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Quantenmechanischer Sender oder Verstärker höchster spektraler Reinheit
Die Erfindung betrifft einen quantenmechanischen Sender oder Verstärker (Laser),
in dem eine nach dem Prinzip der stimulierten Emission verstärkte, elektromagnetische
Strahlung zwischen Reflexionsanordnungen, die einen optischen Resonator für diese
Strahlung bilden, verläuft und bei dem zwischen den Reflexionsanordnungen in Richtung
der Achse dieser dort verlaufenden Strahlung aufeinanderfolgende, zur Verstärkung
dieser Strahlung geeignete Teilbereiche vorgesehen sind.
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Unter einem »optischen Resonator« sind hier solche Resonatoranordnungen
zu verstehen, wie sie für die im angelsächsischen Schrifttum als »Laser« bezeichneten
Anordnungen verwendet werden.
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Als für die Verstärkung geeignetes Medium sind Festkörper, wie z.
B. dotiertes Aluminiumoxyd (Rubin), Calciumwolframat oder Calciumfluorid, bekanntgeworden,
die zwischen Reflexionsanordnungen angeordnet sind. Bekanntlich wird in derartigen
Anordnungen kohärente, monochromatische Strahlung erzeugt, die je nach dem Aufbau
des Resonators mehr oder weniger scharf gebündelt sein kann.
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Die eigentliche Strahlungsverstärkung beruht auf der sogenannten stimulierten
Emission, d. h. auf der Resonanzauslösung bestimmter strahlender Übergänge angeregter
Atome oder Moleküle von einem Energiezustand in einen energetisch tiefer liegenden.
Im allgemeinen kommen für die Aussendung der stimulierten Strahlung die Übergänge
angeregter Dotierungsatome, beispielsweise des Chroms im Wirtskristall, z. B. Aluminiumoxyd,
in Frage.
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Anordnungen zur Erzeugung derartiger Strahlung haben aber im allgemeinen
den Nachteil, daß sie monochromatische Strahlung verschiedener Schwingungsmoden,
z. B. Strahlung verschiedener eng benachbarter Wellenlängen aussenden. Für derartige
Anordnungen ist dies nicht ungewöhnlich, da die Strahlung sehr kurzwellig ist und
ihre Wellenlänge gegenüber den Abmessungen des verwendeten Resonators ist. Der Resonator
kann also nicht allein durch seine geometrischen Abmessungen einzelne Schwingungsmoden,
insbesondere Strahlung nur einer Wellenlänge als Grundwelle des Resonators, heraussieben.
Es sind zwar bereits Verfahren bekanntgeworden, durch die die sogenannten transversalen
Schwingungsmoden, das sind örtlich in Richtung transversal zur Strahlungsrichtung
der Strahlung wechselnden Schwingungszustände, beherrscht werden können. Für die
oben beschriebenen sogenannten longitudinalen Schwingungsmoden, d. h. für Strahlung
verschieden eng benachbarter Frequenzen sind jedoch bisher nur die gekoppelten Resonatoren
als geeignete Maßnahmen bekanntgeworden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem quantenmechanischen Sender
oder Verstärker das Entstehen und damit die Aussendung von Strahlung nur einer Frequenz
zu erreichen. Eine Anordnung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände benachbarter, durch nichtstrahlungsverstärkend
wirksame Bereiche voneinander getrennter Teilbereiche in Richtung der Achse so gewählt
sind, daß die Intensitätsmaxima der bezüglich ihrer Frequenz ausgewählten Strahlung
gegenüber denjenigen anderer im Resonator möglicher Frequenzen verstärkbarer Strahlung
in, so viel größerer Anzahl in diese Teilbereiche fallen, daß der Verstärkungsfaktor
für die ausgewählte Strahlung wenigstens um etwa 3 % größer ist, so daß diese Abstände
im wesentlichen in der Größe der halben Wellenlänge oder ganzzahliger Vielfacher
derselben liegen.
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Unter einem zur Verstärkung geeigneten Bereich ist im Sinne der Erfindung
ein Bereich zu verstehen, in dem bei der in Frage kommenden Anordnung nach vorheriger
Umkehrung der Besetzungsverteilung eine Strahlungsverstärkung der gewünschten, von
der Anordnung zu emittierenden Strahlung nach dem Prinzip der stimulierten Emission
durchführbar ist. Es soll also darunter nur der Bereich des Mediums verstanden sein,
der eine für die von der Anordnung in dem Medium erzeugte derartige Strahlung strahlungsverstärkende
Wirkung hat. Bei Rubin ist dies z. B. bekanntermaßen der Bereich des Aluminiumoxideinkristalls,
in dem eine Dotierung mit Chrom etwa in der Größenordnung von 0,006 bis 0,5% vorliegt.
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Es sind bereits derartige Anordnungen bekanntgeworden, bei denen der
Kristall aus dotiertem und aus nichtdotiertem Material besteht, z. B. eine, bei
der ein zylinderförmiger Kristall, der in seinem Innern entlang der Achse, die mit
der Richtung der
im Medium verlaufenden verstärkten Strahlung etwa
übereinstimmt, als Rubin dotiert ist und der außen herum aus Saphir besteht. Diese
Anordnungen lösen die Aufgabe, das zur Erreichung der Umkehrung der Besetzungsverteilung
notwendigerweise einzustrahlende Licht auf eine jeweils besondere Weise zu bündeln.
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Es sei ergänzend erwähnt, daß Saphir häufig, z. B. mit Eisen, geringfügig
dotiert ist und dementsprechend als dotiertes Aluminiumoxid bezeichnet wird. Eine
Dotierung dieser Art kann sowohl bei dem beschriebenen Beispiel als auch im Sinne
der Erfindung als für Verstärkung geeigneter Teilbereich außer Betracht bleiben,
da diese Dotierung im Zusammenhang mit der Verstärkung oder Erzeugung von derartiger
Strahlung keine praktische Bedeutung hat.
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Gegenüber diesem Stand der Technik liegt bei der erfindungsgemäßen
Anordnung eine Aufteilung in zur Verstärkung geeignete und zur Verstärkung nicht
geeignete Teilbereiche in Richtung der im Resonator verlaufenden Strahlung vor.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen mit Hilfe von Figuren erläutert
werden.
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F i g. 1 stellt ein vereinfachtes Beispiel einer der Erfindung gemäßen
Anordnung dar. Mit 1 sei das Medium dieser Anordnung, z. B. ein Aluminiumoxideinkristall,
bezeichnet, "der mit beispielsweise zueinander planparallelen Endflächen 2; 3 versehen
ist. Die Stirnflächen 2 und 3- sind als spiegelnde Reflexionsanordnungen ausgebildet.
Zwischen 2 und 3 verläuft die stimulidrte Strahlung, wie 4 andeutet. Mit 5 ist eine
Strahlungsquelle zur Erzeugung der für die Umkehrung der, Besetzungsverteilung des
Kristalls notwendigen Strahlung 7 bezeichnet, die in 1 eingestrahlt wird. Der Generator
6 ist mit der Strahlungsquelle 5 elektrisch verbunden und liefert die für 5 notwendige
Energie._ Der Aluminiumoxidkristall des Beispiels der F i g. 1 sei der Einfachheit
der Darstel= Jung halber in nur sieben zur Verstärkung geeignete Teilbereiche 11,
12, 13, 14; 15, 16, 17 und in zur Verstärkung nicht geeignete Teilbereiche
111 bis 118 aufgeteilt. Es sei erwähnt, daß es an sich schon ausreichend
ist, wenn eine derartige Aufteilung nur im Bereich der im Kristall verlaufenden
und dort: verstärkten Strahlung vorliegt.
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Das Prinzip, das dieser Aufteilung zugrunde liegt, läßt sich mit Hilfe
der F i g. 2 erklären.
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In der F i g. 2 ist die örtliche Intensitätsverteilung von drei in
dem als Resonator ausgebildeten Kristall an sich möglichen Schwingungsmoden aufgetragen.
Bekanntlich entsteht in einem Resonator eines quantenmechanischen Senders oder Verstärkers
nur Strah=-lung derjenigen Frequenzen, die sowohl in die Fluoreszenzlinie der Stahlungsverstärkung
fallen als auch ein Strahlungsfeld- stehender Wellen im Resonator bei unserem Beispiel
zwischen den Spiegelflächen 2 und 3 des optischen Resonators, ausbilden können.
Am Ort der Spiegelflächen 2 und 3 befindet sich naturgemäß jeweils ein Schwingungsknoten,
d. h. ein Nullpunkt der Intensität. 21, 22 und 23 sind Intensitätsverteilungen von
drei benachbarten Schwingungsmoden, von denen die 22 entsprechende Strahlung der
nächst niedrigeren Frequenz und 23 Strahlung der nächst höheren Frequenz, bezogen
auf die Strah= lang der Intensitätsverteilung 21, ist. Weitere longitu- t dinale
Schwingungsmoden zwischen 22 und 23 sind nicht möglich: Ein Vergleich
zwischen F i g. 1 und 2 läßt erkennen, daß die Maxima der Intensitätsvertei-Jung
von 21 mit den Bereichen 11 bis 17 zusammenfallen, während die Intensitätsverteilungen
der frequenzmäßig benachbarten Schwingungsmoden 22 und 23 mit 11 bis 17 weniger
gut übereinstimmen. Bekanntlich ist die Strahlungsverstärkung durch stimulierte
Emission außer von der Höhe der Umkehrung der Besetzungsverteilung auch abhängig
von der Höhe der Intensität des Strahlungsfeldes im Resonator. Die Strahlung der
Intensitätsverteilung 21 findet in 11 bis 17 gegenüber der von 22 und 23 günstigere
Bedingungen zur Verstärkung. Die Anordnung der F i g.1 wird also nur in der Frequenz
der Strahlung von 21 anschwingen und daher auch nur diese Strahlung erzeugen. Aus
den F i g. 1 und 2 erkennt man, daß für die geeignete Anordnung der Bereiche der
Abstand von Mitte zu Mitte der Bereiche maßgebend ist, und daß die zur Verstärkung
geeigneten und die zur Verstärkung nicht geeigneten Bereiche nicht scharf gegeneinander
abgegrenzt zu sein brauchen.
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3 Wenn die Dicke der zur Verstärkung geeigneten Bereiche vergleichbar
oder größer als die halbe Wellenlänge wird, ist sinngemäß der erfindungsgemäß vorzusehende
Abstand zur Verstärkung geeigneten Bereiche von einem Maximum der Intensität der
gewünschten Strahlung in einem zur Verstärkung geeigneten Bereich zum entsprechenden
Maximum im benachbarten zur Verstärkung geeigneten Bereich zu rechnen. Selbstverständlich
ist die Wellenlänge der Strahlung in dem Medium maßgebend. Für eine Frequenzauswahl
gemäß der Erfindung ist es wichtig, daß die Zahl der Intensitätsmaxima der gewünschten
Strahlung, die in zur Verstärkung- geeignete Bereiche fallen, im Gegensatz zu der
irgendeiner anderen Strahlung, die ein Strahlungsfeld stehender Wellen in dem Resonator
ausbilden könnte und deren Frequenz in die natürliche Linienbreite der Fluoreszenz
fallen würde, um so viel größer ist; daß der Verstärkungsfaktor für die gewünschte
Strahlung wenigstens um etwa 3 % größer ist. Es ist demgemäß nicht notwendig, daß
jedem Maximum der gewünschten Strahlung ein zur Verstärkung geeigneter Bereich zugeordnet
ist. Die Zahl der Maxima kann also durchaus größer sein als die Zahl der zur Verstärkung
geeigneten Bereiche im Resonator. Insbesondere erhält man in vielen Fällen noch
eine brauchbare Frequenzauswahl, wenn die Abstände benachbarter zur Verstärkung
geeigneter Bereiche mehrere halbe Wellenlängen der zu verstärkenden Strahlung groß
sind. Ebenso können die zur Verstärkung geeigneten Bereiche auch ein Vielfaches
der halben Wellenlänge dick sein. Durch die beiden letztgenannten Bemessungsmöglichkeiten
erleichtert sich in vielen Fällen die Herstellung der für die erfindungsgemäße Anordnung
zu verwendenden Kristalle.
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Es sei noch hervorgehoben, daß es für die Frequenzauswahl ausreichend
ist, wenn das Innere des Resonators nur zum Teil gemäß der Erfindung in zur Verstärkung
geeignete und nicht geeignete Bereiche aufgeteilt ist.
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Die Anwendbarkeit derartiger Vereinfachungen der Anordnungen ist abhängig
von der Zahl der im Medium möglichen longitudinalen Eigenschwingungen und damit
abhängig von der Linienbreite der Fluoreszenz des Mediums. Die notwendige Mindestzahl
für aufeinanderfolgende, zur Verstärkung geeignete Bereiche richtet sich nach der
Zahl der innerhalb der Linienbreite des Mediums möglichen Eigenfrequenzen des Resonators.
Die Abstände von einem
zur Verstärkung geeigneten Bereich zum benachbarten
sollten entlang dem Strahlenweg im Resonator keine systematischen Abweichungen gegenüber
den oben angegebenen Abständen haben, d. h. zum Beispiel nahe dem einen Ende des
Resonators generell einen größeren Wert haben als nahe dem anderen Ende. Statistische
Schwankungen der Abstände zur Verstärkung geeigneter Bereiche sind jedoch, wie Untersuchungen
ergaben, relativ unkritisch, insbesondere dann, wenn die Zahl der aufeinanderfolgenden,
zur Verstärkung geeigneten Bereiche sehr groß ist.
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F i g. 3 beschreibt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
die als ein sogenannter »Diodenlaser« ausgebildet ist. Die Umbesetzung wird bei
dieser Art eines quantenmechanischen Senders oder Verstärkers, wie bekannt, durch
strominjizierte Ladungsträger in pn-Übergangsschichten erzeugt.
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31 ist ein Halbleiterkörper, z. B. aus Galliumarsenid. In
31 befinden sich, wie in 1, die zur Verstärkung geeigneten Bereiche
34 bis 38, die durch pn-ü'bergänge realisiert werden. Im Bereich dieser übergänge
findet die Strahlungsverstärkung der im Halbleiterkörper zwischen den den Resonator
bildenden Endflächen, 32, 33 verlaufenden Strahlung statt. 32 und 33 haben für die
Strahlung reflektierende Eigenschaften. 41, 42 und 43 sind angenommen p-leitender
und 44, 45 und 46 n-leitender Bereich des Halbleiterkörpers. 41, 42
und 43 sowie 44, 45, 46 sind untereinander elektrisch verbunden und an die Stromquelle
51 angeschlossen.
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Die Abstände von 34, 35, 36, 37 und 38 voneinander sind erfindungsgemäß
so gewählt, daß ihre Abstände z. B. eine halbe Wellenlänge der gewünschten Strahlung
groß ist. Da »Diodenlaser« in ihrer hohen spezifischen Verstärkung sehr kurz sein
können, d. h., daß der Abstand zwischen den Reflexionsflächen des Resonators sehr
klein sein kann, z. B. in der Größenordnung von wenigen Millimetern, kommen trotz
allgemein größerer Bandbreite der Fluoreszenzlinie von Halbleitern gegenüberStoffen
wieRubinundCalciumwolframat, wenige mögliche longitudinale Schwingungsmoden in Frage.
Dies gilt insbesondere für die bei »Diodenlasern« bisher verwendeten Stoffe.
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Anordnungen mit erfindungsgemäß aufeinanderfolgenden zur Verstärkung
geeigneten und nicht geeigneten Bereichen, z. B. »Diodenlaser«, wie in der F i g.
3 dargestellt, lassen sich durch epitaktisches Aufwachsen in diesem Fall von abwechselnd
n- und p-leitendem Halbleitermaterial herstellen.