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Empfänger für von einem Laser ausgesandtes, moduliertes Licht Die
Erfindung betrifft einen Empfänger für von einem Laser ausgesandtes, moduliertes
Licht, das aus einer Anzahl Eigenschwingungen besteht, die durch ein charakteristisches
Frequenzintervall (der Breite fp) voneinander getrennt sind und mit einem Niederfrequenzsignal
moduliert sind, dessen Frequenz weniger als die Hälfte der in Hertz ausgedrückten
Breite (fp) des charakteristischen Frequenzintervalls beträgt und bei dem durch
einen Lichtdetektor eine der Energie des modulierten Lichtes linear proportionale
Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) erzeugt wird.
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Es gibt bereits mehrere Vorschläge für die Modulation eines Laser-Lichtstrahles.
Nach einem dieser Vorschläge wird zur Direktmodulation des Lichtstrahls einer Laseranordnung
mit einem Breitband-Niederfrequenzsignal ein elektrooptischer Kalium-Hydrogen-Phosphat-Kristall
von hoher Modulationsempfindlichkeit verwendet. Dazu wird dieser Kristall auf den
Curiepunkt abgekühlt. Dies ermöglicht es - übrigens, indem die Pumpenenergie in
einfach erzielbarer Weise mit einem ziemlich schmalbandigen, niederfrequenten Signal
moduliert wird -, das Licht nicht mit der Mikrowelle, sondern mit einem niederfrequenten
Signal mit hoher Empfindlichkeit und bei hervorragender Übertragungsgüte zu modulieren.
Es ist jedoch schwierig, bei der direkten Gleichrichtung wie mit einer Photozelle
oder einer Halbleiterverbindung eines derart mit einem Niederfrequenzsignal modulierten
Lichtstrahls, ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Eine solche
direkte Gleichrichtung ist wegen dem damit verbundenen sogenannten Flatterrauschen
oder f -Geräusch des Detektors, das umgekehrt proportional zur Frequenz ist, schwierig.
Für derart moduliertes Licht ist es daher zweckmäßig, den Lichtgleichrichter sowohl
dem empfangenen Licht als auch einer örtlich erzeugten Überlagerungslichtschwingung
auszusetzen, also von dem Überlagerungsempfang Gebrauch zu machen, wobei die Frequenzdifl'erenz
ausgewertet wird. Das Überlagerungslicht unterscheidet sich dabei von dem empfangenen
Licht um wenigstens einige Dutzend MHz. Es ist jedoch recht schwierig, eine stabile
Überlagerungsschwingung zu erzeugen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Empfängers, der von
diesem Flatterrauschen frei ist. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht,
daß ein Lichtdetektor vorgesehen ist, der eine der Energie des modulierten Lichtes
linear proportionale Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) erzeugt, die einem Zwischenfrequenzverstärker
zuführbar ist, dessen Mittenfrequenz ein positives, ganzzahliges Vielfaches (einschließlich
Eins) der Abstandsfrequenz ist, und durch einen Amplitudendetektor, mit dessen Hilfe
aus der Ausgangsspannung des Zwischenfrequenzverstärkers das Niederfrequenzsignal
wiedergewonnen wird.
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Dieser Zwischenfrequenzverstärker siebt somit aus dem Hochfrequenzsignal
dem Frequenzintervall der Eigenschwingungen bzw. einem ganzzahligen Vielfachen davon
entsprechende Zwischenfrequenzen aus, die die Modulation des Niederfrequenzsignals
aufweisen. Man kann somit aus dem Empfangssignal mit mehreren gleichabständigen
Trägerschwingungen unmittelbar eine Zwischenfrequenz gewinnen, ohne daß eine Überlagerungsschwingung
erforderlich wäre. Dadurch ist es möglich, das Flatterrauschen zu unterdrücken.
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Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden F i
g. 1 zeigt das Frequenzspektrum des von einem Laser erzeugten Lichtstrahls, der
als Trägerstrahl dient und durch eine Empfangsanordnung gemäß der Erfindung empfangen
wird; F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Empfangsanordnung.
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Dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung liegt ein amplitudenmodulierter
Laserstrahl von 1,153 p. Wellenlänge eines Neonlasers zugrunde.
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Wie aus der F i g. 36 auf S. 96 des Buches mit dem Titel »Lasers«
von Bela A. L e n g y e 1, veröffentlicht 1962 im Verlag John Wiley & Sons,
Inc., New York, hervorgeht, nimmt bei einem Helium-Neon-Gaslaser
die
Halbwertsbreite des ausgesendeten Lichtes vermöge des Dopplereffekts einen Frequenzbereich
von etwa 1000 MHz ein. Daraus folgt, daß bei Anordnung eines Helium-Neon-Gaslasers
zwischen den beiden im Abstand D befindlichen Enden eines Fabry-Perot-Reflektors,
wie es auf S. 100 in F i g. 32 des genannten Buches gezeigt ist, ein derartiger
Laser Licht erzeugt, das aus einer Vielzahl von Eigenfrequenzen innerhalb der bereits
erwähnten natürlichen Bandbreite besteht, die durch ein charakteristisches Frequenzintervall
der Breite fp voneinander getrennt sind, das durch die folgende Gleichung bestimmt
ist:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei - einem Abstand der beiden Seitenwände
des Fabry-Perötschen Reflektors von 1 m ergibt sich das Frequenzintervall zu
150 MHz.
Dabei ist k der Modulationsgrad. Um jegliche Art der Überlagerung eines Seitenbandes
der modulierten Schwingung auf eine andere Schwingung zu vermeiden, ist es notwendig,
daß die Frequenz Fr des Niederfrequenzsignals kleiner als der halbe Frequenzabstand
f p ist.
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In F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Laserempfängers
dargestellt. Diese Anordnung besteht aus einem Lichtdetektor 12, der- beispielsweise
eine Fotokathode oder ein Halbleiterelement zur Gleichlichtung des Lichtstrahles
11 von der Quelle 20 enthält. Der von der Quelle 20 erzeugte Lichtstrahl
besteht aus einer Vielzahl amplitudenmodulierter Eigenschwingungen, die mittels
des Detektors 12 in einen elektrischen Strom oder in elektrische Spannung
umgewandelt werden, dessen bzw. deren Größe der Energie des Laserlichtstrahles proportional
ist. Zur Verstärkung der Ausgangsspannung, die aus den modulierten Komponenten besteht,
die in einem gegenseitigen Frequenzabstand von mfp bei m = 1, 2
... N - 1 liegen, ist ein Zwischenfrequenzverstärker 13 vorgesehen,
dessen Mittenfrequenz gleich einer der Frequenzen mfp ist. Ein Detektor
14 ist ferner zur Amplitudendemodulation der verstärkten Zwischenfrequenz
vorgesehen. Der Anschluß 15 gibt die Ausgangsspannung des Detektors 14 an
den Verbraucher 21 weiter. Es ist noch zu erwähnen, daß der Detektor 12 entweder
als fotoelektrische Röhre mit einer Fotokathode oder als Halbleiterdiode mit einer
entsprechenden Sperrschicht ausgeführt ist. Geeignete Halbleiterdioden für Lichtstrahlen
von 1,153 #L Wellenlänge (1,1 eV) sind solche, die als p-n- oder p-i-n-Germanium-Halbleiter
ausgeführt sind (Eb = 0,7 eV). Derartige Fototransistoren werden beispielsweise
von der Firma Nippon Electric Comp. unter der Bezeichnung PD3L oder PD9L verkauft.
Der Lichtstrahl eines Helium-Neon-Lasers hat eine Wellenlänge von 6330 t@ (1,9 eV)
und derjenige eines Rubinlasers von 6930 .@. In diesen Fällen sind Siliziumdioden
mit p-n- oder p-i-n-Übergängen (Eb = 1,9 eV) geeignet, wie z. B. die Fotomischer
der Serie L-4501 der Firma Philco. Die Fototransistoren PD3L und PD9L können aber
Wie in F i g. 1 dargestellt, sei nun angenommen, daß die jeweilige Feldstärke der
N + 1 Eigenschwingungen des Gaslasers, die innerhalb der natürlichen Breite W in
Frequenzintervallen fp angeordnet sind, beträgt En'. cos
[2 ;r (F -i-- n - fp) t + P.], wobei n ein ungerades
Vielfaches zwischen 0 und N
einschließlich ist, ferner EJ die Amplitude der
n-ten Eigenschwingung bedeutet und F die Frequenz der Schwingung niedrigster Ordnung
bzw. der Schwingung mit dem Index Null ist. P" ist die Anfangsphase der n-ten optischen
Schwingung, und t bedeutet die Zeit. In dem Diagramm der F i g. 1 ist auf der Abszisse
die Frequenz und auf der Ordinate die relative Feldstärke En der Eigenschwingungen
aufgetragen. Bei Amplitudenmodulation des Laserlichtstrahles durch ein niederfrequentes
Signal mit der Frequenz FL, die unterhalb einiger MHz liegt, werden die elektrische
Feldstärken der modulierten Lichtschwingungen gleich infolge der Größe der elektrostatischen
Kapazität ihrer Übergangsschicht Signale bis zu einigen Dutzend kHz liefern. Wenn
sich die relativ niederfrequente Modulationsschwingung über ein weites .Band von
einigen Dutzend kHz erstreckt, ist es deshalb erforderlich, eine Germaniumdiode
mit -kleiner elektro= statischer Kapazität auszuwählen.
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Wenn der Lichtdetektor 12 der Beziehung i=aEQ genügt, wobei i der
Ausgangsstrom des Lichtdetektors 12, E die elektrische Feldstärke des Laserlichtstrahls
11 an seinem Eingang und a der Proportionalitätsfaktor ist, dann ergibt sich für
den Ausgangsstrom in von der Frequenz mfp die Beziehung
Wenn also der Ausgangsstrom i, der aus derartigen Ausgangsstromkomponenten 1. besteht,
durch den Zwischenfrequenzverstärker 13, der eine Mittenfrequenz von mfp aufweist,
verstärkt und anschließend durch den Detektor 14 amplitudendernoduliert wird,
dann erhält man am Ausgang 15 das demodulierte Signal der Frequenz FL, d.
h. die Wiedergabe des niederfrequenten Modulationssignals.
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Daraus ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Empfänger äquivalent
einem Überlagerungsempfänger arbeitet. Er empfängt den Laserstrahl 11, der
um einige Dutzend MHz voneinander entfernte Trägerkomponenten enthält, ohne daß
dabei das Niederfrequenz- oder
-Geräusch erzeugt wird. Wenn m gleich Eins ist, dann ergeben sich die modulierten
Komponenten der Frequenz fp aus N - 1 Kombinationen der Eigenschwingungen,
so daß sich eine größere Ausgangsspannung ergibt, als es vergleichsweise dann der
Fall ist, wenn m größer ist und näher bei N liegt. In diesem Zusammenhang muß erwähnt
werden, daß es, da das Frequenzintervall fp etwa
150 MHz groß ist,
bei einer optischen Strecke D zwischen den Reflektoren des Gaslasers von 1 m selbst
dann möglich ist, das
Geräusch ausreichend zu unterdrücken, wenn m zu 1 gewählt ist.
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Im übrigen ist ein Gaslaser für einen Sender, der mit der erfindungsgemäßen
Empfangsanordnung zusammenarbeiten soll, wesentlich besser geeignet als ein Festkörperlaser,
weil die Gleichförmigkeit des Gases größer als die eines Kristalls ist und weil
das Frequenzintervall fp sehr stabil ist, wenn der optische Abstand D zwischen den
Reflektoren exakt eingestellt wird.