentes Licht. Dieses Licht ist auf der Längsachse in stehenden Wellen verteilt,
von denen jede einer anderen Wellenlänge entspricht. Für eine dieser stehenden Wellen mit ihren zwei
orthogonalen Polarisationskomponenten ist die Resonatorgüte des optischen Resonators größer als für die
anderen Wellen.
Der optische Sender enthält außerdem doppelbrechende Mittel, die innerhalb des optischen Resonators
angeordnet sind und dazu dienen, die obengenannten Komponenten mit orthogonaler Polarisation
längs der Achse des Resonators um ein Viertel ihrer Wellenlänge zu verschieben.
Durch die Erfindung wird auf einfache Weise erreicht, daß die aktiven Ionen des stimulierbaren
Kristallmediums gleichförmig und gleichzeitig durch die Felder stehender Wellen einer bestimmten Anzahl
von Frequenzen und insbesondere einer einzigen Frequenz auf den Besetzungszustand der thermischen
Gleichgewichts zurückgeführt werden können. Auf diese Weise kann das Ausgangsspektrum beeinflußt
und speziell die Anzahl der Längswellen auf eins beschränkt werden. Die Erfindung ist ganz besonders
dazu geeignet, in Verbindung mit Methoden zur Auswahl von Transversalschwingungsformen verwendet
zu werden. Sie führt dann auf einen echten Einwellen-Betrieb.
Durch die Erfindung wird demnach ein optischer Sender mit Festkörpermedium geschaffen, dessen
Ausgangssignal auf eine einzige Längsschwingungsform zurückgeht. Da hierbei die Energie, die gewöhnlich
auf eine große Anzahl von Längsschwingungsformen verteilt ist, in der einzigen Längsschwingungsform
konzentriert wird, wird durch die Erfindung ein stabiles Ausgangssignal hoher Leistung erzielt.
Es ist aber auch möglich, nach der Erfindung einen optischen Sender mit Festkörpermedium zu
schaffen, der auf zwei Frequenzen arbeitet und bei dem der Frequenzabstand innerhalb gewisser Grenzen
steuerbar ist.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen,
in der die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert wird. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der gewünschten Feldverteilung beim Betrieb mit einer einzigen
Längsschwingungsform,
Fig. 2 einen zur Erzeugung der Feldverteilung nach F i g. 1 ausgebildeten optischen Resonator, der
von -r-Plättchen Gebrauch macht,
4
4
Fig. 3 einen zur Erzeugung der Feldverteilung nach F i g. 1 ausgebildeten optischen Resonator, der
von Wollaston-Prismen Gebrauch macht, und
F i g. 4 einen optischen Resonator, der von Polarisatoren zwischen doppelbrechenden Platten und den
zugeordneten Spiegeln Gebrauch macht.
Wie oben ausgeführt, hat die Erfindung zum Ziel, eine geometrisch gleichförmige und gleichzeitige
Rückkehr der überbesetzten Ionen eines stimulierbaren Kristalls nach der Anregung zum thermischen
Gleichgewichtszustand durch die Felder von stehenden Wellen mit einer ausgewählten Anzahl von Fre-
quenzen zu bewirken, um hierdurch das Ausgangsspektrum so abzuändern, daß die Anzahl der Längsschwingungen
beschränkt werden kann. Die folgenden Ausführungen bieten zunächst die Prinzipien und
Techniken, die dazu dienen, einen Betrieb mit einer einzigen Längsschwingung zu erhalten. Anschließend
werden dann verschiedene Modifikationen behandelt.
Die Intensitätsverteilung in einer stehenden Welle auf der Längsachse eines optischen Resonators ist
sin2—τ— proportional, worin λ die Wellenlänge der
Strahlung dieser Schwingung und ζ der Abstand auf der Achse des Resonators ist. Unter der Annahme,
daß keine räumliche Relaxation stattfindet, wird die Verteilung der Umkehr der Besetzungsverteilung
nach der Schwingung in der einen Schwingungsform 1Z τι ζ
cos2-^— .Wie oben beschrieben, führt diese Besetzung zu einer Schwingung in einer anderen Längsschwingungsform.
Wenn dagegen zwei stehende Wellen der gleichen Frequenz gleichzeitig angefacht werden,
deren Intensitätsverteilung Sin 2--^und cos2-^^ proportional ist, wird die Rückkehr der angeregten
Elektronen in den Normalzustand gleichförmig, weil
snr
Itiz Itiz
—, h cos2—~—
= 1
ist und daher keine Modulation durch die umgekehrte Besetzungsverteilung stattfinden kann. Infolgedessen
kann unter diesen Umständen auch kein Springen der Frequenz erfolgen.
Die obengenannte, gewünschte Intensitätsverteilung kann erzeugt werden, indem im optischen Resonator
Licht verwendet wird, das verschieden polarisiert ist. Es genügt dann, die stehenden Wellen gleicher
Frequenz, die durch die beiden Polarisationen
gebildet werden, gegeneinander um zu verschieben.
Dies ist, ausschließlich zum Zweck der Erläuterung, in Fig. 1 veranschaulicht, in der eine in einer bestimmten
Richtung polarisierte stehende Welle durch die ausgezogene Linie 7 und eine stehende Welle mit
einer anderen Polarisation, die um phasenverschoben ist, durch eine gestrichelte Linie 9 angedeutet ist.
Der optische Resonator 11, in dem die stehenden Wellen 7 und 9 angefacht sind, umfaßt Spiegel 13, die
an den Enden eines Körpers aus einem stimulierbaren Medium, beispielsweise an einem Rubinstab 15, angebracht
sind, der eine Längsachse 17 aufweist. Der Rubinstab 15 wird durch übliche Mittel in einen überbesetzten
Zustand angeregt, beispielsweise durch eine Blitzlampe 18. Es sei erwähnt, daß die Verstärkung
in dem stimulierharen Medium für die beiden Polarisationen 7 und 9 praktisch gleich sein und für beide
stehenden Wellen der Schwellenwert zur gleichen Zeit erreicht werden muß, um in diesem Fall eine gleichförmige
Rückkehr der angeregten Elektronen in den Ruhezustand zu erzielen. Im Fall eines Rubins erfordert
dies, daß die c-Achse des Rubinkristalls mit der Achse 17 des Stabes 15 zusammenfällt. Um die Pha-λ
senverschiebung von im gesamten Medium aufrechtzuerhalten, muß der Kristall eine genügend hohe
optische Qualität haben, so daß die Länge des optischen Weges für beide Polarisationen 7 und 9
gleich ist.
Es gibt viele Möglichkeiten, um die erforderliche Phasenverschiebung zu bewirken. Eine hierzu geeignete
Anordnung umfaßt einen Rubinstab 21 der
Länge/, auf dessen Enden zwei-^--Plättchen 23 und 25 aus einem doppelbrechenden Material, beispielsweise
aus Saphir oder Quarz, vorzugsweise mit Butyl-
methacrylat .aufgekittet sind. Die beiden ^--Plättchen
ίο 23 und 25 sind in ihrer Orientierung um 90° gegeneinander
versetzt. Die Enden des derart zusammengesetzten Stabes 27 sind auf übliche Weise verspiegelt,
beispielsweise mit aufgedampften Silberspiegeln 29. Selbstverständlich könnten stattdessen auch davon
getrennte Spiegel zur Herstellung des optischen Resonators mit gleichem Erfolg benutzt werden. Der zusammengesetzte
Stab 27 wird in üblicher Weise angeregt.
Die Vorgänge in dem Stab 27 ergeben sich aus den folgenden einfachen Betrachtungen. Unter der An-
zo nähme, daß der Stab 21 aus einem stimulierbaren Medium für jede Polarisation den Brechungsindex η
und die -Plättchen 23 und 25 den Brechungsindex η für die eine Polarisation und den Brechungsindex n"
für die andere Polarisation aufweisen, dann ist die Länge des optischen Weges für die beiden Polarisationen
L1 = n'a + nl + n"b,
L2 = n"a -\- nl-\- n'b .
Sind die—Plättchen 23 und 25 gleich dick, ist also
a = b, so ist auch L1 = L2, und die beiden Polarisationen
haben Längsschwingungsformen mit genau übereinstimmendem Verlauf. Infolgedessen finden in
beiden Polarisationen Schwingungen mit der gleichen Frequenz statt, nämlich mit der Frequenz der Längsschwingung,
die dem Zentrum der Fluoreszenzlinie am nächsten ist. Die Phasenverschiebung zwischen
den beiden Polarisationen ist
ΔΘ
2π
Wenn («'—η")α—{2τη+1)-^, wobei m eine ganze
Zahl ist, dann ist Δ Θ — (2 m + 1) , und es sind die
beiden stehenden Wellen wie gewünscht um ±90° außer Phase.
Es ist wünschenswert, wenn auch nicht erforderlieh, das doppelbrechende Material für die -^--Plättchen
23 und 25 so zu wählen, daß n' und n" dem Wert von η sehr nahe sind. Auf diese Weise werden
Verluste an den Grenzflächen auf ein Minimum reduziert. Deshalb ist es bei der Verwendung von Rubin
für den Stab 21 vorteilhaft, als Material für die λ
^--Plättchen 23 und 25 Saphir zu verwenden. Ebenso kann es wünschenswert sein, wenn es auch nicht erforderlich
ist, die doppelbrechenden Platten 23 und 25 ebenfalls zur Verminderung der Verluste mit dem
Stab 21 in optischen Kontakt zu bringen.
Bei einem optischen Sender nach F i g. 2 wurde der
stimulierbare Stab 21 von einem O0-Rubinstab von 25,4 mm Länge und 3 mm Durchmesser gebildet. Die
-^--Plättchen 23 und 25 bestanden aus Saphir und hatten beide die gleiche Dicke von etwa 0,15 mm. Die
Silberspiegel 29 wurden durch unmittelbar auf die Plättchen 23 und 25 aufgedampftes Silber gebildet.
Einer der Spiegel hatte eine Durchlässigkeit von mindestens 1%. ZurAnregung diente ein doppelter elliptischer
Zylinderspiegel, dessen elliptische Zylinder eine Brennlinie gemeinsam hatten. Der polierte Spiegel
hatte eine Länge von 50,8 mm. Der Rubinstab 21 war in der gemeinsamen Brennlinie angeordnet. In
den anderen Brennlinien befand sich je eine Blitzlampe. Die Ellipsen hatten eine große Halbachse von
19,05 mm Länge und jeweils eine Exzentrizität von 0,33. AlsBlitzlampen fanden zwei geradlinige Xenon-Blitzlampen
Verwendung. Jede hatte einen Durchmesser von 5 mm und eine ausnutzbare Länge von
50,8 mm. Die Blitzlampen wurden von einem üblichen, eine Laufzeitkette aufweisenden Blitzgerät gespeist,
das eine Energie von etwa 150 Joule liefert.
Es kann in manchen Fällen erwünscht sein, eine Möglichkeit zum Verdrehen des Stabes 21 um seine
Längsachse zu haben, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Dies ist durch jedem einzelnen Rubinstab
innewohnende Eigenschaften bedingt. Wie bereits oben erwähnt, kann es weiterhin wünschenswert sein,
zusätzlich eine Technik zur Auswahl von Transversalschwingungen zu benutzen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Auch bei dieser Ausführungsform
der Erfindung wird von einem stimulierbaren Rubinstab 31 Gebrauch gemacht. An jedem Ende des Stabes
31 ist eine Vorrichtung zur Trennung der Strahlen verschiedener Polarisation vorgesehen, nämlich
je ein Wollaston-Prisma 33 und 35. Diese Prismen 33 und 35 sind in einem gewissen Abstand von Stab 31
dargestellt, können jedoch auch den Stab berühren. Jenseits jeder der beiden Prismen 33 und 35 befindet
sich ein Satz von Spiegeln 37 und 39, die in einem gewissen Winkel Θ zur Längsachse 36 des Rubinstabes
31 angeordnet sind. Die beiden durch Linien 40 und 41 dargestellten Polarisationen breiten sich innerhalb
des Stabes 31 aus. Diese Polarisationen werden von den Wollaston-Prismen 33 und 35, die auch durch
andere gleichartige Anordnungen ersetzt werden könnten, getrennt, und es ist für jede Polarisation ein
Spiegelsatz 37 bzw. 39 vorgesehen. Zur Beeinflussung der Längswellen ist die Länge des optischen Weges
zwischen den Spiegeln des einen Satzes in bezug auf die Spiegel des anderen Satzes so justiert, daß sich
innerhalb des stimulierbaren Rubinstabes 31 die in F i g. 1 dargestellte Feldverteilung ergibt. Die Stellung
der Spiegel 37 und 39 kann berechnet werden, indem die Längen der optischen Wege für die beiden Polarisationen
unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verschiedenen in dem optischen Resonator vorhandenen
Werkstoffe beachtet werden. Die Endjustierung kann beispielsweise unter Beobachtung des
Ausgangsspektrums des optischen Senders durch ein Fabry-Perot-Interferometer gemacht werden. Es ist
zu beachten, daß F i g. 3 nur eine schematische Darstellung zeigt und die in dieser Figur gezeigte Aufspaltung
der Polarisationen nur dem Zweck der Erläuterung dient.
Es ist offensichtlich, daß die vorstehend beschriebene Methode auch dazu benutzt werden kann,
Schwingungen auf zwei nahe benachbarten Frequenzen zu erzeugen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die
Länge der optischen Wege für die beiden Polarisationen leicht unterschiedlich zu machen. Hierdurch
werden die Spektren der Längsschwingungen der bei-
den Polarisationen leicht gegeneinander verschoben. Die beiden Frequenzen, nämlich eine für jede Polarisation,
die der Mitte der Fluoreszenzlinie am nächsten sind, sind diejenigen, die mit größter Wahrscheinlichkeit
schwingen. Allerdings wird die Rückkehr der Elektronen der angeregten Ionen in den
Grundzustand räumlich nicht so gleichförmig erfolgen wie im Fall einer vollständigen Übereinstimmung
der Frequenzen der beiden Polarisationen, jedoch
ίο kann die Lage der wirksamsten Rückkehr in den thermischen Gleichgewichtszustand bestimmt werden,
indem die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen verändert wird. Dies kann wiederum
durch eine entsprechende Bemessung der optisehen Dicke der beiden doppelbrechenden Platten 23
und 25 bei der Ausführungsform nach F i g. 2 erfolgen. Auf diese Weise kann eine genügend gleichförmige
Rückkehr der Elektronen in den thermischen Gleichgewichtszustand erzielt werden, um ein Schwingen
des optischen Senders auf anderen als den gewünschten beiden Frequenzen zu verhindern.
Die oben behandelten doppelbrechenden Platten 23 und 25 können durch ein Material mit variabler
Doppelbrechung ersetzt werden, beispielsweise durch solche elektro-optischen Werkstoffe, wie sie in Kerrzellen
Verwendung finden. Dann ist es möglich, von einem Mehrwellen-Betrieb auf einen Zweiwellen- oder
Einwellen-Betrieb umzuschalten oder stetig überzugehen. Auch kann die Differenzfrequenz zwischen
zwei Polarisationen prinzipiell auf jeden Wert innerhalb des Abstandes zwischen Longitudinalschwmgungen
einer Polarisation eingestellt werden. Weiterhin ist auch eine sehr schnelle Modulation der Differenzfrequenz
möglich.
Die Vorrichtung zur Überwachung des Längsschwingungs-Spektrums des oben an Hand Fig. 2
beschriebenen optischen Senders mit Festkörpermedium hängt von der gleichen Anregung zweier
orthogonaler Polarisationen längs der Achse des doppelbrechenden Materials ab, das zur Verschiebung
der Polarisationen um — dient. Wenn diese gleichmäßige Anregung auch von Natur aus auftreten kann,
kann es wünschenswert sein, diese Art der Anregung zu erzwingen, indem zwischen die doppelbrechenden
Platten und die Spiegel des Resonators Polarisatoren eingesetzt werden. Dies ist besonders dann von Vorteil,
wenn der als stimulierbares Medium dienende Kristall Fehlstellen aufweist. Bei der Ausführungsform
nach F i g. 4 enthält der optische Resonator 42 eines optischen Senders einen Rubinstab 43, an des- λ
sen Enden —Plättchen 45 und 47 angeordnet sind.
Diese Plättchen 45 und 47 haben je orthogonale ß- und -/-Achsen. Eine in Richtung der /S-Achse polarisierte
Welle breitet sich in dem Plättchen schneller aus als eine in Richtung der y-Achse polarisierte
Welle. Zwischen den -^-Plättchen 45 und 47 und 4
gleichartig ausgebildeten Spiegeln 59 sind Polarisatoren 53 und 55 angeordnet, deren Polarisationsachsen
57 gegenüber den ß- und y-Achsen der doppelbrechenden 4-Plättchen 45 und 47 um 45° verdreht
4
sind. Die Polarisatoren 53 und 55 bewirken, daß die Polarisationsebene des Lichtes an den Spiegeln 59 in
bezug auf die Achsen β und γ der Plättchen 45 und
47 um 45° verdreht ist. Diese Polarisation kann in
Claims (6)
1. OptischerSender oder Verstärker mit stehenden Längswellen für kohärentes Licht mit einem
festen Körper als stimulierbarem Medium innerhalb eines optischen Resonators mit einer Strahlungsquelle
zur Umkehr seiner Besetzungsverteilung und mit Mitteln, die die Ausbildung einer
einzigen Schwingungsform begünstigen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer geometrisch ausgeglichenen Rückkehr der
angeregten Ionen über die Länge des stimulierbaren Mediums in den thermischen Gleichgewichtszustand
das stimulierbare Medium (43) in einer zur Längsachse des optischen Resonators
(42) senkrecht stehenden Ebene keine bevorzugte Polarisationsachse aufweist und daß das erzeugte
kohärente Licht auf der Längsachse des optischen
50 Resonators in stehenden Wellen verteilt ist, von denen eine in das ausgeprägte Optimum der Güte
des optischen Resonators fällt und außerdem zwei orthogonale Polarisationskomponenten derart aufweist,
daß die innerhalb des optischen Resonators angeordneten doppelbrechenden Mittel (45 und
47) die Komponenten mit orthogonaler Polarisation längs der Achse des optischen Resonators
um ein Viertel ihrer Wellenlänge gegeneinander verschieben.
2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium
(43) die Form eines Stabes aufweist und die dop-
pelbrechenden Mittel aus—Plättchen (45 und 47)
bestehen, von denen je eines an einem Ende des Stabes (43) angeordnet ist.
3. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (43)
aus Rubin und die -^Plättchen (45 und 47) aus Saphir bestehen.
4. Optischer Sender nach Anspruch 2 oder 3,
daß jedes der — Plätt-
dadurch gekennzeichnet,
chen (45 und 47) senkrecht aufeinanderstehende ß- und 7-Achsen aufweist und daß zwischen jedem
der Plättchen und ihnen zugeordneten Spiegeln (59) ein Polarisationsmedium (53 bzw. 55) im
wesentlich senkrecht und symmetrisch zum Strahl des kohärenten Lichtes derart angeordnet ist, daß
die Polarisationsachsen (57) der Polarisationsmedien mit der ß- und der y-Achse einen Winkel
von 45° bilden.
5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die/S-Achse des einen -^- Plättchens (45) in der gleichen Ebene angeordnet ist
wie die y-Achse des anderen —Plättchens (47).
6. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium
einen Stab (31) bildet und an jedem Ende des Stabes im Wege des kohärenten Lichtes ein
Wollaston-Prisma (33 und 35) angeordnet ist, das das aus dem entsprechenden Ende des Stabes
austretende Licht auf zwei verschiedene Wege (40 und 41) aufteilt, und daß der optische Resonator
vier Spiegel (37 und 39) aufweist, von denen je einer senkrecht zum Lichtstrahl in einem
der beiden Wege der beiden Wegpaare angeordnet ist, so daß je ein Paar an den beiden Enden des
Stabes vorgesehen ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Applied Physics, Bd. 34, Nr. 8, 1963, S. 2289 bis 2297;
Applied Physics Letters, Bd. 2, Nr. 11, 1963, S.222 bis 224;
Physical Review, Bd. 136, Nr. 1A, 1964, S. Al bis A8;
Zeitschrift für angewandte Physik, Bd. 17, Nr. 1 vom 12. 2.1964, S. 1 bis 6;
Applied Optics, Bd. 3, Nr. 2, Februar 1964, S. 277 bis 279, insbesondere Fig. 3; Bd. 3, Nr. 4, April 1964,
S. 517 bis 521, insbesondere S. 518.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 759/326 1. 67 © Bundesdruckerei Berlin
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JP5418731B2 (ja) * | 2011-11-16 | 2014-02-19 | パナソニック株式会社 | 光学素子を用いてテラヘルツ電磁波を特定の偏光方向へ前記光学素子より射出する方法、および光学素子 |
US11996671B2 (en) * | 2021-03-23 | 2024-05-28 | Université De Moncton | Resonant cavity and a method of manufacturing the same |
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