DE1282209B - Optical transmitter - Google Patents

Optical transmitter

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DE1282209B
DE1282209B DET27907A DET0027907A DE1282209B DE 1282209 B DE1282209 B DE 1282209B DE T27907 A DET27907 A DE T27907A DE T0027907 A DET0027907 A DE T0027907A DE 1282209 B DE1282209 B DE 1282209B
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Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen hoher Spitzenleistung mittels Beeinflussung der Güte des optischen Resonators (ß-Schaltung), indem in seinem Innern ein Medium variabler Absorption verwendet wird, das sich nach Empfang einer genügenden Energiemenge aus der stimulierten Strahlung selbst sättigt, durchsichtig wird und damit den Weg innerhalb des optischen Resonators freigibt.The invention relates to an optical transmitter for generating output pulses of high peak power by influencing the quality of the optical resonator (ß-circuit) by placing inside it a medium of variable absorption is used, which after receiving a sufficient amount of energy from the stimulated radiation itself saturates, becomes transparent and thus the path within the optical Resonator releases.

Die allgemeine Theorie und die Wirkungsweise von optischen Sendern (Laservorrichtungen) ist heute allgemein bekannt und wurde bereits ausführlich in der Literatur beschrieben.The general theory and operation of optical transmitters (laser devices) is today generally known and has already been described in detail in the literature.

In vielen Fällen besteht der Wunsch, an Stelle der von derartigen Vorrichtungen normalerweise erzeugten spitzen, verstreuten Impulse mit relativ niedriger Spitzenleistung durch optische Impulssender einzelne Energieimpulse mit hoher Spitzenleistung zu erzeugen. Eine typische Anwendung für derartige scharf definierte Impulse ist die Entfernungsmessung, bei der der Beginn des Impulses einen Zeitgabezyklus einleitet, der beendet wird, wenn der Impuls empfangen wird, der von dem Objekt reflektiert wurde, dessen Entfernung zu messen ist.In many cases there is a desire to replace those normally produced by such devices sharp, scattered pulses with relatively low peak power from individual optical pulse transmitters Generate energy pulses with high peak power. A typical application for such sharply defined Impulse is the distance measurement where the beginning of the impulse initiates a timing cycle, which is terminated when the pulse is received that was reflected from the object whose Distance to be measured.

Es sind mehrere Ausführungsformen von Geräten zur Erzeugung derartiger einzelner Impulse mit hoher Spitzenleistung bekannt. Eine dieser Ausführungsformen verwendet eine KerrzelIe als einen optischen Verschluß zur Steuerung der Erzeugung von Impulsen hoher Spitzenleistung. Die Verwendung von Kerrzellen hat jedoch den Nachteil, daß eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung zum Schalten derselben aufgewendet werden muß.There are several embodiments of devices for generating such individual pulses with known for high peak performance. One of these embodiments uses a cell as one optical shutter for controlling the generation of high peak power pulses. The usage of Kerr cells, however, has the disadvantage that a relatively high peak power for switching the same must be used.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Geräte zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen hoher Spitzenleistung durch einen optischen Sender, wobei die Güte des optischen Resonators (ß-Schaltung) beeinflußt wird. Hierbei wird zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen hoher Spitzenleistung (manchmal auch »Riesen«-Impulse genannt) von einer optisehen Lawinentechnik Gebrauch gemacht. Bei dieser Technik wird ein Medium variabler Absorption in den übertragungsweg der stimulierten Strahlung im Resonator gebracht, um den Schwellenwert zu steuern, bei dem der optische Sender schwingt. Das Medium variabler Absorption hebt den Energieschwellenwert, bei dem die Schwingung im optischen Sender auftritt, über denjenigen Schwellenwert an, bei dem der optische Sender in Abwesenheit des absorbierenden Mediums schwingen würde. Das Einsetzen der Schwingung bei diesem höheren Schwellenwert »brennt« das absorbierende Medium »durch« und macht es durchlässig, wodurch der Weg innerhalb des optischen Resonators frei wird.The present invention also relates to devices for generating output pulses high peak power through an optical transmitter, whereby the quality of the optical resonator (ß-circuit) being affected. This is used to generate output pulses with high peak power (sometimes also called "giant" pulses) made use of an optical avalanche technique. At this Technique creates a medium of variable absorption in the transmission path of stimulated radiation placed in the resonator to control the threshold at which the optical transmitter oscillates. That Medium of variable absorption raises the energy threshold at which the oscillation in the optical Transmitter occurs above the threshold at which the optical transmitter occurs in the absence of the absorbing medium would vibrate. The onset of oscillation at this higher threshold The absorbing medium "burns through" and makes it permeable, thereby opening the way within of the optical resonator becomes free.

Für einen optischen Sender der eingangs erwähnten Art ist es bereits bekanntgeworden, ein photochromes Glas in den Pfad des stimulierten Lichtstrahls einzufügen. Das Glas wird unter der Wirkung des stimulierten Lichtstrahls durchlässig, während seine Durchlässigkeit für Licht kürzerer Wellenlängen abnimmt. Die vorliegende Erfindung zeigt einen anderen, allgemein anwendbaren Weg zur Steuerung eines optischen Senders ohne die Verwendung eines photochromen Glases, das den Nachteil hat, daß es so angepaßt sein muß, daß es bei einer speziellen Wellenlänge durchlässig wird.For an optical transmitter of the type mentioned at the outset, it has already become known, a photochromic Insert glass in the path of the stimulated light beam. The glass is under the action of the stimulated Light beam permeable, while its permeability for light of shorter wavelengths decreases. The present invention shows another generally applicable way of controlling an optical Transmitter without the use of a photochromic glass, which has the disadvantage of being so must be adapted so that it is transparent at a particular wavelength.

Kennzeichnend für die Erfindung ist, daß das absorbierende Medium entweder vom gleichen Stoff ist wie das stimulierbare Medium oder aber aus einem davon unterschiedlichen Material besteht, das aber nicht photochromes Glas ist.It is characteristic of the invention that the absorbent medium is either made of the same substance is like the stimulable medium or consists of a different material, but that is not photochromic glass.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die stimulierte Strahlung durch ein stimulierbares Medium erzeugt, beispielsweise durch einen festen Stab aus kristallinem Material (etwa Rubin) oder durch ein Gas. Das innerhalb des optischen Resonators angeordnete Medium variabler Absorption absorbiert die Strahlungsenergie, die anfangs bei der Anregung des stimulierbaren Mediums durch die Anregungsenergiequelle erzeugt wird. Infolge der absorbierenden Wirkung kann die Schwingung in dem stimulierbaren Medium nicht bei dem normalen Schwellenwert einsetzen, da die Verluste in dem optischen Resonator erhöht wurden. Da der Schwellenwert des Einsetzens der Schwingung in dem stimulierbaren Medium erhöht wird, setzt das absorbierende Medium seine Strahlungsabsorbierende Wirkung fort, bis es genügend stimulierte Strahlung aufgenommen hat, um gesättigt zu werden. Das bedeutet, daß von den zwei Energiestufen für die wirksame Absorption die höhere so lange angeregt wird, bis praktisch keine weitere Absorption stattfindet. Nun wird das absorbierende Medium wirkungsvoll durchlässig für die stimulierte Strahlung, so daß die Schwingung in dem stimulierbaren Medium auftreten kann. Infolge der Verzögerung des Einsetzens der Schwingung in dem stimulierbaren Medium, wie sie durch das absorbierende Medium erzielt wird, ergibt sich eine Erhöhung des Schwellenwertes der Schwingung. Hieraus folgt ein Anwachsen der Dichte der in dem stimulierbaren Medium gespeicherten Energie vor dem plötzlichen Verbrauch derselben zum Zeitpunkt des Durchlässigwerdens des absorbierenden Mediums. Durch diese Verzögerung wird die Spitzenleistung des Ausgangsimpulses stimulierter Strahlung erhöht.In a preferred embodiment of the invention, the stimulated radiation is through a stimulable medium generated, for example by a solid rod made of crystalline material (e.g. Ruby) or by a gas. The medium arranged within the optical resonator is more variable Absorption absorbs the radiant energy that initially occurs when the stimulable medium is excited is generated by the excitation energy source. As a result of the absorbing effect, the vibration in the stimulable medium does not set in at the normal threshold as the losses in the optical resonator were increased. Since the threshold value of the onset of oscillation in the stimulable medium is increased, the absorbing medium continues its radiation-absorbing Effect continues until it has absorbed enough stimulated radiation to become saturated. That means that of the two energy levels for effective absorption, the higher one is stimulated for so long until there is practically no further absorption. Now the absorbing medium becomes effective transparent to the stimulated radiation, so that the vibration in the stimulable medium can occur. Due to the delay in the onset of oscillation in the stimulable medium, as it is achieved by the absorbent medium, there is an increase in the threshold value the vibration. This results in an increase in the density of the stimulable medium stored energy before the sudden consumption of the same at the time of the becoming permeable absorbent medium. This delay stimulates the peak power of the output pulse Radiation increased.

Die optische Lawinentechnik der vorliegenden Erfindung ist praktisch auf stimulierbare Medien aller Arten für optische Sender, nämlich feste, flüssige oder gasförmige, anwendbar. Auch das Medium variabler Absorption kann ein geeignet ausgewähltes festes, flüssiges oder gasförmiges Material sein. Die optische Lawinentechnik ist besonders vorteilhaft, da sie die Erzeugung von Ausgangsimpulsen hoher Spitzenleistung durch Anwendung einer optischen Verschlußwirkung gestattet, die selbst keine Leistung von außen benötigt. Auch wird das für das absorbierende Medium verwendete Material vorzugsweise so gewählt, daß es wieder verwendbar ist, d. h., daß es bei der Erzeugung eines Ausgangsimpulses stimulierter Strahlung unter normal gestalteten Ausgangsleistungsbedingungen nicht zerstört wird.The optical avalanche technique of the present invention is practical on stimulable media of all types for optical transmitters, namely solid, liquid or gaseous, applicable. The medium too variable absorption can be an appropriately selected solid, liquid or gaseous material. the Optical avalanche technology is particularly advantageous as it enables the generation of higher output pulses Allowing peak performance through the use of an optical shutter effect, which itself is not performance needed from outside. Also, the material used for the absorbent medium is preferable chosen to be reusable, d. that is, it is more stimulated in generating an output pulse Radiation is not destroyed under normal output power conditions.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigtThe invention will now be described with reference to the drawings. It shows

F i g. 1 ein Diagramm für den Energieaufbau und die Schwingungsbedingungen in einem optischen Sender ohne einen optischen Verschluß,F i g. 1 shows a diagram for the energy build-up and the oscillation conditions in an optical Transmitter without an optical shutter,

F i g. 2 einen optischen Sender mit einer Kerrzelle zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen hoher Spitzenleistung, F i g. 2 an optical transmitter with a Kerr cell for generating output pulses of high peak power,

F i g. 3 einen optischen Sender, der die optische LawinentechnikzurErzeugungvonAusgangsimpulsen hoher Spitzenleistung verwendet,F i g. 3 an optical transmitter that uses optical avalanche technology to generate output pulses high peak power used,

F i g. 4A und 4 B Energieausgangsdiagramme eines optischen Senders, der die optische Lawinentechnik verwendet, undF i g. 4A and 4B energy output diagrams of an optical transmitter that uses optical avalanche technology used, and

F i g. 5 einen optischen Sender nach der optischen Lawinentechnik, bei dem ein gasförmiges Arbeitsmedium und ein gasförmiges absorbierendes Medium verwendet werden.F i g. 5 an optical transmitter based on optical avalanche technology, in which a gaseous working medium and a gaseous absorbent medium can be used.

Es sind schon einige Theorien zur Erklärung der Erzeugung von unregelmäßigen oder spitzenförmigen Ausgangsimpulsen von verhältnismäßig niederer Leistung bei einem optischen Impulssender entwickelt worden, der unter normalen Bedingungen arbeitet. Während keine dieser Theorien vollständig mit den bei arbeitenden optischen Sendern gemachten Beobachtungen übereinstimmt, so gehen sie doch alle das Problem von demselben allgemeinen Standpunkt aus an. Dieser allgemeine Standpunkt paßt zum Teil zu den gemachten Beobachtungen.There are already some theories to explain the generation of irregular or pointed ones Output pulses of relatively low power developed in an optical pulse transmitter working under normal conditions. While none of these theories completely agree with the observations made with working optical transmitters agree, they all work the problem from the same general point of view. This general point of view fits in with Part of the observations made.

Zur Erklärung der Erzeugung von Spitzenausgangsimpulsen in einem Rubinmedium besagen diese verschiedenen Theorien, daß im Schwingungszustand aus irgendeinem Grund die Anregung des stimulierbaren Mediums über seinen Wert im stetigen Zustand hinaus angeregt wird, während die stimulierte Emission zeitweise aussetzt. Wenn dann die stimulierte Emission wieder einsetzt, so wird der Anregungsenergievorrat unter den Wert des stetigen Zustandes verbraucht, der für die Aufrechterhaltung der Schwingung notwendig ist. Während der Zeit der sich verbrauchenden Anregung wird ein Strahiungsimpuls erzeugt. Die Anregung fällt ab, und das Energiefeld verschwindet mit einer Zeitkonstanten, die sich der des optischen Resonators annähert. Hiernach wiederholt sich der Vorgang von selbst, und während der Zeit, während der die Anregungsleistung konstant bleibt, werden die Amplituden des pulsierenden Strahlungsausgangs im wesentlichen auf einen Wert begrenzt, der durch diese Relaxations- oder Kippschwingung bestimmt wird.To explain the generation of peak output pulses in a ruby medium, these say various theories that in the vibratory state for some reason the excitation of the stimulable The medium is excited beyond its value in the steady state, while the stimulated Emission temporarily suspends. When the stimulated emission then starts again, the excitation energy supply is reduced below the value of the steady state consumed for the maintenance of the oscillation necessary is. During the time of the exhausting excitation, a radiation pulse is generated generated. The excitation falls off and the energy field disappears with a time constant that is equal to the of the optical resonator approximates. Then the process repeats itself, and during the Time during which the excitation power remains constant, the amplitudes of the pulsating Radiation output is limited essentially to a value that is caused by this relaxation or tilting oscillation is determined.

An Hand dieser einfachen Theorie kann gezeigt werden, daß eine der notwendigen Bedingungen für das Auftreten von stimulierter Strahlung erfordert, daß eine Frequenz vorhanden ist, bei der gleichzeitig der Gewinn durch das stimulierbare Medium gleich ist bzw. größer ist als die Gesamtsystemverluste, beruhend auf Ausgangskopplungen, Joulescher Wärme an den Reflektoren, Streuungen infolge von Unvollkommenheiten im Medium, Beugungen usw. Eine zweite Bedingung erfordert, daß die Phasenverschiebung über einen sich selbst schließenden Weg einschließlich von Phasenverschiebungen an den Reflektoren gleich Null ist. Die erste dieser Bedingungen ist die »Gewinn«-Bedingung, die zweite die »Phasen«- Bedingung. Für das allgemein verwendeten Rubinmedium sind diese Bedingungen für viele Frequenzen innerhalb eines relativ breiten Bandes erfüllt. Beispielsweise können bei einem Rubinstab von 7 cm Länge Schwingungen nach jeweils 1,2 GHz über eine Bandbreite von 300 GHz um den Mittelpunkt von 4,3 ■ IO5 GHz auftreten.On the basis of this simple theory it can be shown that one of the necessary conditions for the occurrence of stimulated radiation requires that a frequency be present at which at the same time the gain from the stimulable medium is equal to or greater than the overall system losses based on output couplings , Joule heat at the reflectors, scattering due to imperfections in the medium, diffraction, etc. A second condition requires that the phase shift over a self-closing path including phase shifts at the reflectors is zero. The first of these conditions is the "win" condition, the second the "phase" condition. For the commonly used ruby medium, these conditions are met for many frequencies within a relatively broad band. For example, occur around the center of 4.3 ■ IO 5 GHz with a ruby rod of 7 cm length of vibrations according to both 1.2 GHz over a bandwidth of 300 GHz.

Das beobachtete Verhalten bei einem arbeitenden Rubinmedium weicht von den Vorhersagen gemäß dieser einfachen Theorie insbesondere bezüglich der 60-zeitpulsierenden Art der ausgesandten Strahlung ab. Auch zeigt sich eine in einer »Spitzen«-Modulation der Schwingungsstärke resultierende Instabilität, wenn der Energieaufbau innerhalb des Resonators hinler dem Gewinnaufbau in dem stimulierbaren Medium zurückbleibt.The observed behavior in a working Ruby medium differs from the predictions of this simple theory in particular with respect from the 60 zeitpulsierenden type of radiation emitted. There is also an instability resulting in a “peak” modulation of the vibration strength when the energy build-up within the resonator lags behind the gain build-up in the stimulable medium.

Die F i g. 1 veranschaulicht annähernd das Verhalten eines typischen Impulsrubinsenders. Zur Zeit t = 0 wird das Anregungslicht (Linie A) eingeschaltet, und die Absorption der Anregungsenergie durch den Rubinstab beginnt den Anregungsenergievorrat des stimulierbaren Mediums, nämlich besagten Rubinstabs (Linie B), in Richtung auf den Schwingungsschwellenwert hin zu vergrößern. Die Schwingungsenergiedichte oder Intensität (Linie C) erfährt keine nennenswerte Steigerung, bevor nicht der Punkt a der Linie C, der Schwingungsschwellenwert des Arbeitsmediums, erreicht ist, worauf ein exponentieller Anstieg beginnt. Bei Punkt b der Linie C hat die Schwingungsenergiedichte einen Wert erreicht, der, wenn das Phänomen der Relaxationsschwingung nicht vorhanden wäre, durch das Anregen aufrechterhalten würde. An diesem Punkt ist die Zuwachsrate an Anregungsenergie des Arbeitsmediums gleich Null, aber der Anregungsenergievorrat ist wesentlich höher als derjenige, welcher durch das Anregen ohne das Vorhandensein von Relaxationsschwingungen aufrechterhalten werden könnte. Die Schwingungsenergiedichte setzt ihren Aufbau fort und geht über das Anregen hinaus, wobei das stimulierbare Medium durchlässig gemacht wird. An diesem Punkt c beginnt der Verfall des Energiedichtefeldes infolge von Resonatorverlusten. Unter üblichen Bedingungen der Rubinschwingung wiederholt sich der Zyklus gemäß den Punkten a', b', c' der F i g. 1. Es ist zu beachten, daß für größere Resonatorverluste höhere Schwellenwerte zur Erzeugung einer Schwingung erforderlich sind.The F i g. 1 approximates the behavior of a typical impulse ruby transmitter. At time t = 0 the excitation light (line A) is switched on, and the absorption of the excitation energy by the ruby rod begins to increase the excitation energy reserve of the stimulable medium, namely said ruby rod (line B), towards the oscillation threshold value. The vibration energy density or intensity (line C) does not experience any appreciable increase before point a on line C, the vibration threshold value of the working medium, is reached, whereupon an exponential increase begins. At point b of line C, the vibration energy density has reached a value which, if the phenomenon of relaxation vibration were not present, would be maintained by the excitation. At this point, the rate of increase in excitation energy of the working medium is zero, but the excitation energy reserve is significantly higher than that which could be maintained by excitation without the presence of relaxation oscillations. The vibrational energy density continues to build up and goes beyond stimulation, making the stimulable medium permeable. At this point c, the decay of the energy density field begins as a result of resonator losses. Under normal ruby vibration conditions, the cycle repeats itself according to points a ', b', c ' of FIG. 1. It should be noted that higher threshold values for generating an oscillation are required for larger resonator losses.

Aus dieser einfachen Erklärung ist ersichtlich, daß jede Schwingungsspitze, die erscheint, wenn das Medium durchlässig wird, dazu neigt, die in dem Medium gespeicherte Energie zu verbrauchen.From this simple explanation it can be seen that any peak that appears when the medium becomes permeable, tends to consume the energy stored in the medium.

Wenn der Einsatzpunkt oder Schwellenwert der Schwingung durch Einführung eines zeitunabhängigen Gliedes zum Aufzehren der Energie in dem System erhöht wird, so wird der Aufbau der Stimulation verhindert, und die Anregungsenergie des stimulierbaren Mediums geht nicht auf Null. Hieraus folgt ein unvollständiger Verbrauch der Energie. Wenn jedoch unter Verhinderung einer Stimulation der Schwingungsschwellenwert heraufgesetzt werden kann und dann durch plötzliches Erhöhen der Güte des optischen Resonators gesenkt wird, wenn die Schwingung gerade einsetzen soll, so erhöht sich die in einer Spitze abgegebene Energie um den Betrag, um den der Schwellenwert oder Einsatzpunkt erhöht wurde. Dieser Effekt wird ß-Schaltung oder Steuerung des Gütefaktors des optischen Resonators genannt und kann zur Erzeugung einzelner hoher Spitzenleistungsimpulse verwendet werden.When the starting point or threshold value of the oscillation by introducing a time-independent The limb is increased to consume the energy in the system, so the build-up of the stimulation is prevented, and the excitation energy of the stimulable medium does not go to zero. It follows from this incomplete consumption of energy. If, however, stimulation is prevented, the vibration threshold value can be increased and then by suddenly increasing the quality of the optical Resonator is lowered when the oscillation is about to start, so the emitted in a peak increases Energy by the amount by which the threshold or threshold was increased. This Effect is called ß-switching or control of the quality factor of the optical resonator and can can be used to generate single high peak power pulses.

Eine Möglichkeit, den Einsatzpunkt oder Schwellenwert der Schwingung eines stimulierbaren Mediums zu steuern, besteht darin, einen Einfluß auf den Reliexionskoeffizienten des Resonatorgefäßes und damit auf den Wert der Anregung im stetigen Zustand auszuüben. Beispielsweise kann die zum Anregen eines Mediums auf seinen Schwingungsschwellenwert erforderliche Zeit dadurch verlängert werden, daß der Resonatorreflexionskoeffizient auf einem niedrigeren Wert gehalten wird, was einen höheren Resonatorverlust bedeutet. Wird dieser niedrige Reflexionskoeffizient konstant gehalten, so wird die Zeit zwischen den Schwingungspulsierungen wahrscheinlich länger, aber die Ausgangsimpulse werden im wesentlichen gleiche Amplitude besitzen.One way of setting the starting point or threshold value of the vibration of a stimulable medium to control, is to have an influence on the coefficient of relaxation of the resonator and thus to exercise the value of the excitation in the steady state. For example, it can be used to stimulate of a medium can be extended to its oscillation threshold value by the fact that the resonator reflection coefficient is kept at a lower value, resulting in a higher resonator loss means. If this low reflection coefficient is kept constant, the time becomes probably longer between the oscillation pulsations, but the output pulses are in the have essentially the same amplitude.

Wird der Reflexionskoeffizient des Resonators aufThe reflection coefficient of the resonator is based on

einem niedrigen Wert nur so lange gehalten, bis die die Lichtanregung oder die elektrische Entladungszum Einsetzen einer Schwingung bei diesem niedrigen anregung, gepulst oder getastet wird. Diese Art von Wert erforderliche Anregung erreicht ist und dann Impulsbetrieb ist jedoch nicht so vorteilhaft, und der Reflexionskoeffizient plötzlich auf einen größeren zwar aus den schon erwähnten Gründen. Es ist Wert (niedrigerer Resonatorverlust) in einer Zeil- 5 deshalb vorzuziehen, daß bei dem Strahlungsverspanne erhöht, die kurz ist im Vergleich zur Dauer stärker das stimulierbare Medium stetig angeregt eines Impulses, dann besitzt das stimulierbare Medium wird, so daß unter geeigneten Bedingungen eine nun einen Anregungsenergievorrat, der über dem stetige Schwingung erzeugt werden kann, liegt, der für die Uberwindung der neuen, niedrigeren Das stimulierbare Medium enthält in einem stetig Verluste (höherer Reflexionskoeffizient) des Gefäßes io angeregten Zustand eine beträchtliche Energie, da zur Erzeugung der Schwingung notwendig wäre. sich Atome, Ionen oder Moleküle infolge Anregung Wenn nach Erreichen eines Anregungsenergieüber- durch elektromagnetische Strahlung mit geeigneter Schusses während der Zeit des niedrigen Reflexions- Frequenz auf einer höheren Energiestufe befinden, koeffizienten, der genügt, um die Schwingung aus- Diese gespeicherte Energie kann in einer kurzen zulösen und die Anregung des Arbeitsmediums gegen 15 Zeitspanne abgegeben werden und ist viel größer als Null zu senken, der Reflexionskoeffizient des Gefäßes die verhältnismäßig geringe Energie, die dem stimuplötzlich erhöht wird, dann tritt die Schwingung bei lierbaren Medium durch die Anregungsenergiequelle einer höheren Anregung auf, als sie für den höheren während einer gleich kurzen Zeitspanne zugeführt Reflexionskoeffizienten notwendig wäre. Somit wird wird.at a low value only until the light excitation or the electrical discharge for the onset of an oscillation at this low excitation, is pulsed or sensed. This kind of However, the required excitation value is reached and then pulsed operation is not as beneficial and the reflection coefficient suddenly changes to a larger one for the reasons already mentioned. It is The value (lower resonator loss) in a line is therefore preferable if the radiation span is increased, which is short compared to the duration, the stimulable medium is continuously stimulated of a pulse, then the stimulable medium possesses, so that under suitable conditions a now a supply of excitation energy, which can be generated over the constant oscillation, lies, who is responsible for overcoming the new, lower The stimulable medium contains in a steadily Losses (higher reflection coefficient) of the vessel io excited state a considerable energy, since would be necessary to generate the vibration. Atoms, ions or molecules move as a result of excitation If after reaching an excitation energy through electromagnetic radiation with suitable Shot are at a higher energy level during the time of the low reflection frequency, coefficient, which is sufficient to make the oscillation from- This stored energy can be converted into a short to solve and the excitation of the working medium about 15 timespan and is much greater than To lower the reflection coefficient of the vessel to zero, the relatively low energy, which is suddenly increased to the stimulus, then the oscillation occurs in the case of a manageable medium through the excitation energy source a higher excitation than it supplied for the higher during an equally short period of time Reflection coefficient would be necessary. Thus becomes will.

der Anregungsenergievorrat des stimulierbaren Me- 20 Verschiedene Einrichtungen können zur Steuerung diums weit über seinen ursprünglich für die Schwin- von optischen Sendern zur Erzielung eines derartigen gung bei dem höheren Resonatorverlust (niedrigerer Impulsbetriebes verwendet werden. Reflexionskoeffizient) benötigten Wert hinaus an- Eine Möglichkeit, einen derartigen Impulsbetrieb geregt, und es tritt ein Impuls von kurzer Dauer und zu erreichen, besteht darin, die effektive Anzahl von großer Spitzenamplitude auf. Die Amplitude dieses 25 überschüssigen angeregten Atomen mittels des Impulses ist größer als bei einem stimulierbaren Zeeman- oder Stark-Effektes zu verändern. Dies Medium, das unter normalen Bedingungen ohne gelingt durch einen plötzlichen Wechsel der magnegesteuerten Wechsel des Resonatorgewinns arbeitet, tischen bzw. elektrischen Felder, da die Schwingung durch einen Anregungsenergie- Ein Impulsbetrieb kann auch durch plötzlichen vorrat erzeugt wird, der über dem liegt, der normaler- 30 Wechsel der Resonanzfrequenz des stimulierbaren weise für die Schwingung erforderlich ist, d. h., der Mediums durch den Zeeman- oder Stark-Effekt erzielt Schwellenwert wird zeitweise erhöht, so daß sich eine werden (etwa durch Ändern des magnetischen oder längere Zeit für den Aufbäu der Schwingungsenergie elektrischen Feldes im Gefäß), ergibt und mehr Energie vorhanden ist. Eine Anzahl Der Impulsbetrieb kann auch durch die Verwenkleiner Ausgangsimpulse kann dem ersten großen 35 dung einer Verschlußvorrichtung erreicht werden, Impuls infolge der neuen Bedingung mit niedrigem beispielsweise durch einen rotierenden Reflektor oder Verlust im Resonator folgen. ' eine elektronische Anordnung, etwa eine Kerrzelle,the excitation energy supply of the stimulable meter 20 Various devices can be used to control diums far beyond its original for the Schwin of optical transmitters to achieve such can be used with the higher resonator loss (lower pulse operation. Reflection coefficient) required value excited, and there occurs an impulse of short duration and to reach, consists of the effective number of large peak amplitude. The amplitude of these 25 excess excited atoms by means of the Impulse is greater than changing a stimulable Zeeman or Stark effect. this Medium that works under normal conditions without succeeding through a sudden change in the magnet-controlled change in the resonator gain, tables or electric fields, Since the oscillation is caused by an excitation energy, an impulse operation can also be caused by sudden supply is generated which is above the normal change in the resonance frequency of the stimulable wise is required for the oscillation, d. i.e., the medium achieved by the Zeeman or Stark effect Threshold is temporarily increased so that one can be (for example by changing the magnetic or longer time for the vibrational energy of the electric field to build up in the vessel), and there is more energy. A number of the pulsed operation can also be achieved by means of the small output pulses, the first large formation of a locking device, Impulse due to the new low condition, for example, by a rotating reflector or Follow loss in the resonator. '' an electronic arrangement, such as a Kerr cell,

Die oben geschilderte Wirkungsweise kann als durch die die Strahlung in dem geschlossenen Weg Strahlungsverschlußwirkung betrachtet werden, da des Resonators wirksam gedämpft wird, so daß die tatsächlich ein Verschluß zu einem bestimmten Zeit- 40 Verluste groß genug sind, um eine stimulierte Schwinpunkt geöffnet wird, um die optischen Verluste in gung bei bestimmten Zuständen des Verschlusses dem Resonatorgefäß, abzusenken. Diese Strahlungs- zu verhindern.The above-described mode of action can be used as a result of the radiation in the closed path Radiation occlusion can be considered as the resonator is effectively attenuated so that the actually a shutter at a certain time- 40 losses are large enough to open a stimulated oscillation point in order to reduce the optical losses in certain states of the shutter the resonator vessel. To prevent this radiation.

Verschlußwirkung kann durch einen Strahlungsmodu- Ein Beispiel einer Ausführungsform für die Erzeulator, beispielsweise eine Kerrzelle, erreicht werden, gung von laufenden Impulsen in einem optischen wie dies in einem anderen Vorschlag des Erfinders 45 Sender ist in F i g. 2 dargestellt. Diese Figur zeigt beschrieben ist. Sie kann aber auch mit gewissen ein Gefäß 401, dessen Inneres 402 mit einem geVorteilen bezüglich der Einfachheit des Gerätes durch eigneten der im vorangehenden beschriebenen stimueine optische Lawinentechnik erzielt werden, wie sie lierbaren Medien gefüllt ist. In F i g. 2 ist das Anreim folgenden beschrieben wird. gungsmittel für dieses Medium der Einfachheit halber Für bestimmte Anwendungen ist es erwünscht, 50 weggelassen. In dem Gefäß 401 befindet sich ein optische Sender so zu betreiben, daß sie laufende Prisma 403. Ein Fenster 404 ist an dem entgegen-Strahlungsenergieimpulse erzeugen. Derartige Impulse gesetzten Ende des Gefäßes 401 angeordnet. Ein werden im allgemeinen die Eigenschaften der Aus- weiteres ähnliches reflektierendes Prisma 405 ist vorgangssignale eines üblichen optischen Senders haben, gesehen und bei dem Gerät nach F i g. 2 außerhalb nämlich schmale Bandbreite, fast ebene Wellenform 55 des Gefäßes 401 angebracht. Es besteht auch die usw. Außerdem werden diese Impulse ihre Energie Möglichkeit, die beiden reflektierenden Prismen 403 auf eine sehr kurze Zeit konzentriert haben. Diese und 405 entweder beide innerhalb des Gefäßes oder Zeitperiode kann kürzer als IO"8 Sekunden sein. beide außerhalb des Gefäßes anzuordnen. Die Länge des Impulses kann natürlich größer sein Die Prismen 403 und 405 sind so angeordnet, daß und ist steuerbar, wie auch im gewissen Rahmen 60 die einfallenden Strahlen, wie sie durch die Pfeile 408 die Form des Impulses, was alles später noch erläutert angezeigt werden, auf ihre entsprechenden Flächen wird. Die Intensität des Impulses wird beträchtlich 406 und 407 mit oder annähernd mit dem Brewsterhöher sein als die Strahlungsintensität, die mit ver- Winkel auffallen, und zwar für das Prisma und gleichbaren Geräten erzielt wird, welche in stetigem seine Umgebung. Bei dieser Anordnung wird Strah-Zustand arbeiten. Die Strahlungsverstärker, ob sie 65 lung einer bestimmten Polarität durchgelassen und nun in Resonanz arbeiten oder nicht, können natürlich im Inneren des Prismas reflektiert, während Licht im Impulsbetrieb einfach dadurch angewendet werden, von anderer Polarität teilweise außerhalb von den daß die Quelle der anregenden Energie, beispielsweise entsprechenden Flächen 406 und 407 reflektiert wird.Shutting effect can be achieved by means of a radiation module, generation of running pulses in an optical transmitter as shown in another proposal by the inventor 45 is shown in FIG. 2 shown. This figure shows is described. However, it can also with certain a vessel 401, the interior 402 of which is filled with a geVantage regarding the simplicity of the device by suitable stimulus optical avalanche technology described above, as it is filled with removable media. In Fig. 2 is the stimulus that will be described below. agent for this medium for the sake of simplicity For certain applications it is desirable to have 50 omitted. In the vessel 401 there is an optical transmitter to be operated in such a way that it is running prism 403. A window 404 is at the counter-generating radiation energy pulses. Such pulses are arranged at the end of the vessel 401. A reflective prism 405 similar to the properties of the other will generally have the process signals of a conventional optical transmitter, seen and in the device according to FIG. 2 outside namely narrow band width, almost flat wave form 55 of the vessel 401 attached. There is also the etc. In addition, these impulses will have their energy possibility concentrated on the two reflecting prisms 403 for a very short time. These and 405 either both inside the vessel or time period can be shorter than 10 " 8 seconds. Both can be arranged outside the vessel. The length of the pulse can of course be greater certain frames 60 the incident rays, as indicated by the arrows 408, the shape of the pulse, which will all be explained later, on their respective faces Radiation intensity that is noticeable at a different angle, and that is achieved for the prism and similar devices, which are constantly in its vicinity. With this arrangement, the radiation state will work work or not, can of course be reflected inside the prism, while light in pulsed mode is simply applied through it ends, of a different polarity partially outside of that the source of the exciting energy, for example corresponding surfaces 406 and 407 is reflected.

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Somit ist nur für Licht einer bestimmten Polarität ein geschlossener Weg mit niedrigem Verlust vorgesehen. Eine Kerrzelle 411 ist in dem geschlossenen Strahlungsweg angeordnet, so daß sämtliche diesen geschlossenen Weg durchlaufende Strahlung durch die Kerrzelle 411 gelangt.Thus, a closed path with low loss is only provided for light of a certain polarity. A Kerr cell 411 is arranged in the closed radiation path so that all radiation passing through this closed path passes through the Kerr cell 411 .

Die Kerrzelle ist elektrisch von einem Impulsgenerator und Zeitgeber 412 angeregt. Wie ersichtlich, steuert die Kerrzelle die Ausgangsimpulse der Strahlung, und der Impulsgenerator und Zeitgeber 412 ist entsprechend dimensioniert, um Impulse von geeigneter Dauer und gewünschtem zeitlichem Auftreten zu erzeugen, so daß Strahlungsimpulse mit der bei einer besonderen Anwendung gewünschten Eigenschaft abgegeben werden. Die Konstruktion von Kerrzellen ist allgemein bekannt und wird deshalb hier nicht im einzelnen beschrieben. Es dürfte genügen, darauf hinzuweisen, daß eine Form der Kerrzelle aus einer Anzahl von leitenden Platten besteht (vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zur Papierebene in F i g. 2 angeordnet), die durch Leiter 413 mit einer Quelle elektrischen Potentials, beispielsweise dem Impulsgenerator und Zeitgeber 412 verbunden sind. Die Zwischenräume zwischen den leitenden Platten 414 sind mit einem (gewöhnlich flüssigen) Dielektrikum versehen, so daß beim Anlegen von Spannung an die Platten 414 ein elektrisches Feld in dem Dielektrikum erzeugt wird, das einen Wechsel in der Polarisierung einer durch die Kerrzelle laufenden ebenen, polarisierten Welle hervorruft, was allgemein als Kerreffekt bekannt ist.The Kerr cell is electrically excited by a pulse generator and timer 412. As can be seen, the Kerr cell controls the output pulses of radiation and the pulse generator and timer 412 is appropriately sized to produce pulses of the appropriate duration and timing so as to deliver radiation pulses having the characteristics desired in a particular application. The construction of Kerr cells is well known and is therefore not described in detail here. It will suffice to point out that a shape of the Kerr cell of a plurality of conductive plates is (preferably g at an angle of 45 ° to the plane of the paper in F i. 2 is arranged), the electrical conductor 413 to a source of potential, for example the Pulse generator and timer 412 are connected. The spaces between the conductive plates 414 are provided with a (usually liquid) dielectric so that when voltage is applied to the plates 414, an electric field is created in the dielectric which changes the polarization of a plane polarized plane passing through the Kerr cell Wave creates what is commonly known as the Kerre effect.

An den Enden der Kerrzelle 411 sind Prismen 415 vorgesehen, so daß die durch die Pfeile 408 gezeigten Strahlen die Kerrzelle unter einem Winkel mit den äußeren und inneren Flächen des Prismas 415 erreichen, der im wesentlichen gleich dem Brewster-Winkel ist; hierdurch wird die Reflexion an den Flächen des Prismas 415 auf ein Minimum reduziert, was auch den Strahlungsverlust infolge der Einführung der Kerrzelle in das System möglichst verringert.Prisms 415 are provided at the ends of the Kerr cell 411 so that the rays shown by arrows 408 reach the Kerr cell at an angle with the outer and inner surfaces of the prism 415 which is substantially equal to Brewster's angle; this reduces the reflection on the surfaces of the prism 415 to a minimum, which also reduces the radiation loss as possible as a result of the introduction of the Kerr cell into the system.

Da Tür Strahlung einer bestimmten Polarisation in F i g. 2 ein nahezu ungedämpfter, geschlossener Weg vorgesehen ist und da Strahlung von anderer Polarität teilweise aus diesem geschlossenen Weg herausreflektiert wird, ist es verständlich, daß die Anregung der Kerrzelle zum Verschieben der Polarisation der durch sie laufenden Strahlung einen beträchtlichen Verlust der Strahlungsenergie in dem geschlossenen Weg verursacht, etwa durch die Reflexion an den Flächen 406 und 407 der Prismen 403 und 405. Die Polarisation kann durch die Kerrzelle auf verschiedene Art geändert werden; sie kann in eine zirkuläre Polarisation umgewandelt werden oder auf einen neuen Polarisationswinkel verschoben werden, der um 90° von dem ursprünglichen abweicht, oder es können andere Änderungen vorgenommen werden. Jede Änderung in der Polarisation bringt eine Dämpfung der Lichtstrahlen mit sich, wobei die maximale Dämpfung bei einer 90°-Änderung des Winkels der Polarisationsebene erzielt wird.Since door radiation of a certain polarization is shown in FIG. 2 an almost undamped, closed path is provided and since radiation of a different polarity is partially reflected out of this closed path, it is understandable that the excitation of the Kerr cell to shift the polarization of the radiation passing through it results in a considerable loss of radiant energy in the closed path caused, for example, by the reflection on the surfaces 406 and 407 of the prisms 403 and 405. The polarization can be changed in various ways by the Kerr cell; it can be converted to a circular polarization or shifted to a new polarization angle that deviates by 90 ° from the original one, or other changes can be made. Every change in polarization results in an attenuation of the light rays, with the maximum attenuation being achieved with a 90 ° change in the angle of the plane of polarization.

Wenn somit die Kerrzelle 411 angeregt wird, verhindern Energieverluste des Resonators den Aufbau einer Schwingung, obgleich eine überschüssige Besetzung in einer höheren Energiestufe besteht, von der aus eine sich selbst erhaltende stimulierte Emission infolge der Ubergänge zu einer niedrigeren Energiestufe erfolgen würde, wenn die Bedingungen der Energiespeicherung in dem System in der Nähe desThus, when the Kerr cell 411 is excited, energy losses of the resonator prevent the build-up of an oscillation, although there is an excess occupation in a higher energy level from which a self-sustaining stimulated emission would occur as a result of the transitions to a lower energy level if the conditions of the Energy storage in the system near the

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Optimums wären. Wenn somit die Kerrzelle bei diesen Bedingungen plötzlich abgeschaltet wird, um die Energie Verluste herabzusetzen, dann wird die durch die höhere Besetzung in dem oberen Energiezustand verkörperte Energie rasch durch stimulierte Emission absinken, wodurch ein Lichtenergieimpuls in dem Resonanzlichtverstärker erzeugt wird.Would be optimal. Thus, if the Kerr cell is suddenly switched off under these conditions in order to reduce the energy loss , then the energy embodied by the higher population in the upper energy state will rapidly decrease by stimulated emission, whereby a light energy pulse is generated in the resonance light amplifier.

Ein Ausgangssignal kann von dem optischen Sender gemäß F i g. 2 dadurch erhalten werden, daß die Fläche 407 des Prismas 405 teilweise reflektierend gemacht wird. Dies geschieht etwa durch die Anwendung einer teilweise reflektierenden Beschichtung oder könnte dadurch erfolgen, daß das Prisma 405 um eine senkrecht zur Papierebene stehende Achse gedreht wird, so daß die durch die Pfeile 408 angezeigten Strahlen nicht genau unter dem Brewster-Winkel, sondern unter einem leicht veränderten Winkel einfallen, was in einer teilweisen Reflexion von der Fläche 407 des Prismas 405 resultiert, wodurch Ausgangsstrahlen entstehen, wie sie durch Pfeile 409 angedeutet sind.An output signal can be obtained from the optical transmitter as shown in FIG. 2 can be obtained by making the surface 407 of the prism 405 partially reflective. This is done for example by using a partially reflective coating or could be done by rotating the prism 405 about an axis perpendicular to the plane of the paper so that the rays indicated by the arrows 408 are not exactly at the Brewster angle, but at a slight angle changed angle, which results in a partial reflection from the surface 407 of the prism 405 , whereby output rays arise as indicated by arrows 409.

Der in F i g. 2 gezeigte und vorstehend beschriebene Apparat ist insofern besonders vorteilhaft, als die Kerrzelle in Zeitabständen betätigt werden kann, die nur IO-9 Sekunden betragen.The in F i g. The apparatus shown in FIG. 2 and described above is particularly advantageous in that the Kerr cell can be actuated at time intervals which are only 10 -9 seconds.

Bei dem Gerät nach F i g. 2 ist die Spitzenleistungsimpulsintensität wesentlich höher als die von einem nicht pulsierenden oder getasteten optischen Sender erzielbare Intensität. Der Leistungszuwachs ergibt sich daraus, daß beträchtliche Energie in dem Inneren 402 des Verstärkergefäßes 401 gespeichert wird, wenn das darin befindliche stimulierbare Medium in einem angeregten Zustand gehalten wird. Diese Energie kann in einem sehr kurzen Impuls mittels der Kerrzelle 411 abgegeben werden, wodurch sich eine sehr hohe Spitzenleistungsimpulsintensität ergibt. Die vorstehenden Ausführungen befaßten sich mit der Form der Güteverschlechterung des Resonators, die eine Kerrzelle verwendet.In the device according to FIG. 2, the peak power pulse intensity is significantly higher than the intensity obtainable from a non-pulsing or keyed optical transmitter. The increase in power results from the fact that considerable energy is stored in the interior 402 of the enhancer vessel 401 when the stimulable medium therein is kept in an excited state. This energy can be emitted in a very short pulse by means of the Kerr cell 411 , which results in a very high peak power pulse intensity. The foregoing has dealt with the form of degradation of the resonator using a Kerr cell.

Während das oben beschriebene Kerrzellengerät erfolgreich für die Erzeugung von gewünschten hohen Spitzenleistungsausgangsimpulsen mittels einer Strahlungsverschlußwirkung eingesetzt werden kann, leidet diese Ausluhrungsform an dem Nachteil, daß eine verhältnismäßig große Spitzenleistung zur Betätigung der Zelle aufgewendet werden muß. In manchen Fällen ist diese Leistung vergleichbar mit der, die zum Anregen des optischen Senders selbst erforderlich ist.While the Kerr cell device described above is successful for the generation of desired high Peak power output pulses can be used by means of a radiation shutter effect, suffers this Ausluhrungsform at the disadvantage that a relatively large peak power for actuation the cell must be expended. In some cases, this performance is comparable to that achieved at the Exciting the optical transmitter itself is required.

Die F i g. 3 veranschaulicht ein Gerät, das eine optische Lawinentechnik zur Erzeugung von kurzzeitigen hohen Spitzenleistungsausgangsimpulsen durch eine Strahlungsverschlußwirkung verwendet. Das Gerät besitzt ein stimulierbares Medium 10, welches in diesem Beispiel ein Stab aus Rubinkristall ist. Der Stab 10, der die Länge L1 und die Querschnittsfläche A1 besitzt, ist von einer üblichen Anregungslampe 15 umgeben, die von einer geeigneten (nicht gezeigten) äußeren Stromquelle versorgt wird. Die Lampe 15 kann von beliebigem geeignetem Typ sein und dient wie üblich zur Umkehrung der Besetzungsverteilung, Inversion, in dem stimulierbaren Medium. Wird Rubin als stimulierbares Medium verwendet, so kann eine Krypton- oder Xenonlampe verwendet werden. Falls erwünscht, kann die Anregungslarnpe 15 innerhalb eines geeigneten Gefäßes 16 eingeschlossen sein, dessen Innenflächen ganz oder teilweise reflektierend ausgestaltet sind, um das Anregungslicht auf den Stab 10 zu reflektieren.The F i g. Figure 3 illustrates an apparatus using an optical avalanche technique to generate momentary high peak power output pulses through a radiation shutter effect. The device has a stimulable medium 10, which in this example is a rod made of ruby crystal. The rod 10, which has the length L 1 and the cross-sectional area A 1 , is surrounded by a conventional excitation lamp 15 which is supplied by a suitable external power source (not shown). The lamp 15 can be of any suitable type and, as usual, serves to reverse the population distribution, inversion, in the stimulable medium. If ruby is used as a stimulable medium, a krypton or xenon lamp can be used. If desired, the excitation lamp 15 can be enclosed within a suitable vessel 16 , the inner surfaces of which are designed to be wholly or partially reflective, in order to reflect the excitation light onto the rod 10.

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Ein Ende des Rubinstabes 10 ist mit einem teilweise strahlungsdurchlässigen und reflektierenden Material beschichtet, beispielsweise ist es ein halbreflektierender Spiegel 18. Die in dem Stab 10 erzeugte stimulierte Strahlung wird von der Spiegelfläche 18 teilweise reflektiert, und das Ausgangssignal des Rubins wird ebenfalls an diesem Ende erzeugt. Das andere Ende 20 des Stabes 10 ist für die stimulierte Strahlung durchlässig. Diese Zwischenfläche und andere können in dem Gerät unter dem Brewster-Winkel angeordnet sein, um die Reflexionsverluste möglichst klein zu halten.One end of the ruby rod 10 is covered with a partially radiolucent and reflective material coated, for example it is a semi-reflective mirror 18. The generated in the rod 10 stimulated Radiation is partially reflected off mirror surface 18 and the output of the ruby becomes also generated at this end. The other end 20 of the rod 10 is transparent to the stimulated radiation. This interface and others can be in the Device to be arranged at the Brewster angle in order to keep the reflection losses as small as possible.

Das durch das Ende 20 des Stabes 10 austretende stimulierte Lichtbündel gelangt durch ein Linsensystem 22, wo sein Querschnitt verkleinert wird, d. h., es wird von einer bikonvexen Linse 23 zu einem kleineren Bündel fokussiert, während eine divergierende bikonkave Linse 24 das Ausgangsbündel der Linse 23 kollimiert. Es ist selbstverständlich, daß das Linsensystem 22 ganz oder teilweise durch äquivalente Reflektor- oder andere optische Mittel ersetzt werden kann, wie sie dem Fachmann bekannt sind.The stimulated light beam emerging through the end 20 of the rod 10 passes through a lens system 22, where its cross-section is reduced, d. That is, it is focused by a biconvex lens 23 to a smaller beam, while a diverging biconcave lens 24 the output beam of the Lens 23 collimated. It goes without saying that the lens system 22 can be replaced in whole or in part by equivalent reflector or other optical means can be, as they are known to the person skilled in the art.

Das kollimierte enge Bündel an der rechten Seite der bikonkaven Zerstreuungslinse 24 ist auf ein absorbierendes Medium 25 gerichtet, das durch einen Stab von der Länge L2 und einer Querschnittsfläche A2 gebildet wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das absorbierende Medium 25 wie das stimulierbare Medium 10 ebenfalls ein Rubinkristall. In diesem Falle hat das durch den Stab 10 erzeugte Licht genau die Frequenz, die zur Stimulierung eines Elektronenübergangs von einem Zustand der Atome in dem absorbierenden Medium 25 zum andern benötigt wird. Dies erfolgt in der gleichen Weise wie der Elektronenübergang in dem stimulierbaren Medium 10.The collimated narrow bundle on the right side of the biconcave diverging lens 24 is directed onto an absorbent medium 25 which is formed by a rod of length L 2 and a cross-sectional area A 2 . In the embodiment described, the absorbent medium 25, like the stimulable medium 10, is also a ruby crystal. In this case, the light generated by the rod 10 has precisely the frequency that is required to stimulate an electron transfer from one state of the atoms in the absorbing medium 25 to the other. This takes place in the same way as the electron transfer in the stimulable medium 10.

Der absorbierende Stab 25 ist nicht angeregt, und seine beiden Enden sind durchlässig für das stimulierte Lichtbündel des Stabes 10. Ein Spiegel 27 ist in der Nähe des rechten Endes des absorbierenden Mediums 25 zur Vervollständigung des Resonators angebracht. Das Licht von dem stimulierten Stab 10 wird also durch das Linsensystem 22 verkleinert und durch das nicht angeregte Absorbermedium 25 geleitet, um durch Spiegel 27 reflektiert zu werden. Das reflektierte Licht läuft durch das absorbierende Medium 25 und das Linsensystem 22 zurück in den Stab 10 durch dessen durchlässiges Ende 20. Dieses Licht wird zum Teil wiederum reflektiert durch den halbdurchlässigen Spiegel 18.The absorbing rod 25 is not excited, and its two ends are transparent to the stimulated light beam of the rod 10. A mirror 27 is near the right end of the absorbing medium 25 to complete the resonator appropriate. The light from the stimulated rod 10 is thus reduced by the lens system 22 and passed through the non-excited absorber medium 25 to be reflected by mirror 27. That reflected light travels through the absorbing medium 25 and the lens system 22 back into the Rod 10 through its transparent end 20. This light is in turn reflected in part by the semi-transparent mirror 18.

Die Arbeitsweise des Gerätes nach F i g. 3 ist folgende: Wenn die AnregungsenergielampelS angeschaltet wird, wächst die Anregung in dem stimulierten Laserkristall 10, bis die Schwellenwertbedingung für eine Schwingung erreicht ist. Diese Schwellenwertbedingung wird bestimmt sowohl durch den Verlust infolge der Reflexion an den Spiegeln 18 und 27 als auch durch den Verlust infolge der Absorption der Strahlung in dem nicht angeregten Kristall 25. Wenn die Schwellenwertbedingung erreicht ist, beginnt die stimulierte Strahlung, und der Anregungsenergievorrat in diesem Kristall wird verbraucht. Gleichzeitig wird auch der Verlust in dem nicht angeregten Kristallstab 25 reduziert, und zwar infolge der Entfernung der Atome aus dem absorbierenden Grundzustand infolge der Absorption der Strahlung vom Stab 10. Wenn der Anregungsenergievorrat im Kristall 10 und der Verlust im Kristall 25 in demselben Maß verringert werden, wie es derThe mode of operation of the device according to FIG. 3 is as follows: When the excitation energy lamp S is switched on, the excitation in the stimulated laser crystal 10 grows until the threshold value condition for an oscillation is reached. This threshold condition is determined by both the Loss due to the reflection at the mirrors 18 and 27 as well as the loss due to the absorption of the radiation in the unexcited one Crystal 25. When the threshold condition is reached, the stimulated radiation begins, and the The supply of excitation energy in this crystal is used up. At the same time there is also the loss in that reduced non-excited crystal rod 25, as a result of the removal of the atoms from the absorbing ground state as a result of the absorption of the Radiation from the rod 10. When the excitation energy supply in the crystal 10 and the loss in the crystal 25 be reduced to the same extent as the

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Fall wäre, wenn die Intensität der optischen Strahlung in beiden Kristallen die gleiche wäre, dann wird das optische Feld lediglich von seinem Wert bei der Schwellenwertschwingung abklingen. Wenn andererseits der Verlust im Kristall 25 schneller abklingt als der Anregungsenergievorrat, wie es der Fall wäre, wenn die Intensität der optischen Strahlung in dem nicht angeregten Verschlußkristall 25 größer wäre als in dem stimulierten Kristall 10, dann wird sich das optische Feld in dem Kristall 10 von einem Anfangswert zu einem Spitzenwert aufbauen und dann rasch abfallen, wenn sowohl der Anregungsenergievorrat als auch der Absorptionsverlust absinken.If the intensity of the optical radiation were the same in both crystals, then this will be the case optical field only decay from its value at the threshold value oscillation. On the other hand, if the loss in crystal 25 subsides faster than the supply of excitation energy, as would be the case if the intensity of the optical radiation were in the unexcited shutter crystal 25 would be larger than in the stimulated crystal 10, then that will build up optical field in the crystal 10 from an initial value to a peak value and then rapidly decrease when both the excitation energy reserve and the absorption loss decrease.

Die letztere Bedingung herrscht tatsächlich vor, da der Lichtausgang vom Kristall 10 durch das Linsensystem 22 verkleinert wird, um einen Strahl größerer Lichtintensität in dem absorbierenden Medium 25 zu erzeugen als in dem stimulierten Kristall 10. Um einen genügend intensiven Impuls von dem Kristall 10 zu erhalten, ist der absorbierende Kristall 25 durchlässig gemacht, um die Energie, die in dem angeregten Kristall 10 gespeichert ist, abzusenken. Da das plötzliche Absenken der Energie infolge des Vorhandenseins des absorbierenden Kristalls 25 bei einem höheren Schwellenwert erfolgt als normal, besitzt der Ausgangsimpuls eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung. Die Dauer des Ausgangsimpulses ist verhältnismäßig kurz, da das absorbierende Medium 25 äußerst schnell von einem absorbierenden in einen durchlässigen Zustand schaltet. Wie im Falle des Kerrzellverschlusses können hinter dem ersten »Riesen«-Impuls nachfolgende Ausgangspulse unterdrückt werden.The latter condition actually prevails because the light output from crystal 10 is through the Lens system 22 is reduced in size in order to generate a beam of greater light intensity in the absorbing medium 25 than in the stimulated crystal 10. In order to obtain a sufficiently intense pulse from the crystal 10, the absorbing crystal 25 is made permeable to lower the energy stored in the excited crystal 10. Since the sudden decrease in energy due to the presence of the absorbing crystal 25 at If the threshold value is higher than normal, the output pulse has a relatively high one Top performance. The duration of the output pulse is relatively short because of the absorbing medium 25 switches extremely quickly from an absorbent to a permeable state. As in the case of the Kerr cell lock, subsequent output pulses after the first "giant" pulse can be suppressed.

Die mathematische Beschreibung der Wirkungsweise des Gerätes gemäß Fig. 3 ist folgende: Wird die Energiedichte in dem stimulierten Kristall 10 mit P1 und die in dem nicht angeregten absorbierenden Kristall 25 mit P2 bezeichnet, so ergibt sich die gesamte Energie E in dem Resonator alsThe mathematical description of the mode of operation of the device according to FIG. 3 is as follows: If the energy density in the stimulated crystal 10 is designated P 1 and that in the non-excited absorbing crystal 25 is designated P 2 , then the total energy E in the resonator results as

E = P1Zl1L1+P2Zi2L2, (1) E = P 1 Zl 1 L 1 + P 2 Zi 2 L 2 , (1)

wobei Ai und Li die Fläche und Länge des i-ten Kristalls und L1 und L2 und Ai und A2 die Längen und Querschnittsflächen der Kristalle 10 und 25 sind. Aus der Erhaltung der Energie ergibt sichwhere A i and L i are the area and length of the i-th crystal and L 1 and L 2 and A i and A 2 are the lengths and cross-sectional areas of crystals 10 and 25. From the conservation of energy arises

P1A1=P2A2. (2) P 1 A 1 = P 2 A 2 . (2)

Die Energieänderung pro Zeit in dem Resonator, dE The change in energy per time in the resonator, dE

-jj-, ergibt sich aus der Summe von drei Ausdrücken:-yy-, results from the sum of three expressions:

a) die Abfallsrate ist infolge der endlichen Zeit-a) the rate of decline is due to the finite time

konstanten τ des Resonators ;constant τ of the resonator;

b) die Zuwachsrate infolge der stimulierten Strahlung in dem stimulierten Kristall 10 ist in?*) HvBPl A1 L1;b) the growth rate due to the stimulated radiation in the stimulated crystal 10 is in? *) HvBP l A 1 L 1 ;

c) die Abfallsrate infolge Absorption in dem absorbierenden Kristall 25 istc) is the rate of decay due to absorption in the absorbent crystal 25

-(n{2)-n™)hv BP2A2L2,- (n { 2) -n ™) hv BP 2 A 2 L 2 ,

wobei njjl die Besetzungsdichte in der ,/-ten Energiestufe in dem i-ten Kristall ist. Der Einfachheit halber sollen nur zwei nicht entartete Energiestufen 1 und 2 betrachtet werden, mit «ι + n2 = N = konstant, h ν ist die Energie eines Photons der stimulierten Strahlung, B ist der Einsteinsche fl-Koeffizient.where njjl is the population density in the, / th energy level in the i-th crystal. For the sake of simplicity, only two non-degenerate energy levels 1 and 2 should be considered, with «ι + n 2 = N = constant, h ν is the energy of a photon of the stimulated radiation, B is Einstein's fl coefficient.

Nach Addition dieser Änderungsraten erhält manAdding these rates of change gives


dr
d £
dr

(hvB)(HVB) L1 + L2 L 1 + L 2

£([nj» -„<»] L1 -W2,-ni2»]L2).£ ([nj »-“ <»] L 1 -W 2, -ni 2 »] L 2 ).

Die Änderung der Besetzungsdichte in dem angeregten Kristall 10 in bezug auf die Zeit ist bestimmt durch das Gegeneinanderwirken zwischen optischem Anregen und stimulierter und spontaner Emission:The change in the population density in the excited crystal 10 with respect to time is determined by the interaction between optical excitation and stimulated and spontaneous emission:

ftWl)- -«H = <2p«. f t W l) - - "H = <2p".

■ IAnl11)■ IAnl 11 )

[«J1 '-n/1'] Bp1 [«J 1 '-n / 1 '] Bp 1

(4)(4)

wobei ρ die Anregungsgeschwindigkeit und A die Rate oder Änderung der spontanen Emission ist. Die Änderung der Besetzungsdichte in dem absorbierenden Kristall 25 in bezug auf die Zeit wird bestimmt durch das Gegeneinanderwirken von Absorption und spontaner Emission:where ρ is the speed of excitation and A is the rate or change of spontaneous emission. The change in the population density in the absorbing crystal 25 with respect to time is determined by the interaction of absorption and spontaneous emission:

[»i 2,-«i(2)] = 2 Uu - [;j2 (21 [»I 2, -« i (2) ] = 2 Uu - [; j 2 (21

'2 ■'2 ■

(5)(5)

Die Einführung des absorbierenden Kristalls 25 bewirkt, daß der Schwellenwert des stimulierten Mediums um den Faktor 1 + α erhöht wird.The introduction of the absorbing crystal 25 has the effect that the threshold value of the stimulated medium is increased by a factor of 1 + α.

Als nächstes erhebt sich die Frage, welche Bedingung dann, wenn der Schwellenwert erreicht ist, d£The next question arises, what condition, if the threshold is reached, d £

d. h„ wenn = 0 ist, das Energiefeld von seinemd. h "if = 0 , the energy field of his

Anfangswert E0 anwachsen läßt, so daß infolge des Verlustes im Kristall 25 seine zweite AbleitungThe initial value E 0 can increase, so that due to the loss in the crystal 25 its second derivative

-jp- > 0 schneller abfällt als der Anregungsenergievorrat im Kristall 10. Nach Differenzieren der Gleichung (3) und Einsetzen der Gleichungen (5) und (6)-jp-> 0 falls faster than the excitation energy reserve in the crystal 10. After differentiating equation (3) and inserting equations (5) and (6)

d £

und nach Auswerten für -37 = 0 erhält man dieand after evaluating for -37 = 0 you get the

/ d2E\/ d 2 E \

Bedingung, daß die zweite Ableitung [-^p-J größer als Null ist, wennCondition that the second derivative [- ^ pJ is greater than zero if

Nachdem die Schwellenwertbedingung für das System erreicht ist (^- =Sj, ändern sich die Energie und die Besetzungsverteilung in beiden Kristallen infolge der stimulierten Strahlung rasch. Somit kann in den Gleichungen (4) und (5) der geringe Einfluß der Glieder für das Anregen und die spontane Emission im Vergleich zu den Gliedern der stimulierten Strahlung vernachlässigt werden. Es ergeben sich dann unter Verwendung der Beziehung gemäß Gleichung (2):After the threshold condition is achieved for the system (^ - = Sj, the energy and the population distribution in the equations (4) and (5) the slight influence of the members for exciting change in the two crystals as a result of stimulated radiation rapidly Thus. and the spontaneous emission can be neglected in comparison to the terms of the stimulated radiation. Using the relationship according to equation (2) one obtains:

A1 A 1

> 1> 1

(H)(H)

(«2(«2

(U .(U.

Ilii')Ili i ')

L1 +L2 L 1 + L 2

L1 +L7 L 1 + L 7

A1 A 1

Beim Schwellenwert istWhen the threshold is


df
d £
df

A,A,

0 und 0 and

-■ (7)- ■ (7)

(2)(2)

Na>, 0, N a> , 0,

£ = E0 ;£ = E 0 ;

die Gleichung (3) kann geschrieben werden:the equation (3) can be written:

L1+L2 L 1 + L 2

hvBrL,hvBrL,

wobeiwhereby

= 1 + = 1 + a,a,

h VBtL2Nw h VBtL 2 N w L1+L2 L 1 + L 2

(8)(8th)

(9)(9)

(10)(10)

4040

Somit hängt der Betrag der Verkleinerung des Lichtbündels von dem stimulierbaren Medium zum Erzielen einer automatischen Verschlußwirkung von dem Betrag ab, um den der Schwellenwert für eine Schwingung durch Einfügen des absorbierenden Kristalls erhöht wurde. Bei einer kleinen Vergrößerung des Schwellenwertes ist eine große Verkleinerung erforderlich und umgekehrt.Thus, the amount of reduction in the light beam depends on the stimulable medium Achieve an automatic closure effect from the amount by which the threshold for a Vibration was increased by inserting the absorbent crystal. At a small magnification a large reduction is required for the threshold value, and vice versa.

Die Form der Pulsierung des optischen Senders gemäß F i g. 3 kann durch Integrieren der drei Differentialgleichungen (3), (6) und (7), die den Anfangsbedingungen unterworfen sind, bestimmt werden. Am Schwellenwert ergibt sich:The form of the pulsation of the optical transmitter according to FIG. 3 can be determined by integrating the three differential equations (3), (6) and (7) subject to the initial conditions. At the threshold we get:


dt
d £
German

nj2>nj 2 >

E0, 0, E 0 , 0,

Na>, 0, N a> , 0,

[L1 TL2] [L 1 TL 2 ]

HvBtLx HvBtL x

TU ■TU ■

6060

Aus Gleichung (9) ergibt sich, daß die Größe« die Bedeutung hat, daß in Abwesenheit des absorbierenden Kristalls 25 « = 0 ist und der Schwellenwert From equation (9) it follows that the quantity has the meaning that in the absence of the absorbing crystal 25 = 0 and the threshold value Inju Inj u -n/u] gegeben ist durch-n / u ] is given by

(L1-L2)(L 1 -L 2 )

Aus den Gleichungen (6) und (7) kann man From equations (6) and (7) one can

(njf) -n/°) als Funktion — (nf -n,<0) erhalten. Nach(nj f) -n / °) as a function - (nf -n, <0 ). To

Einsetzen in Gleichung (3) kann das Zeitintegral direkt berechnet werden, und E ergibt sich als Funktion der Dichten [^1' -n/1*] und [nj2' -n/2)] . Dies kann in eine Funktion nur von (nj" — n/1') umgewandelt werden durch die BeziehungInserting into equation (3) the time integral can be calculated directly, and E results as a function of the densities [^ 1 '-n / 1 *] and [nj 2 ' -n / 2) ]. This can be converted into a function of only (nj "- n / 1 ') by the relationship

Ν,.Ν ,.

Uniu-«/1W A2 ' Uni u - «/ 1 W A 2 '

ItvBrLi ItvBrL i

die sich aus dem Verhältnis der Gleichungen (6) und (7) zueinander ergibt und durch Integrierung über die inverse Besetzungsdichte. Da E als eine Funktionwhich results from the ratio of equations (6) and (7) to one another and through integration over the inverse population density. Since E as a function

von (n]1' — η/1') nun bekannt ist, kann die Gleichung (6) integriert werden, und es ergibt sichof (n] 1 '- η / 1 ') is now known, equation (6) can be integrated and it results

(L1+L2) A1 (L 1 + L 2 ) A 1 BB.

dxdx

xE(x) 'xE (x) '

(nJ"-«,"'Jru(nJ "-«, "'Jru

(13)(13)

wobeiwhereby

E(x) = E0 + ßlnx + γ(1 -χ) + d(l ~x~f)E (x) = E 0 + ßlnx + γ (1 -χ) + d (l ~ x ~ f)

η κ ■ 2(14) und wobeiη κ ■ 2 (14) and where

γ = IivAiLx (nj"-»/")™, δ = hv A2L2Ni2K γ = IivA i L x (nj "-» / ") ™, δ = hv A 2 L 2 N i2 K

Die Gleichung (13) läßt sich leicht numerisch auswerten.Equation (13) can easily be evaluated numerically.

Fig. 4A zeigt E als Funktion von * und Fig. 4B zeigtFig. 4A shows E as a function of * and Fig. 4B shows

dies ist der Umbesetzungsüberschuß normiert auf den Schwellenwert, ebenfalls als eine Funktion vonthis is the reshuffle normalized to the threshold, also as a function of

für eine stimulierte Rubinstrahlung und ein for a stimulated ruby radiation and a absorbierendes Mittel mit folgenden, im vorangehenden definierten Parametern:absorbent with the following parameters defined above:

A2 A 2

-9- = ίο,-9- = ίο,

A1 A 1 L1 L 1 L2 L 2

π 2 π 2

7 cm, 77 cm, 7th

cm,cm,

Die Zeitkonstante des Resonators ist gegeben alsThe time constant of the resonator is given as

1 -ν+ Cis(L^L2)C ' 1 -ν + Ci s (L ^ L 2 ) C '

wobeiwhereby

L = Länge des Resonators = 20 cm, r = Radius des Resonators = 0,9 cm, a, = Streukoeffizient = 0,05 cm-1, c = Lichtgeschwindigkeit = 3 · IO10 cm/sec. L = length of the resonator = 20 cm, r = radius of the resonator = 0.9 cm, a, = scattering coefficient = 0.05 cm -1 , c = speed of light = 3 · 10 cm / sec.

Ähnliche Kurven können für andere Systeme gezeichnet werden, die andere stimulierbare Medien und absorbierende Medien und/oder andere Resonatorzeitkonstanten verwenden.Similar curves can be drawn for other systems that use other stimulable media and use absorbent media and / or other resonator time constants.

Die Arbeitsweise eines stimulierten Rubinstrahles mit einem absorbierenden Medium hat zu den obenstehenden theoretischen Betrachtungen Anlaß gegeben. In einem Fall wurde ein Rubinstab 10 mit einem Durchmesser von 1 cm und mit einer 90°-Orientierung in einem geeigneten Resonatorgefäß stimuliert.The way in which a stimulated ruby beam works with an absorbing medium has given rise to the above theoretical considerations. In one case, a ruby staff 10 was made with with a diameter of 1 cm and with a 90 ° orientation in a suitable resonator vessel.

Die hintere Fläche 18 des Stabes war 100%ig versilbert, und die Vorderfläche 20 war zur Reflexionsminderung mit MgF2 beschichtet. Der andere Spiegel 27 des Fabry-Perot war ungefähr 40 cm von der Fläche 20 des Rubins entfernt, die mit dem Antireflexionsmittel beschichtet war, und bestand aus einem dielektrischen Halbspiegel mit 10%iger Durchlaßfähigkeit. Zwischen dem äußeren Fabry-Perot-Spiegel 27 und der mit dem AntirefiexionsmittelThe rear surface 18 of the rod was 100% silver-plated and the front surface 20 was coated with MgF 2 to reduce reflection. The other mirror 27 of the Fabry-Perot was approximately 40 cm from the surface 20 of the ruby that was coated with the anti-reflective agent and consisted of a dielectric half mirror with 10% transmittance. Between the outer Fabry-Perot mirror 27 and the one with the anti-reflective agent

ίο beschichteten Fläche 20 des Rubinstabes 10 war ein Keplersches Teleskop vorgesehen, das der Linsenanordnung 22 gemäß F i g. 3 entsprach. Ein absorbierendes Medium 25 aus einem 0,04% mit Chrom «dotierten Rubinstab mit 1 cm2 QuerschnittsflächeOn the coated surface 20 of the ruby rod 10, a Kepler telescope was provided, which the lens arrangement 22 according to FIG. 3 corresponded. An absorbing medium 25 made of a 0.04% chromium-doped ruby rod with a cross-sectional area of 1 cm 2 und 57° Orientierung war in der Nähe des Brennpunktes des Teleskops angeordnet. Der absorbierende Rubin 25 wurde gedreht, so daß er mit dem durch den 90°-orientierten stimulierten Rubinstab 10 erzeugten stimulierten Licht- maximal gekoppelt war.and 57 ° orientation was placed near the focal point of the telescope. The absorbent Rubin 25 has been rotated so that it stimulated light generated by the oriented by 90 ° stimulated ruby rod 10 - was maximal coupled.

Bei einer Zuführung von 750 elektrischen Joule Anregungsenergie zu dem System trat eine Schwingung in einer einzigen scharfen Spitze nach ungefähr 590 (Asec auf; ohne den absorbierenden Rubin wäre die Schwingung ungefähr nach 400 μβεϋ aufgetreten.When 750 electrical joules of excitation energy were supplied to the system, oscillation occurred in a single sharp point after about 590 (Asec on; without the absorbing ruby would be the oscillation occurred approximately after 400 μβεϋ.

Somit wurde der Schwellenwert der Schwingung durch die Verwendung des absorbierenden Mediums erhöht.Thus, the threshold value of the vibration became due to the use of the absorbent medium elevated.

Obwohl das Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die optische Lawinentechnik verwendet, für einAlthough the embodiment of the invention using the optical avalanche technique for a Rubinmedium und ein absorbierendes Medium aus Rubin beschrieben wurde, ist offensichtlich, daß die Prinzipien der Erfindung nicht darauf beschränkt sind. Beispielsweise kann ein beliebiges geeignetes stimulierbares Medium in fester, flüssiger oder gasRuby medium and a ruby absorbent medium have been described, it is evident that the Principles of the invention are not limited thereto. For example, any suitable stimulable medium in solid, liquid or gas förmiger Form verwendet werden. Viele derartige Stoffe sind bereits dafür bekannt, daß sie zur Erzeugung stimulierter Strahlung bei Zuführung der geeigneten Art von Anregungsenergie verwendbar sind. Entsprechend kann der Stoff des absorbierendenshaped form can be used. Many such Substances are already known to be useful for generating stimulated radiation when the appropriate type of excitation energy is supplied. Accordingly, the fabric of the absorbent Mediums 25 entweder fest, flüssig oder gasförmig sein. Im allgemeinen wird das absorbierende Medium so gewählt, daß es wieder verwendet werden kann, um viele Ausgangsimpulse zu erzeugen; insbesondere so, daß es genügend widerstandsfähig gegen thermaleMedium 25 either solid, liquid or gaseous be. In general, the absorbent medium is chosen so that it can be reused, to generate many output pulses; especially so that it is sufficiently resistant to thermal Schockwirkungen ist, um den hohen Spitzenleistungsausgangsimpulsen des optischen Senders widerstehen zu können.Shock effects is to withstand the high peak power output pulses of the optical transmitter to be able to.

Obwohl es einfach und bequem ist, für das stimulierbare Medium und das absorbierende MediumAlthough it is simple and convenient for the stimulable medium and the absorbing medium dasselbe Material zu verwenden, kann doch ein anderes Absorbermedium in gewissen Fällen vön Vorteil sein. Während die Verwendung des gleichen Stoffes für das stimulierbare Medium und das absorbierende Medium sicherstellt, daß das stimulierbareUsing the same material can be done with a different absorber medium in certain cases Be an advantage. While the use of the same substance for the stimulable medium and the absorbent medium ensures that the stimulable Medium Licht von geeigneter Frequenz erzeugt, das den Ubergang der Elektronen in den Atomen des absorbierenden Mediums bewirkt, um letzteres in einen durchlässigen Zustand zu bringen, so können doch geeignet gewählte, unterschiedliche Stoffe fürMedium generates light of suitable frequency, which is the transition of electrons in the atoms of the absorbent medium to bring the latter into a permeable state, so can but appropriately chosen, different fabrics for das absorbierende Medium und das stimulierbare Medium mit gleichem Erfolg verwendet werden. So kann beispielsweise ein festes, flüssiges oder gasförmiges stimulierbares Medium mit einem unterschiedlichen gasförmigen absorbierenden Mediumthe absorbent medium and the stimulable Medium can be used with equal success. For example, a solid, liquid or gaseous stimulable medium can be combined with a different gaseous absorbing medium Verwendung finden. Bekanntlich weisen bestimmte Gase, insbesondere molekulare Gase, zahlreiche Absorptionslinien mit relativ großer Bandbreite auf, und es besteht somit eine große Wahrscheinlichkeit,Find use. It is well known that certain gases, especially molecular gases, have numerous absorption lines with a relatively large bandwidth, and there is therefore a high probability

daß sie für ein gegebenes stimulierbares Medium brauchbar sind. Auch kann das Absorptionsband eines als absorbierendes Medium verwendeten Gases innerhalb gewisser Grenzen durch Erhöhen des Druckes des Gases verbreitert werden.that they are useful for a given stimulable medium. The absorption band can also a gas used as an absorbing medium within certain limits by increasing the Pressure of the gas can be broadened.

Die F i g. 5 zeigt die Prinzipien der optischen Lawinentechnik, angewendet auf ein gasförmiges stimulierbares Medium. Eine vakuumdicht verschmolzene Röhre 50 enthält eine Menge eines geeigneten gasförmigen stimulierbaren Mediums 52, das zur Erzeugung stimulierter Strahlung brauchbar ist. Die Anregungsenergie wird von einer geeigneten radiofrequenten Energiequelle 54 zwei Elektroden 55 zugeführt, die kapazitiv mit der Röhre 50 gekoppelt sind. Das rückwärtige Ende der Röhre besitzt einen halbdurchlässigen Spiegel 57, während das vordere Ende eine durchlässige Fläche 59 aufweist, die unter dem Brewster-Winkel angeordnet ist. Das gasförmige stimulierbare Medium arbeitet in üblicher Weise, wobei die Elektronen des Gases durch die radiofrequente Energie angeregt werden, um einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, der normalerweise in Abwesenheit eines absorbierenden Mediums 25 stetig von dem Spiegel 57 ausgesendet würde.The F i g. Figure 5 shows the principles of optical avalanche technology applied to a gaseous stimulable medium. A vacuum sealed fused tube 50 contains a quantity of a suitable gaseous stimulable medium 52 useful for generating stimulated radiation. The excitation energy is supplied from a suitable radio-frequency energy source 54 to two electrodes 55 which are capacitively coupled to the tube 50 . The rear end of the tube has a semi-transparent mirror 57, while the front end has a transparent surface 59 which is arranged at Brewster's angle. The gaseous stimulable medium operates in a conventional manner, the electrons of the gas being excited by the radio-frequency energy to produce an output pulse which would normally be continuously emitted by the mirror 57 in the absence of an absorbing medium 25.

Das absorbierende Medium 25 ist nahe der transparenten Fläche 59 angeordnet und als vakuumdichte Röhre 60 mit zwei durchlässigen Flächen 61 und 62 ausgebildet. Diese Flächen sind ebenfalls unter dem Brewster-Winkel angeordnet. Die Röhre 60 enthält eine gewisse Menge des Gases, das als Absorbermittel in ähnlicher Weise wirkt, wie es schon bei dem absorbierenden Medium gemäß F i g. 3 beschrieben wurde. Ein reflektierender Spiegel 27 ist nahe der Fläche 62 angeordnet, um den optischen Resonator zu vervollständigen.The absorbent medium 25 is arranged near the transparent surface 59 and is designed as a vacuum-tight tube 60 with two permeable surfaces 61 and 62 . These surfaces are also arranged at Brewster's angle. The tube 60 contains a certain amount of the gas, which acts as an absorbent in a manner similar to that already in the absorbent medium according to FIG. 3 has been described. A reflective mirror 27 is positioned near surface 62 to complete the optical resonator.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 ist zwischen dem stimulierbaren Medium und dem absorbierenden Medium 25 kein optisches System zum Konvergieren des Strahlenbündels angeordnet. Ein derartiges optisches System kann natürlich, falls erforderlich, vorgesehen sein. Wenn das absorbierende Medium von demselben Stoff ist wie das stimulierbare Medium, dann benötigt es eine höhere Lichtenergiedichte als das stimulierbare Medium, damit seine Sättigungsrate genügend schnell wird für ein Absenken der Energie des stimulierbaren Mediums. Wo das stimulierbare Medium und das absorbierende Medium vom selben Stoff sind, ist ein optisches System für eine notwendige Verkleinerung erforderlich. Dies wurde bereits unter Bezugnahme auf die Gleichungen (10) und (11) erläutert. Sind das stimulierbare Medium und das absorbierende Medium nicht gleich, so kann eine Verkleinerung unnötig sein, da ein absorbierendes Mittel verwendet werden kann, das sich schneller sättigt als das stimulierbare Medium. In diesem Fall wird kein optisches System für eine Verkleinerung benötigt.In the embodiment according to FIG. 5 , no optical system for converging the beam is arranged between the stimulable medium and the absorbing medium 25. Such an optical system can of course be provided if necessary. If the absorbing medium is made of the same material as the stimulable medium, then it needs a higher light energy density than the stimulable medium in order that its saturation rate becomes fast enough to lower the energy of the stimulable medium. Where the stimulable medium and the absorbent medium are of the same fabric, an optical system is required for a necessary downsizing. This has already been explained with reference to equations (10) and (11). If the stimulable medium and the absorbent medium are not the same, downsizing may be unnecessary because an absorbent which saturates faster than the stimulable medium can be used. In this case, no optical system is required for downsizing.

Wie oben schon ausgeführt wurde, können für das stimulierbare Medium und das absorbierende Medium gleiche oder verschiedene Gase Verwendung finden. Im allgemeinen genügen wenige Millimeter für die Dicke des absorbierenden Gases bei oder über dem atmosphärischen Druck, um eine entsprechende Absorption für die Verschlußwirkung, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben wurde, zu erzeugen. Es wird darauf hingewiesen, daß die F i g. 5 nicht so maßstabsgerecht gezeichnet ist, als daß die relativ kleine, erforderliche DickeAs already stated above, the same or different gases can be used for the stimulable medium and the absorbing medium. In general, a few millimeters are sufficient for the thickness of the absorbing gas at or above atmospheric pressure in order to achieve a corresponding absorption for the closure effect, as described in connection with FIG. 3 was described to generate. It should be noted that FIG. 5 is not drawn to scale as the relatively small required thickness

des absorbierenden Gases angezeigt würde. Wie schon zuvor hervorgehoben wurde, kann die Bandbreite der Absorptions- oder Spektrallinien des gasförmigen absorbierenden Mediums durch Erhöhen des Gasdruckes verbreitert werden. Auch kann die Dicke des absorbierenden Gases verändert werden, um den Schwingungsschwellenwert des optischen Senders zu steuern.of the absorbing gas would be displayed. As pointed out earlier, the bandwidth can the absorption or spectral lines of the gaseous absorbent medium by increasing the gas pressure can be widened. The thickness of the absorbing gas can also be changed, to control the vibration threshold of the optical transmitter.

Werden für stimulierbares Medium und absorbierendes Medium verschiedene Gase verwendet, so sind molekulare Gase für das absorbierende Medium vorzuziehen. Bei molekularen Gasen kann man sehr leicht eine Koinzidenz zwischen dem Absorptionsband des absorbierenden Gases und der Frequenz des Ausgangslichtes des stimulierten Mediums erreichen. Jod und Brom sind besonders als absorbierende Gase geeignet. Molekulare Gase als absorbierendes Medium, die dissoziieren und hierdurch die Wirkung des absorbierenden Mediums fördern, sind von Vorteil. Natürlich können auch andere geeignete molekulare Gase, ob dissoziierbar oder nicht, verwendet werden. Auch ein atomares Gas, das verschieden von dem stimulierbaren Medium ist, kann Verwendung finden, bei dem eine geeignete zufällige Koinzidenz der Spektrallinien auftritt. .If different gases are used for the stimulable medium and the absorbing medium, see above Molecular gases are preferable for the absorbing medium. With molecular gases you can do a lot easily a coincidence between the absorption band of the absorbing gas and the frequency of the output light of the stimulated medium. Iodine and bromine are especially considered to be absorbent Suitable for gases. Molecular gases as an absorbing medium that dissociate and thereby promote the effect of the absorbent medium are beneficial. Of course, others can too appropriate molecular gases, whether dissociable or not, are used. Also an atomic gas other than the stimulable medium can be used where appropriate random coincidence of the spectral lines occurs. .

Die Arbeitsweise des gasförmigen optischen Senders nach F i g. 5 entspricht der desjenigen gemäß F i g. 3. Ein Anregen des gasförmigen stimulierbaren Mediums 52 erzeugt stimuliertes Licht, das durch die durchlässige Fläche 59 in das absorbierende Medium 25 austritt. Das absorbierende Gas 25 wird durch das absorbierte stimulierte Licht, das durch den Spiegel 27 in die Röhre 50 zurückreflektiert wird, angeregt. Bei einem vorbestimmten Lichtausgangsschwellenwert des stimulierten Mediums wird das absorbierende Gas »durchbrennen« und praktisch durchlässig werden. Dies ermöglicht, in dem stimulierbaren Medium bei einem höheren Schwellenwert zu einem größeren gespeicherten Energievorrat zu gelangen, als das normalerweise ohne das absorbierende Medium erreichbar ist, und so entsteht ein Ausgangsimpuls am Ende 57 mit einer verhältnismäßig hohen Spitzenleistung. The mode of operation of the gaseous optical transmitter according to FIG. 5 corresponds to that according to FIG. 3. Excitation of the gaseous stimulable medium 52 generates stimulated light which exits through the permeable surface 59 into the absorbing medium 25. The absorbing gas 25 is excited by the absorbed stimulated light reflected back into the tube 50 by the mirror 27. At a predetermined light output threshold of the stimulated medium, the absorbing gas will "burn through" and become practically permeable. This makes it possible to achieve a larger stored energy supply in the stimulable medium at a higher threshold value than is normally achievable without the absorbing medium, and thus an output pulse at the end 57 with a relatively high peak power is produced.

Es zeigt sich somit, daß die beschriebene optische Lawinentechnik verschiedene Vorteile besitzt. Vor allem ist die Lichtverschlußwirkung passiv, und es werden keine zusätzliche Ausgangsleistung und zugeordnete LeistungsVersorgungen für den Betrieb des absorbierenden Mediums benötigt. Außerdem wird das absorbierende Medium nicht unbedingt jedesmal bei der Erzeugung eines Ausgangsimpulses zerstört. Die Impulswirkung kann kontrolliert werden, so daß einzelne hohe Spitzenleistungsausgangsimpulse erzielbar sind.It can thus be seen that the optical avalanche technique described has various advantages. before above all, the light shutter effect is passive, and there are no additional output power and associated therewith Power supplies are required for the operation of the absorbing medium. Also will the absorbing medium is not necessarily destroyed every time an output pulse is generated. The pulse effect can be controlled so that single high peak power output pulses are achievable.

Die im vorangehenden beschriebene optische Lawinentechnik kann auch für die Auswahl einer besonderen Eigenschwingung der stimulierten Strahlung aus mehreren erzeugten transversalen Eigenschwingungen Anwendung finden. Bekanntlich ist die Schwingung eines stimulierten Mediums manchmal dadurch gekennzeichnet, daß sie in mehr als einer Eigenschwingung auftritt. Wird der Ausgang des stimulierten Lichts auf einem Schirm abgebildet, so erscheinen die Eigenschwingungen transversaler Art als getrennte Lichtmuster mit Abstand von der optischen Achse des Resonators. Zur Auswahl der Eigenschwingungen werden bereits verschiedene Techniken benutzt; eine einfache Möglichkeit besteht darin,The optical avalanche technique described above can also be used for the selection of a special one Natural oscillation of the stimulated radiation from several generated transverse natural oscillations Find application. As is well known, the vibration of a stimulated medium is sometimes through it characterized in that it occurs in more than one natural oscillation. Will be the output of the stimulated When the light is shown on a screen, the natural oscillations of a transverse kind appear as separate ones Light pattern at a distance from the optical axis of the resonator. To select the natural vibrations different techniques are already used; an easy way is to

909523/78909523/78

Claims (7)

1 eine Linse und einen Nadellochkollimator zu verwenden, die in den Lichtweg des Resonators eingefügt sind und nur den Durchlauf des Lichtes mit der gewünschten Eigenschwingung gestatten. F i g. 6 zeigt ein System für die Auswahl der Eigenschwingung mittels der optischen Lawinentechnik. Nahe der rückwärtigen Fläche eines entweder festen, flüssigen oder gasförmigen stimulierbaren Mediums 70 ist ein halbdurchlässiger Spiegel 71 angeordnet. Die Anregungsenergiequelle und die anderen Zubehörteile ]0 sind üblicher Bauart und wurden der Klarheit wegen weggelassen. Ebenso wurden die Brewster-Winkelgrenzflächen weggelassen, die, falls erwünscht, Verwendung finden können. Die Vorderfläche des Mediums ist durchlässig, und das stimulierte Licht erscheint an der einen Fläche einer bikonvexen Linse 73, deren Brennpunkt innerhalb der Grenzen des absorbierenden Mediums 25 angeordnet ist. Wie schon erläutert wurde, kann das absorbierende Medium aus festem, flüssigem oder gasförmigem Stoff bestehen und das gleiche oder ein anderes sein als das stimulierbare Medium. Eine weitere bikonvexe Linse 74 ist zwischen dem absorbierenden Medium 25 und dem Spiegel 27 angeordnet. Andere geeignete optische Systeme können wahlweise zur Verkleinerung verwendet werden. Die optischen Linsen 73 und 74 sind physikalisch so angeordnet, daß sie mit den Reflektoren 27 und 31 zusammen den optischen Resonator bilden. Der optische Resonator kann leicht so bemessen werden, daß eine bestimmte transversale Eigenschwingung vorherrscht; dies ist gewöhnlich immer der Fall. Wie sich aus den optischen Grundprinzipien ergibt, besteht nur ein Brennpunkt im Absorber für jede transversale Eigenschwingung (oder jede Riehtung der stimulierten Strahlung). Die Kegel, die das von einer bestimmten Eigenschwingung durchflossene Volumen des absorbierenden Mediums darstellen, können genügend klein gemacht werden, so daß nur eine geringe oder keine Überlappung zwischen benachbarten transversalen Eigenschwingungen besteht. Somit empfängt ein bestimmter doppelkegelartiger Teil des Volumens des absorbierenden Mediums 25 Lichtenergiedichte fast ausschließlich von einer bestimmten vorherrschenden Eigenschwingung und kaum von allen anderen Eigenschwingungen. Infolge seiner höheren Energiedichte wird das Licht von einer gewünschten Eigenschwingung das absorbierende Medium in diesem kleinen doppelkegelartigen Volumteil »durchbrennen« (durchlässig machen), bevor die Lichtenergie der anderen Eigenschwingungen dies mit demselben Ergebnis für ihre entsprechenden Volumteile erreichen kann. Dies bedeutet, daß die in dem stimulierbaren Medium gespeicherte Energie für eine gewünschte Eigenschwingung verbraucht und damit den anderen Eigenschwingungen entzogen wird. Somit erzeugt die optische Lawinentechnik eine Auswahl der Eigenschwingung derart, daß nur die gespeicherte Anregungsenergie für die vorherrschende 209 Eigenschwingung verbraucht wird. Dies ist völlig verschieden von den anderen Eigenschwingungauswahlsystemen, bei denen der Verbrauch der Anregungsenergie mit einer gewünschten Fortpfianzungsrichtung, die eine vorherrschende Eigenschwingung darstellen kann oder nicht, gekoppelt wird, während andere Richtungen blockiert werden. Es ist verständlich, daß die Spitzenausgangsleistung der gewählten Eigenschwingung gleichzeitig durch Anheben des Schwingungsschwellenwertes infolge Verwendung eines absorbierenden Mediums in der vorher beschriebenen Weise erhöht werden kann. Patentansprüche:1 to use a lens and a pinhole collimator which are inserted into the light path of the resonator and only allow the passage of light with the desired natural oscillation. F i g. 6 shows a system for the selection of the natural oscillation by means of the optical avalanche technique. A semi-transparent mirror 71 is disposed near the rear surface of either solid, liquid, or gaseous stimulable medium 70. The excitation power source and other accessories] 0 are of conventional design and have been omitted for clarity. Likewise, the Brewster angular interfaces have been omitted which can be used if desired. The front surface of the medium is transparent and the stimulated light appears on one surface of a biconvex lens 73, the focus of which is located within the boundaries of the absorbing medium 25. As has already been explained, the absorbing medium can consist of solid, liquid or gaseous substance and can be the same or different from the stimulable medium. Another biconvex lens 74 is arranged between the absorbing medium 25 and the mirror 27. Other suitable optical systems can optionally be used for the downsizing. The optical lenses 73 and 74 are physically arranged so that they together with the reflectors 27 and 31 form the optical resonator. The optical resonator can easily be dimensioned so that a certain transverse natural oscillation prevails; this is usually always the case. As can be seen from the basic optical principles, there is only one focal point in the absorber for each transverse natural oscillation (or each direction of the stimulated radiation). The cones, which represent the volume of the absorbing medium through which a certain natural oscillation flows, can be made sufficiently small that there is little or no overlap between adjacent transverse natural oscillations. Thus, a certain double-cone-like part of the volume of the absorbing medium 25 receives light energy density almost exclusively from a certain predominant natural oscillation and hardly from all other natural oscillations. As a result of its higher energy density, the light of a desired natural oscillation will "burn through" the absorbing medium in this small double-cone-like volume part (make it permeable) before the light energy of the other natural oscillations can achieve this with the same result for their corresponding volume parts. This means that the energy stored in the stimulable medium is used for a desired natural oscillation and is thus withdrawn from the other natural oscillations. Optical avalanche technology thus generates a selection of the natural oscillation in such a way that only the stored excitation energy is used up for the prevailing natural oscillation. This is completely different from the other natural oscillation selection systems in which the consumption of the excitation energy is coupled with a desired direction of propagation, which may or may not represent a predominant natural oscillation, while other directions are blocked. It will be understood that the peak output power of the selected natural oscillation can be increased at the same time by raising the oscillation threshold value as a result of the use of an absorbing medium in the manner previously described. Patent claims: 1. Optischer Sender zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen hoher Spitzenleistung mittels Beeinflussung der Güte des optischen Resonators (ß-Schaltung), indem in seinem Innern ein Medium variabler Absorption verwendet wird, das sich nach Empfang einer genügenden Energiemenge aus der stimulierten Strahlung selbst sättigt, durchsichtig wird und damit den Weg innerhalb des optischen Resonators freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Medium (25) entweder vom gleichen Stoff ist wie das stimulierbare Medium oder aber aus einem davon unterschiedlichen Material besteht, das aber nicht ein photochromes Glas ist.1. Optical transmitter for generating output pulses of high peak power by means of influencing the quality of the optical resonator (ß-circuit) by having a medium inside it variable absorption is used, which is achieved after receiving a sufficient amount of energy the stimulated radiation saturates itself, becomes transparent and thus the way within of the optical resonator releases, characterized in that the absorbing Medium (25) is either made of the same substance as the stimulable medium or made of consists of a different material, but which is not a photochromic glass. 2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines konzentrierten Einfalls des stimulierten Lichtbiindels auf das absorbierende Medium ein optisches System (23, 24) zwischen dem stimulierbaren Medium (10) und dem absorbierenden Medium (25) angeordnet ist, das eine Querschnittsbegrenzung des Parallelstrahlbündels im absorbierenden Medium (25) gestattet. 2. Optical transmitter according to claim 1, characterized in that an optical system (23, 24) between the stimulable medium (10) and the absorbing medium (25) is arranged to generate a concentrated incidence of the stimulated light bundle on the absorbing medium, which a cross-sectional limitation of the parallel beam in the absorbing medium (25) allows. 3. Optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine vorherrschende Eigenschwingung des stimulierten Lichtbündels auf das absorbierende Medium fokussiert, wodurch die genannte vorherrschende Eigenschwingung das absorbierende Medium verhältnismäßig durchlässig macht, bevor die entsprechenden Schwellenwerte für die anderen Eigenschwingungen erreicht werden. 3. Optical transmitter according to claim 2, characterized in that the optical system focuses a predominant natural oscillation of the stimulated light beam on the absorbing medium, whereby said predominant natural oscillation makes the absorbing medium relatively permeable before the corresponding threshold values for the other natural oscillations are reached. 4. Optischer Sender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Medium gas- oder dampfförmig ist. 4. Optical transmitter according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the absorbing medium is gaseous or vaporous. 5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas des absorbierenden Mediums atomar ist. 5. Optical transmitter according to claim 4, characterized in that the gas of the absorbing medium is atomic. 6. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas des absorbierenden Mediums molekular ist. 6. Optical transmitter according to claim 4, characterized in that the gas of the absorbing medium is molecular. 7. Optischer Sender nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das molekulare Gas des absorbierenden Mediums Jod oder Brom ist. 7. Optical transmitter according to claim 6, characterized in that the molecular gas of the absorbing medium is iodine or bromine. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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US3085469A (en) * 1959-10-12 1963-04-16 Ncr Co Optical information-processing apparatus and method

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