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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sender für phasenkohärente
Strahlung mit einem p -.leitenden. Halbleiterkörper als stimulierbarem Medium,,
das in einem optischen Resonatör angeordnet ist und als Elektrode innerhalb eines
Entladungsrohres mit freien Elektronen aus einer Entladung überbesetzt. angeregt
wird.
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Bekanntlich kann in bestimmte n -p-leitenden Halbleitermaterialien
dadurch eine Besetzungsinversion erzeugt werden, daß man Elektronen in das Leitungsband.
einführt, die- unter Emission von Strahlung mit-Deffektelektronen im Valenzband
rekombinieren» können. Beim Vorliegen bestimmter, bekannter Bedingungen'kann der
Z7bergang der Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband erzwungen (stimuliert)
werden, wobei dann phasenkohärente Strählüng emittiert wird.. - .
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Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, :Elektronen in das Leitungsband
eines Halbleitermaterials einzuführen; um eine stimulierte Emission zu erreichen.
Bei lichtemittierenden pn-Flächendioden werden die Elektronen-durch einen in Flußrichtung,
vorgespannten pn-übergang in das p-leitende Halbleitermaterial injiziert.
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Es ist ferner bekannt, optische Sender für phasenkohärente Strahlung,
die als: stimulierbares Medium 1 einen Halbleiterkörper enthalten, optisch anzuregen.
Die zur optischen Anregung dienende Strahlung kann dabei durch Beschießen eines
Lumineszenz= materials mit einem Elektronenstrahl erzeugt werden (belgische Patentschrift
645 288).
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Weiterhin ist es bekannt,: einen auf die Temperatur des flüssigen
Heliums abgekühlten.. CdS-Einkristall mit 200-keV-Elektronen zu beschießen, wobei
dann der -Einkristall eine intensive Strahlung von 4966 A emittiert. Die Linienbreite
der Emission kann durch Verdreifachender Stromdichte von 35 auf 7 A verringert werden
(Dokl. Akad. Nauk. SSSR, Vol. 155,-Nr.4, 1964, 783).
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Bei einem anderen durch Elektronenbeschuß angeregten optischen Sender
mit selektiver Fluoreszenz in einem festen Medium hat das stimuiierbäre@Medium die
Form von Fasern, die koplanar und parallel angeordnet sind und in Richtung des auftreffenden
Elektfonenstrahls eine geringe Abmessung haben. Die Abmessungen können in der Größenordnung
von 10 N.m liegen. Die nebeneinanderliegenden Fasern können durch einen bandförmigen
Elektronenstrahl, dessen Ebene parallel zur Richtung der fasern, verläuft und der
durch Ablenkplatten senkrecht zu den Fasern ablenkbar ist, nacheinander angeregt
werden- (deutsche Auslegeschuft -1 183-597): - ' Es ist schließlich-..eiä-frequenzmadulierbarer.
opti-, scher Sender mit ei nern-Halblekeceinkristall als stimulierbarem Medium `-vorgeschlagen°
worden-,- bei dem sich die für die.rFrequenz@dervorh Halbleitereinkristall emittierten.
:kohärenten ,:Strahlung-- maßgebliche Energiebandlücke -längs.. einer. .Kgnte. des
Halbleitereinkristalls ändert und der Halbleitereinkristall zu seiner Stimulierung
miteinem vergleichsweise eng gebündelten Elektronenstrahl entlang dieser Kante abtastbar
ist. Der Halbleitereinkristall kann aus Galliumarsenid bestehen (deutsche Patentschrift
.1236 099). -Die bekannten optischen Sender für phasen@ kohärente Strahlung, die
einen Halbleiterkörper als stimulierbares Medium enthalten, lassen. in vieler Hinsicht
zu wünschen übrig: -Bei phasenkohärente Strahlung emittierenden pn-Flächendioden
lassen sich die Elektronen- zwar finit gutem Wirkungsgrad in das Leitungsband der
p-Zone einführen, aus weiter unten noch näher zu erläuternden Gründen treten jedoch
erhebliche Strahlungsverluste durch Beugung auf, so daß zum Erzielen einer stimulierten
Emission sehr hohe Stromdichten - erforderlich werden, war vor allem hinsichtlich
der auftretenden Verlustwärme erhebliche Schwierigkeiten mit sich bringt.
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Bei der Anregung eines Halbleiterkörpers durch optische Strahlung
oder durch Beschuß mit schnellen Elektronen` treten hohe Verluste durch Paarbildung
(Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren) auf: Beim Beschuß mit schnellen Elektronen
besteht außerdem die Gefahr, daß die Oberflächenbeschaffenheit und/ oder die Kristallstruktur
des normalerweise einkristallinen Halbleiterkörpers leiden.
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I)ie: oben geschilderten Nachteile werden bei einem optischen Sender
der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Dicke
des Halbleiterkö ers in Elektronenstrahlrichtung mindestens A : n2 - 1,_ und, höchstens
20 tim beträgt, wobei A die Wellenlänge der phasenkohärenten Strahlung und n das
Verhältnis der Brechungsindizes des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers und
des angrenzenden Mediums bedeutet, daß weiter. die Mindeststromdichte 6,2 A/cm--2
beträgt und daß die in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eintretenden Elektronen
eine maximale kinetische Energie von 50 eV haben.
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Vorzugsweise haben die: Elektronen eine maximale Energie von 10 eV-
- - Y .Unter diesen Verhältnissen treten praktisch keine Verluste durch Paarbildung
auf, die Elektronen treten vielmehr in ein höheres Niveau im Halbleiter ein, von
dem aus sie strahlungslos auf ein zweites, niedrigeres Niveau im Leitungsband übergehen,
nämlich das Niveau, von dem aus eine direkte, mit -der Emission eines Photons verbundene
Rekombinatiön -üit_einem Defektelektron im Valenzband mög lieh ist.
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Der Halbleiterkörper kann als Anode in einem Entladungsrohr arbeiten
das auf Hochvakuum evakuiert sein oder ein Gas enthalten kann. Im letzteren Falle
werden dann die Elektronen durch eine im Betrieb aufrechterhaltene Gasentladung
geliefert: In beiden Fällen kann das Entladungsrohr eine Diode sein oder ein oder
mehrere Gitter oder andere Elektroden enthalten,-die die--Stärke des in dien Halbleiterkörper
eintretenden Elektronenstromes zu steuern gestattete _ 1 "Die` -wirksame Stromdichte
imällleiterkörper -kann ,außerdem oder. zusätzlich auch noch' durch andere Mittel
gesteuert:werden,-z. B. durch elektrische oder magnetische Ablenkung eins Elektronenstrahles
in einem Hochväkuumentlädungsrohr oder durch an sich-bekannte elektrische tind/dder
magnetische Be-`enflpssung der Gasentladung:-.in einem gasgefüllten Entladungsröhr,@
-i ..
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Als stimulierbares Medium können alle sogenannten »direkten Halbleiter«
{also Halbleitermaterialien, bei denen die Rekombination ohne Mitwirkung des Gitters
und seiner Störstellen unter Strahlungsemission erfolgt) verwendet werden, z. -B.
Galliumarsenid. Vorzugsweise werden jedoch solche Halb= leitermaterialien verwendet,
bei denen die untere Grenze des Leitungsbandes möglichst nahe beim Vakuum-Niveau,
d. h, demjenigen Potential, das die
Elektroneneintrittsfläche des
Halbleiterkörpers gegenüber dem angrenzenden. Vakuum bildet, liegt, also beispielsweise
I-V-Halbleiterverbindungen, z. B. Alkaliantimonide. Bei solchen Materialien ist
die in Wärme umgesetzte Verlustenergie, die bei dem obererwähnten Übergang eines
freien Elektrons in das erwähnte zweite Niveau des Leitungsbandes frei wird, besonders
gering. Außer den obererwähnten halbleitenden I-V-Verbindungen und-den gut bekannten
halbleitenden III-V-Verbindungen können auch halbleitende I-VI-Verbindungen, II-V-Verbindungen
und II-VI-Verbindungen verwendet werden, so daß eine interessante Vielzahl stimulierter
Frequenzen zur Verfügung steht.
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Es war bereits erwähnt worden, daß der Halbleiterkörper des vorliegenden
optischen Senders vorzugsweise als- Anode einer Elektronenentladungseinrichtung
ausgebildet ist.- Wenn der Halbleiterkörper, der meist die Form eines relativ dünnen
Plättchens mit zwei planparellelenr weitgehend reflektierenden Flächen hat °ünd'
einen optischen Resonator bildet; von einer als Zuleitung und mechanische Stütze
- dienenden Metallplatte getragen wird, ist vorzugsweise zwischen dieser Metallplatte
und dem Halbleiterplättchen eine elektrisch leitende Schicht vorgesehen, deren Brechungsindex
möglichst klein gegenüber dem Brechungsindex des Halbleitermaterials ist, um Beugungsverluste
klein zu halten, wie noch erläutert wird. Da :diese Schicht in Richtung ihrer geringsten
Abmessung vom elektrischen Strom durchflossen wird und- außerdem in: gut wärmeleitendem
Kontakt mit einer als Wärmesenke wirkenden Metallplatte. steht, stehen für diese
Zwischenschicht eine Vielzahl von Materialien zur Verfügung, als Beispiel sei Zinnchlorid
erwähnt.
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Das Halbleiterplättchen. kann jedoch auch frei tragend verwendetwerden.
Es wird in diesem Falle als Trennwand zwischen zwei Entladungsräumen angeordnet,
und die dem einen Entladungsraum zugewandte Seite arbeitet dann als Anode; während
die dem anderen Entladungsraum zugewandte Seite als Kathode wirkt. Die beiden Entladungsräume
crithalten dabei vorzugsweise ein Gas unter vermndertem Druck; so daß sich im Betrieb,
in den beiden Entladungsräumen je eine Gasentladung ausbildet. Die beiden -Entladungsräume
, können durch, das Plättchen hennetisch gegeneinander abgedichtet sein; vorzugsweise
wird jedoch einfach ein längiiches'Entladungsgefäß verwendet; in dem das- Hälbleiter`plättchen
wenigstens annähernd senkrecht` zu seiner Achse angeordnet- ist. Der -Innendurchmesser
des Entladungsgefäßes ist dabei nur wenig größer als der Außenumfang des Hä'Ibleiterplättchdns,
so daß die Entladung nicht um das Plättchen': herum brennen kante. Dies kann auch
noch durch zusätzliche E1ektroden verhindert 'werden, so' kann ;ßäs Halbreiterplättchen
z: B. in einer `als 'Iiölil Ano2'd"-bzw. Höhl-Kathode wirkenden 3löhlzyliriderförniigeri
leitenden Elektrode- angeordnet sein °- -Die Energie der in das" - Hälbleiterplättcheri'
eintretenden. Elektronen entspricht bei- gasgefijllten Entladungsröhren im wesentliehen
dem 'Anodenfall, falls nicht direkt vor der Anöde besondere Elektroden zur Potentialsteuerung
vorgesehen sind.. Die Einstellung eines gewünschten Anodenfalles kann .nach. den
bekannten Gesetzen. der Gasentladungsphysik erfolgen;, so' däß elf eine nähere Erläuterung
verzichtet werderikann: Auch die Anordnung find Vorspannüng von Potentialsteuerelektroden-istaus'
der Elektrot@enröhrentechnik bekannt.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird'ayüf_ die Zeichnungen verwiesen,
es zeigt - ` F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung .einer ersten Ausführungsform
der Erfindung; F i g. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Anöden= anordnüng des,
in F i g. 1 'dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung, -F i g. 3 ein Diagramm,"
das die Abhängigkeit. der in Zentimeter gemessenen optimalen Länge laIe des von
einem Halbleiterkörper gebildeten optischen Resonators von der Löcherdichte des
Galliumärsenids zeigt, F i g. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der für eine.
Stimulation mindestens erforderlichen Stromdichte j, gerechnet in Ampere pro Quadratzentimeter,
von der Länge l des optischen Resonators zeigt; Parameter ist die Löcherdichte im
Halbleitermaterial; das Diagramm ist für den speziellen Fall -errechnet, daß .die.
Dicke- des Halbleiterkörpers. 2@#im und das Reflexionsvermögen R seiner Stirnflächen
-99% - betragen, - _ F i g.- 5' eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der Eifindung, die ebenfalls mit einer Gasentladung arbeitet, F i g. 6 eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Elektronenentladung
ini Hochvakuum stattfindet, F i g. 'i eine weitere Ausführungsform der Erfindung
und F i g. 8 eine Schnittansicht entsprechend der Ebene 7-7 in F i g. 7, die eine
etwas abgewandelte Anodenanordnung -einer irn wesentlichen =F i g. 7 entsprechenden
All sführungsfärm der. Erfindungzeigt.
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Soweit sich die verschiedenen Bauteile der dargestellten - Ausführungsform
entsprechen, sind gleiche Bezugszahlen, , gegebenenfalls - mit angehängten Strichen,-
verwendet worden.
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Die - in F i g: 1 -dargestellte Ausfiihriingsform der Erfindung
besteht :aus einem Vakuumgefäß 10, das ein ionisierbares- Medium, z. B. ein
Edelgas, unter vermindertem Druck, z. B: etwa zwischen 10-2- @tnd 100 Torr, enthalt.
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Im Vakuumgefäß 10 sind eine kalte -Kathole112 und eine Anode
14 angeordnet, die über vakuumdichte Durehf"ührungen an einen noch zu beschreibenden
äußeren,' Stromkreis angeschlossen werden können. -Soweit beschrieben, entspricht
die Anordnung einer üblichen Gasentladungsröhre, in- der bei Anlegen -einer ..geeigneten
Spanxiung, -die etwa in -der Größenordnung- von 100 bis ' zu mehreren. hundert
Volt Ue nach dein Gasdruck) beträgt, Glimmentladung unterhalten werden kann. ;per
Strom für die Entladung wird von einer an KleNm@en,l6:angeschlossenen, nicht dargestellten
Stromq'ue11e geliefert. Da eine Glimmentladung eine fallende Charakteristik hat,
ist in- die Zuleitung ein vorzügs@ei e einstellbarer Widerstand 18 _ geschaltet.
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hie als ganzes mit 14' Gezeichnete Äraöde besteht; aus einer leitenden.
Unterlage 20,. z. B. einer, Metallplätte, und einem von dieser .Unterlagg.'getragenen
dünnen Halbleiterplättchen 22x .das das sticpullerbäre, Medium- .des optischen Senders
darsfellt..
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'Die Anode .14 ist in , Fi g2". genauer dargestellt. Das Halbleiterplättchen
22,- degeri ,.Länge mit I uitct dessen Dicke mit d bezeichnet sind, weist in üblicher
Weise
zwei planparallele Flächen 24, 26 auf, die mit einem nicht dargestellten
vollständig bzw. fast vollständig reflektierenden Belag versehen sind, so daß ein
optischer Resonator gebildet wird.
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Die Dicke des zweckmäßigerweise monokristallinen Halbleiterplättchens
22 wird vorzugsweise so klein gewählt, daß das Halbleiterplättchen für die
stimulierte Strahlung als optischer Resonator wirkt und das Halbleitermaterial praktisch
in seiner .ganzen Dicke von- den in Richtung der Pfeile 28 (F i g. 2) einfallenden
`Elektronen zur stimulierten Emission angeregt wild.
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Eine untere Grenze für die Dicke d wird durch die Beugungsverluste
gesetzt: Das in Längsrichtung des Plättchens (Doppelpfeil 30) auf die Stirnflächen
24,26 auffallende Licht wird nämlich_bei der Reflexion gebeugt. Das erste Intensitätsminimum
des gebeugten Lichtes tritt, in einem. Winkel a auf, der von der Dicke d und der
Wellenlänge A, der stimulierten Strahlung abhängt, wie in F i g. 2 eingezeichnet
ist.
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- Wenn: man fördert, daß das gesamte Licht, das in den Winkelbereich
@.a gebeugt wird, beim Auffallen auf die Hauptflächen 32, 34 des Halbleiterplättchens
vollständig reflektiert wird, so ergibt sich die Mindestdicke do unter Anwendung
der bekannten optischen Gesetze gemäß folgender Formel:
dabei bedeutet n das Verhältnis zwischen dem Brechungsindex des Halbleiterplättchens
und dem Brechungsindex - des angrenzenden Mediums: Im Falle von Galli_umarsenid
ergibt sich dabei mit 7. = 8400A und ir = 3;3 eine Mindestdicke do von 0,267
im; wenn .der Brechungsindex des angrenzenden Mediums gleich 1 (Vakuum) ist.
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Um die Reflexionsverluste bei der in.F i g. 2 dargestelltQn Anodenanordnung
auch an der Grenzflache 34 klein zu halten, die von der Metallplatte 20 unterstützt
ist, wird vorzugsweise zwischen der Fläche 34 des Halbleiterplättchens
22 und der Metallplatte 20 eine dünne elektrisch leitende Schicht
36 mit möglichst kleinem Brechungsindex vorgesehen. Die Schicht 36 kann beispielsweise
aus Zinnoxyd oder irgendeinem anderen leitenden oder halbleitenden Material bestehen.
Wenn der Brechungsindex der Schicht 36 den Wert 3 hat, beträgt die Mindestdicke
bei Verwendung von Galliumarsenid 1,795 jm.
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Umeine stimulierte Emission zu ermöglichen, -muß die Löcherdichte
im Halbleitermaterial 22 mindestens so hoch- sein, _daß- die fermi-Statistik gilt.
Für Galliümarsenid -eigibt sich dabei für 20°C eine Löcherdichte von mindestens
6 - 1018 cm-3, so daß man also- in der Praxis ein entartet dotiertes Material verwenden
wird. Die obere Grenze der Löcherdichte dürfte bei etwa 1020 liegen, da mit wachsender
Löcherdichte auch die Verluste durch Intabändabsorption und Strahlungsabsorption
durch Freie Träger zu-nehmen.
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Für die _ Länge 1 des Halbleiterplättchens gelten ähnliche Uberlegungen.-Die
optimale Länge lopt ist in F i g. 3 in Abhängigkeit von der Löcherdichte np angegeben.
- -Das in F i g. 4 dargestellte Diagramm zeigt -die Abhängigkeit der für- eine stimulierte
Emission .erforderlichen- Mindeststromdichte j in Ampere -pro Quadratzentimeter
in Abhängigkeit von der Länge , des Halbleiterplättchens (vgl. F i. g: 2), - Parameter
ist die Löcherdichte np; ,d
= 2: txrn"R
= 990%. Für Galliumarsenid
und Caesiumantimonid ergeben sich beispielsweise die in der folgenden Tabelle angegebenen
Werte
| GaAs . Cs3Sb |
| Länge 1 (mm) .................. 0;3 10 |
| Dicke d (#tm) ................ 2 10 |
| Reflexionsfaktor (%) .......... 99 99 |
| Löcherdichte np. (cm-3) ....... 1019 101s |
| Mindeststromdichte j (A/cm-2) 12 . -6,22 |
Die Zeile »Reflexionsfaktor« bezieht sich auf das Reflexionsvermögen der Stirnflächen
24,
26 des optischen Resonators. -Man sieht aus der obigen Tabelle; daß die
für eine stimulierte Emission erforderlichen Mindeststromdichten im Vergleich zu
den üblichen stimuliert emittierenden Dioden überraschend niedrig liegen, Der Grund
hierfür liegt darin, daß beim vorliegenden optischen Sender wesentlich kleinere
Beugungsverluste auftreten, da die wirksame Halbleiterzone beidseits von Medien
mit wesentlich kleinerem Brechungsindex begrenzt wird, während bei einer stimuliert
emittierenden pn-Diode kein Brechungsindexsprung vorhanden ist und das ganze äbgebeugte
Licht -verlorengeht.
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.Der erfindungsgemäße optische Sender läßt sich sehr bequem modulieren,
wie in F i g: 1 schematisch dargestellt ist. Eine erste Modulationsmöglichkeit besteht
darin, den Entladungsstrom durch einen in die Zuleitung_.geschalteten Modulator
40 zu modulieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Entladungsstrom
mittels eines Gitters 42 zusteuern. Die Modulationsspannung wird dann über
Klemmen 44 zwischen Kathode 12 und Gitter 42 zugeführt. Wieder eine: andere Modulationsmöglichkeit
besteht darin, die Gasentladung durch ein äußeres Magnetfeld zu beeinflussen, das
beispielsweise mittels einer Spule 45 erzeugt wird. Die erwähnten Modulationsmöglichkeiten
können auch in Kombination angewendet werden.
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Der aus der einen nur teilweise reflektierenden Stimfläche, z. B.
der Fläche 24 (F-i g. 2), austretende Lichtstrahl, der in F i g. 1 durch einen Pfeil
46 angedeutet.ist, kann durch ein Fenster, 48 im Vakuumgefäß 10 nach
außen geführt und zu irgendwelchen Zwecken beispielsweise zur Nachrichtenübertragung,
nutzbar gemacht werden.
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F i g. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der
entsprechende Teile wie in F i g. 1 mit den- gleichen Bezugszeichen; denen jedoch
ein Strich angehängt ist, bezeichnet sind. Das Vakuumgefäß 10' enthält.-
wieder eine Gasfüllung sowie zwei Elektroden 12'; "20', die jedoch hier .symmetrisch
_ aüsgebddet sein und nach Wunsch wahlweise ä@s@node oder Kathode betrieben werden
können- Das als- " stiinulierbares Medium - arbeitende _ Halbleiterplättchen
22.' ist bei dieser Ausfuhrungs-`förrn jedoch -nicht- auf einer Metallplatte'
lefestigt, söifdern. l°rei tragend -etwa in der Mitte des @äkuum--gefaßes 10"§o
angeordnet, daß es sich etwa senkrecht zur ' Achse. -des' beispielsweise rohrforrriigeü
. E.ntladüngsgefßes erstreckt und den Querschnitt so `weit `äusfüllt,'daßdie Entlaüung.nicht
um.däs T älbletcrplättchen herum- brennen kann. Für -die eine Hälfte des Entladungsraumes
wirkt das Hälbkiterplättchen
22' dann als Kathode und für die andere
Hälfte als Anode. Ein einwandfreies Ansetzen und Konzentrieren der Entladung auf
den Seiten 32', 34' kann durch hohlzylinderförmige Elektroden 50, 52 unterstützt
werden, die erforderlichenfalls an eine geeignete Vorspannung gelegt werden. Wenn
die Hauptentladung zwischen den Elektroden 12', 20' mit Wechselspannung bzw. intermittierend
(z. B. bei Impulsmodulation) betrieben wird, sind vorzugsweise Hilfselektroden 54,
56 vorgesehen, die eine Hilfsentladung zu erzeugen gestatten.
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Die in F i g. 6 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet
sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen insbesondere dadurch, daß das
Vakuumgefäß 10" keine Gasfüllung enthält, sondern weitestgehend evakuiert ist. Die
Elektrodenanordnung dieses Ausführungsbeispiels entspricht etwa einer Hochvakuumpentode,
die Kathode 12" ist als indirekt geheizte Glühkathode ausgebildet, der von ihr anisgehende
Elektronenstrom wird durch ein Steuergitter 42" moduliert. Um eine ausreichende
Stromdichte auch bei kleiner Spannung an der Anode 14" zu gewährleisten, ist außerdem
ein Raumladungsgitter 58 vorgesehen. Vor der Anode kann ferner ein relativ weitmaschiges
Bremsgitter 60 angeordnet sein. Die Anode 14" entspricht der oben an Hand
von F i g. 2 beschriebenen Anordnung. Die Vorspannungen der einzelnen Elektroden
werden entsprechend der Röhrengeometrie so gewählt, daß die für eine Stimulierung
erforderliche Stromdichte an der Oberfläche 32" der Anode gewährleistet ist, bei
einer Energie der durch die Fläche 32" in den Halbleiterkristall 22" eintretenden
Elektronen, die vorzugsweise etwa 10 eV, gegebenenfalls sogar 5 eV nicht übersteigt.
Zur Modulation können die Spannungen an einer oder mehreren Elektroden variiert
werden.
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Die in F i g. 7 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ähnelt
im Aufbau einer Kathodenstrahl-Oszillographenröhre. Ein evakuierter Kolben 62 enthält
ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 64 üblicher Bauart, das ein etwa in Richtung
der Röhrenachse verlaufendes Elektronenstrahlbündel 66 liefert, das durch eine Ablenkanordnüng,
z. B. elektrostatische Ablenkplatten 68, abgelenkt werden kann. Statt des üblichen
Fluoreszenzschirmes enthält die in F i g. 7 dargestellte Röhre eine Anodenanordnung
70. die aus einer Metallplatte 72 bestehen kann, auf der mindestens ein stimulierbarer
Halbleiterkristall befestigt ist. vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Schicht
mit niedrigem Brechungsindex entsprechend der Schicht 36 in F i g. 2. Das dargestellte
Ausführungsbeispiel enthält zwei stimulierbare Kristalle 74, 76. für die das in
Verbindung mit F i g. 2 Gesagte gilt. Die Kristalle 74, 76 unterscheiden
sich im Material und/oder in der Dotierung, so daß sie Licht verschiedener Wellenlängen
liefern. Wenn das Elektronenstrahlbündel 66 im Takte einer der Ablenkeinrichtung
68 zugeführten Modulationsspannung abwechselnd auf den einen oder anderen Kristall
74 bzw. 76 gelenkt wird. emittieren diese Kristalle entsprechend abwechselnd stimuliert,
und man erreicht infolge der unterschiedlichen Emissionsfrequenzen ein frequenzumgetastetes
Lichtausgangssignal.
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Selbstverständlich kann man auch nur einen einzelnen stimulierbaren
Kristall verwenden und seine Lichtemission durch entsprechende Ablenkung des Elektronenstrahlenbündels
66 stetig oder impulsmäßig modulieren. Wenn es aus irgendwelchen Gründen erwünscht
ist, den Elektronenstrahl anfänglieh auf höhere Energien zu beschleunigen, beispielsweise
um Störungen durch Magnetfelder od. dgl. klein zu halten, wird vor dem oder den
stimulierbaren Kristallen 74 bzw. 76 eine beispielsweise gitter- oder netzartige
Elektrode 78 angeordnet, die den Elektronenstrahl möglichst kurz vor der freien
Kristalloberfläche, durch die die Elektronen eintreten, auf die erwünschte, niedrige
Energie abbremsen.
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F i g. 8 zeigt eine etwas abgewandelte Anodenanordnung, die in einer
F i g. 7 entsprechenden Röhre verwendet werden kann. Die Anode kann entsprechend
F i g. 2 aufgebaut sein und enthält einen in Draufsicht dargestellten Halbleitereinkristall
80, z. B. aus Galliumarsenid oder Caesiumantimonid, dessen Stirnfläche 81 teildurchlässig
(Reflexionsfaktor beispielsweise 99%) und dessen Stirnfläche 83 vollständig reflektierend,
verspiegelt sind, so daß der übliche optische Resonatornach Art eines Perot-Fabry-Interferometers
gebildet wird. Der Einkristall 80 ist jedoch nicht homogen, sondern weist eine sich
in Richtung des Pfeiles 84 ändernde Zusammensetzung und/oder Dotierung auf, so daß
die einzelnen Streifen des Kristalls senkrecht zum Pfeil 84 entsprechend verschiedene
Emissionsfrequenzen aufweisen. Wenn der Kristall 80 durch einen schmalen
bandförmigen Elektronenstrahl abgetastet wird, dessen Auftreffbereich beispielsweise
durch das gestrichelt gezeichnete und schraffierte Rechteck 82 angedeutet ist, so
entspricht die Emissionsfrequenz des in Richtung des Pfeiles 85 emittierten phasenkohärenten
Lichtes der jeweiligen Zusammensetzung des angeregten Halbleiterbereiches. Bei einer
Ablenkung des Strahles in Richtung des Pfeiles 84 kann dadurch eine Frequenzmodulation
des emittierten Lichtstrahles 85 erreicht werden. Ändert sich die Emissionsfrequenz
in Richtung des Pfeiles 84 linear, so ist die Emissionsfrequenz direkt proportional
dem Ablenkwinkel.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern Iäßt sich in der verschiedensten Weise abwandeln.