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Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Aussendung sogenannter sekundärer elektromagnetischer
Strahlung einer oder mehrerer Frequenzen, die durch Verzerrung und/oder durch Mischung
aus einer nach dem Prinzip der stimulierten Emission (Maser bzw. Laser) erzeugten
sogenannten Primärstrahlung einer oder mehrerer Frequenzen in einem Medium mit nichtlinearen
optischen Eigenschaften für die zu verzerrende und/oder zu mischende Strahlung erzeugt
wird. Unter »Verzerrung« einer Strahlung ist dabei die Erzeugung von Harmonischen
der zu verzerrenden Strahlung zu verstehen.
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Im weiteren wird die zu verzerrende und/oder zu mischende Strahlung
auch als primäre und die in dem Medium mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften
durch Verzerrung und/oder Mischung erzeugte Strahlung auch als sekundäre Strahlung
bezeichnet.
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Unter Medien mit nichtlinearen Eigenschaften sind im Sinne dieser
Erfindung solche Stoffe zu verstehen, in denen die Erzeugung elektromagnetischer
Strahlung durch Verzerrung und/oder Mischung elektromagnetischer Strahlung anderer
Frequenz oder Frequenzen, wie im folgenden noch näher beschrieben, möglich ist.
Die so erzeugte sekundäre Strahlung und/ oder die primäre Strahlung brauchen jedoch
bezüglich ihrer Frequenzen nicht im Bereich optischer oder gar sichtbarer Strahlung
zu liegen.
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Anordnungen dieser Art sind bereits in jüngster Zeit vorgeschlagen
oder beschrieben worden. Es handelt sich dabei darum, daß von einem Maser bzw. Laser
erzeugte Strahlung hoher Intensität fokussiert durch ein Medium, das für diese Strahlung
sogenannte nichtlineare optische Eigenschaften hat, hindurchgestrahlt wird. In einem
derartigen Medium kann, wie sinngemäß z. B. aus der Nachrichtentechnik zu übertragen,
durch Verzerrung der Strahlung einer Frequenz oder Mischung von Strahlung verschiedener
Frequenzen Strahlung anderer Frequenz oder andere Frequenzen entstehen. Die Größe
des nichtlinearen Effektes ist jedoch selbst in den hierfür besonders geeigneten
Medien, z. B. Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) oder Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP),
allgemein sehr klein. Eine technisch verwertbare Auswirkung des Effekts erreichte
man bisher nur, wenn man in das Medium Impulse eines Lasers, die die höchsten derzeit
erreichbaren Leistungen einer monochromatischen Strahlung haben, fokussiert auf
das Medium einstrahlte. In den wenige Mikrosekunden dauernden Impulsen erreicht
man eine so große Intensität, daß beispielsweise bereits 20'% der in das obengenannte
Medium eingestrahlten Strahlungsleistung in Leistung der in dem Medium entstandenen
Strahlung neuer Frequenz, z. B. in Strahlung der Frequenz der zweiten Harmonischen,
der ersten Oberwelle, transformiert werden kann.
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Gegenüber diesem Stand der Technik stellt die erfindungsgemäße Anordnung,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß das nichtlineare Medium sich innerhalb eines
optischen Resonators (Laserresonators) befindet, in dem die zu verzerrende und/oder
zu mischende Primärstrahlung mittels stimulierter Emission erzeugt und aus dem die
durch Verzerung und/ oder Mischung erzeugte Sekundärstrahlung ausgekoppelt wird,
einen erheblichen Fortschritt dar. Unter einem Laserresonator zur Erzeugung der
zu verzerrenden und/oder mischenden Primärstrahlung, im folgenden als optischer
Resonator bezeichnet, ist eine Anordnung zu verstehen, in der die Laserstrahlung
in einem strahlungsverstärkenden Material durch stimulierte Emission erzeugt wird
und in der sich ein weitgehend stationäres Strahlungsfeld sehr hoher Intensität
dieser Strahlung aufbaut. Abhängig von den Frequenzen der besagten Strahlung kann
der optische Resonator, wie allgemein bekannt, verschiedene Form haben, er kann
beispielsweise ein Hohlraumresonator, ein Interferometer mit Resonanzeigenschaften,
z. B. ein Perot-Fabry-Interferometer oder eine Anordnung, in der die Strahlung auf
einem in sich geschlossenen Weg umläuft, sein.
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Da sich in einem wie oben beschriebenen optischen Resonator eine Strahlung
sehr hoher Intensität ausbilden kann und auch die Strahlung auf ihrem Hin-und
Her-
bzw. Umlauf im optischen Resonator mehrmals durch das Medium mit den nichtlinearen
optischen Eigenschaften hindurchtritt, läßt sich, gegenüber den bekannten Anordnungen,
bei denen sich dieses nichtlineare Medium außerhalb eines derartigen Laserresonators,
z. B. in dem Strahlengang eines aus seinem Erzeugungssystem ausgetretenen Laserstrahles
befindet, bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Umwandlung von Strahlung einer
oder mehrerer Frequenzen mit Hilfe eines Mediums mit nichtlinearen optischen Eigenschaften
mit einem bisher, z. B. im Dauerstrichbetrieb, nicht erreichten Maß der Umwandlung
durchführen.
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Ganz besondere Vorteile ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung, wenn man dafür sorgt, daß keine
oder nur wenig Intensität der primär nach dem Prinzip der stimulierten Emission
erzeugten und im optischen Resonator verlaufenden Strahlung aus diesem Resonator
ausgekoppelt wird.
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Wird dem optischen Resonator, abgesehen von dessen Verlusten, im wesentlichen
nur die Intensität der durch Verzerrung und/oder Mischung in dem besagten Medium
mit den nichtlinearen Eigenschaften erzeugten Strahlung gewünschter Frequenz entnommen,
so kann ein hoher Wirkungsgrad der Anordung erzielt werden, d. h., es kann die zugeführte
Pumpstrahlung im Grenzfall bis zu 1001/o in die Sekundärstrahlung der gewünschten
Frequenz umgewandelt werden. Unter »Pumpstrahlung« ist dabei die Anregungsenergie
zu verstehen, die dem sich in dem optischen Resonator befindenden strahlungsverstärkenden,
stimulierbaren Medium zuzuführen ist.
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Der Aufwand an Pumpstrahlung kann also bei der erfindungsgemäßen Anordnung
bei gegebener Leistung der gewünschten Strahlung relativ klein gehalten werden.
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'vVeitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung der
in den Figuren gezeigten und im folgenden erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispielen
hervor.
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F i g.1 stellt ein spezielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung zur Erzeugung einer Harmonischen der nach dem Prinzip der stimulierten
Emission erzeugten Strahlung dar, bei dem sich das Medium 1 mit den nichtlinearen
optischen Eigenschaften erfindungsgemäß in einem Laserresonator befindet. 11 ist
das strahlungsverstärkende stimulierbare Medium, z. B. ein Stab aus Rubin oder auch
ein mit Gas oder Flüssigkeit gefülltes Rohr. Als strahlungsverstärkendes, stimulierbares
Medium kann auch eine sogenannte Laserdiode verwendet werden. Das Pumpen des strahlungsverstärkenden,
stimulierbaren Mediums kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. 12 und
13 sind Reflexionsanordnungen, die für die im Laser erzeugte und in 1 in ihrer Frequenz
zu vervielfachende Strahlung ein besonders hohes Reflexionsvermögen besitzen. Hierfür
eignen sich z. B. Interferenzspiegel. Die zwischen 12 und 13 hin- und herlaufende
Strahlung 14 mit der Frequenz f verstärkt sich einerseits in 11 und wird in 1 verzerrt.
Die in 1 erzeugte Strahlung, die z. B. die Frequenz 2 f hat, ist in der Figur durch
7 und 8 parallel verschoben zu 14 angedeutet. Die Strahlung 7 und 8 kann durch die
Interferenzspiegel 12 und 13 aus dem optischen Resonator austreten. Das Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung der F i g. 2 entspricht im großen und ganzen dem
der F i g. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die in dem Medium 1 mit den nichtlinearen
optischen Eigenschaften durch Verzerrung oder Mischung erzeugte Strahlung durch
ein Mittel, das Strahlung mit verschiedenen Polarisationsebenen richtungsmäßig voneinander
trennt, aus dem optischen Resonator ausgekoppelt wird. Als derartiges Mittel kommt
z. B. ein Glan-Tompson-Prisma oder auch ein Wollaston- oder Rochonprisma (25) in
Frage. Die in der Figur von rechts in 25 eintretende Strahlung wird in 25 in verschiedene
Richtungen gelenkt, wobei die Strahlung der beiden Richtungen senkrecht zueinander
polarisiert ist. Der optische Resonator wird durch die Reflexionsanordnung 22 und
23 gebildet. Bei diesem Beispiel ist es nicht notwendig, daß 22 und 23 selektives
Reflexionsvermögen haben. 22 und 23 können beispielsweise Metallspiegel sein. Unter
Umständen ist es zweckmäßig, in dem optischen Resonator, insbesondere in der Nähe
von 1, etwa zwischen 25 und 1, eine Linse mit Sammelwirkung so anzuordnen, daß die
in 1 eintretende Strahlung in 1 weitgehend fokussiert bzw. konzentriert wird. Im
allgemeinen ist es in diesem Fall dann notwendig, an Stelle einer, wie in der Figur
angedeutet, planen Reflexionsanordnung 23 eine solche mit Hohlspiegelcharakter zu
verwenden. Die in 11 erzeugte und verstärkte Strahlung läuft, wie 24 angibt, zwischen
22 und 23 in dem optischen Resonator hin und her. 24 ist durch die Wirkung von 25
linear polarisiert, da nur die Strahlung mit der Polarisationsebene, für die der
optische Resonator die geringste Dämpfung hat, in diesem zur Resonanz kommt, d.
h. verstärkt wird. Sollte 11 für die Polarisationsrichtung der verstärkten Strahlung
selektiv sein, so ist die Ausrichtung von 11 und 25 aufeinander in an sich bekannter
Weise abzustimmen. Die in 1 durch Frequenzvervielfachung erzeugte und durch 25 als
Strahl 27 aus dem optischen Resonator ausgekoppelte Strahlung ist senkrecht zur
Strahlung 24 polarisiert. Der Grund hierfür wird im folgenden erläutert.
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Um einen maximalen Effekt der Verzerrung oder Mischung von Strahlung
in optisch nichtlinearen Medien zu erreichen, ist es bekanntlich notwendig, daß
die zu verzerrende bzw. die zu mischende Strahlung und die durch Verzerrung und/oder
Mischung in 1 erzeugte Strahlung bestimmte, aufeinander abgestimmte Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
in diesem Medium haben. Dazu ist es notwendig, daß eine bei der Mischfrequenz coM=ori
± w2 im Kristall frei laufende Welle die Fortpflanzungskonstante ßM=ßi±ß, hat. Für
den Fall der Erzeugung der n-ten Harmonischen bedeutet dies ooM=n - o) und
ßM=hß. Abgestimmte Fortpflanzungsgeschwindigkeit, d. h. Synchronismus für Strahlung
verschiedener Frequenzen ist jedoch, von Spezialfällen abgesehen, wie aus dem Indexellipsoid
hervorgeht, nur in optisch anisotropen Medien für Strahlung mit senkrecht aufeinanderstehenden
Polarisationsebenen und für bestimmte ausgewählte gemeinsame Richtungen der Wellennormalen,
bezogen auf die optischen Achsen des Mediums, zu erreichen. Für Strahlung mit zwei
verschiedenen Frequenzen genügt es, optisch einachsiges Material zu verwenden, das
in Richtungen der Mantellinie eines Doppelkegels die besagte Eigenschaft besitzt,
für Strahlung zweier verschiedener Frequenzen, die senkrecht zueinander polarisiert
sind, gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeit
zu haben. Die Strahlung
der einen Frequenz läuft dann als ordentlicher, die Strahlung der anderen als außerordentlicher
Strahl durch das Medium.
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Man läßt daher die Strahlung 24 in einem bestimmten Winkel zur optischen
Achse des Mediums 1 mit z. B. durch 25 ausgewählter Polarisationsebene in 1 eintreten.
Der Winkel ist, wie oben bereits erläutert, aus dem Indexellipsoid für das betreffende
Material mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften zu entnehmen. Die in 1 erzeugte
Strahlung tritt parallel gerichtet und senkrecht polarisiert zu 24 aus 1 aus. Dies
gilt sinngemäß ebenso für das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sowie für das der
folgenden F i g. 3. In 25 wird die in 1 erzeugte Strahlung von 24 richtungsmäßig
abgetrennt und aus dem optischen Resonator als Strahl 27 ausgekoppelt.
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Es ist leicht einzusehen, daß auf Grund der Bedingung gleicher Fortpflanzungsgeschwindigkeit
für maximalen Effekt ganz bestimmte Strahlung mit im voraus auswählbarer Frequenz
aus dem Spektrum der Oberwellen und/oder der Mischprodukte in 1 bevorzugt, d. h.
praktisch ausschließlich erzeugt wird. Diese Eigenschaft der Selektivität einer
solchen Anordnung ist technisch besonders vorteilhaft, da dadurch keine weiteren
diesbezüglichen Selektionsmaßnahmen erforderlich sind.
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F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Mischung
von Strahlung zweier Frequenzen, die in der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung
nach dem Prinzip der stimulierten Emission erzeugt wird.
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111 ist wie 11 ein strahlungsverstärkendes stimulierbares Medium,
dessen Strahlung 124 sich in 125 mit der in 11 erzeugten Strahlung 24 vereinigt.
122 ist ein Spiegel wie 22. Für den Fall, daß 122 ein Interferenzspiegel ist, ist
er auf die Frequenz der in 111 verstärkten Strahlung abzustimmen. 125 ist wie 25
ein Mittel, in dem parallellaufende, in 125 eintretende Strahlung mit verschiedener
Polarisationsebene richtungsmäßig voneinander getrennt werden kann. 24 und 124 sind
auf Grund der für die Polarisation dieser Strahlung selektiv wirkenden Eigenschaften
von 125 senkrecht aufeinander polarisiert. 36 ist ein Mittel, in dem die Polarisationsebene
linear polarisierter Strahlung verschiedener Frequenzen, aber gleicher Strahlrichtung,
um verschieden große Winkel gedreht wird. Die gilt z. B. für Quarz.
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36 ist so bemessen, daß die in der Strahlung 34 enthaltenen Anteile
24 und 124 entsprechend ihrer unterschiedlichen Polarisationsrichtung so durch 36
hindurchlaufen, daß die rechts von 36 verlaufende Strahlung 37 nur noch eine gemeinsame
Polarisationsrichtung hat. Die linear polarisierte Strahlung 37 tritt durch 25 hindurch
in 1 ein. Durch die nichtlinearen Eigenschaften des Mediums 1 wird die Mischung
der von 11 und 111 ausgehenden, in ihrer Frequenz unterschiedlichen Strahlung erreicht.
Die in 1 als Mischprodukt entstandene Strahlung ist senkrecht zu der Strahlung 37
polarisiert und tritt aus 25 als Strahl 38 aus dem optischen Resonator aus.
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In einzelnen Fällen ist es vorteilhaft, die Anordnung nicht mit planen
Reflektoren auszurüsten, sondern Anordnungen mit sphärischen Reflektoren vorzusehen,
bei denen innerhalb des optischen Resonators wenigstens an einer Stelle eine starke
Konzentration der dort verlaufenden Strahlung auftritt. An dieser Stelle empfiehlt
es sich, das Medium mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften anzuordnen. Es
ist aber zu beachten, daß der Öffnungswinkel der in das Medium eintretenden Strahlung
nicht so groß wird, daß der durch die Konzentration der im optischen Resonator verlaufenden
Strahlung zu erreichende Gewinn nicht durch Veränderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
für die Strahlung mit verschiedenen Frequenzen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln
der Strahlung in das nichtlineare Medium zunichte gemacht wird. Dieses ist auch
bei der im Zusammenhang mit F i g. 2 beschriebenen speziellen Ausführung mit einer
Linse im Strahlengang im optischen Resonator zu beachten.
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Allgemein ist es auch zweckmäßig, die in den Figuren der Ausführungsbeispiele
einzeln dargestellten Teile der erfindungsgemäßen Anordnung aneinandergereiht anzuordnen,
damit zusätzliche Reflexionsverluste an den Oberflächen dieser Teile vermieden werden.
Insbesondere können die den optischen Resonator begrenzenden Reflexionsanordnungen
meistens gleich auf den Flächen der Teile angebracht werden, die den oben statt
dessen vorzusehenden Reflexionsanordnungen am nächsten stehen.
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Für den Fall, daß die Frequenz der durch Mischung primärer Strahlung
entstandenen sekundären Strahlung sehr langwellig ist, empfiehlt es sich, auch andere
hier nicht hervorgehobene, aber aus der Mikrowellentechnik her bekannte Methoden
einer in einem Medium erzeugten elektromagnetischen Strahlung anzuwenden.