DE1286240B

DE1286240B - Optischer Sender oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1286240B
Application number: DEM62920A
Authority: DE
Inventors: Shand William Alexander; Nash William Brian; Phillips Geoffrey; Brown Michael Richard
Original assignee: SECR AVIATION
Current assignee: SECR AVIATION
Priority date: 1963-10-22
Filing date: 1964-10-22
Publication date: 1969-01-02
Also published as: NL6412314A; US3397316A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auL.einen optischen einen solchen Betrieb auch optimal sein dürfte. ErSender oder Verstärker mit einem stimulierbaren Me- findungsgemäß finden diese Kristalle jedoch einen ganz dium, dessen Grandkristall mit Ionen mindestens eines andersartigen Einsatz, bei dem mehrere oberhalb des Elementes aus der Gruppe der Seltenen Erden dotiert Grundniveaus liegende Energieniveaus mitspielen und ist, die ihre Änregungsenergie aus einer stufenweisen 5 für den sich dementsprechend auch ein weit höherer Anregung aus zwei verschiedenen Bereichen einer Anteil an Verunreinigungen im Grundgitter der beelektromagnetischen Anregungsstrahlung beziehen, die strahlten Kristalle als zweckmäßig erweist, der bis sich zudem von der Frequenz der zu erzeugenden zu dem hohen Wert von 30 % gehen kann. Strahlung unterscheiden, wobei die Anregungsstrah- Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen

lung des ersten Bereichs die Elektronen auf eine erste io Senders bieten sich verschiedene Möglichkeiten. So höhere Energiestufe anhebt, während die des zweiten kann man das stimulierbare Medium als platten-Bereichs die bereits angeregten Elektronen darüber förmigen Kristall ausbilden, man kann es aber auch hinaus auf eine noch höhere Energiestufe anhebt, von aus einem zu einer Platte zusammengefaßten Bündel der aus sie dann unter Aussendung der zu erzeugenden aus Lichtleitfasern mit kristallinem Aufbau bestehen Strahlung auf eine tiefere Energiestufe, beispielsweise 15 lassen, und schließlich kann man einen plattenauf die Ausgangsstufe, zurückfallen. förmigen Aufbau auch dadurch erreichen, daß man

Die Möglichkeit, durch Bestrahlung eines Kristalls ein Mosaik von Kristallbausteinen entsprechend zumit zwei verschiedenen Anregungsstrahlungen ver- sammenfügt, wobei es sich empfiehlt, die einzelnen schiedener Frequenz eine dritte in ihrer Frequenz von Kristallbausteine der Platte durch ein opakes Material den beiden Anregungsstrahlungen verschiedene Strah- 20 voneinander zu trennen. '

lung zu erzeugen, wird bereits in einem Aufsatz von Da bei dem erfindungsgemäßen optischen Sender

N.L.Bloembergenin der Zeitschrift »Physical die erzeugte Strahlung in einem ganz anderen Fre-Review Letters«, Band 2, Nr. 3, vom 1.2.1959, auf quenzbereichliegen kann als die Anregungsstrahlungen, den Seiten 84 und 85 theoretisch erörtert. Nähere An- läßt sich mit Hilfe eines solchen Senders in bequemer gaben über die praktische Durchführung dieses Vor- 25 Weise ein Frequenzwandler für den optischen Bereich Schlages werden in der Veröffentlichung jedoch nicht bzw. ein Bildwandler bauen, der etwa ein durch gemacht. Was die Kristalle selbst anbelangt, findet Infrarotstrahlung vorgegebenes Bild in ein Bild im sich in der Veröffentlichung lediglich der Hinweis, daß Bereich des sichtbaren Lichtes umsetzt. Dabei besolche Kristalle, die Ionen von Elementen aus der steht bei einem solchen Einsatz eines erfindungsge-Gruppe der Seltenen Erden als Verunreinigungen in 3° mäßen optischen Senders die Möglichkeit, eine der einem Grundgitter enthalten, für die Durchführung beiden Anregungsstrahlungen nicht aus der umzueines derartigen Verfahrens geeignet sein müßten. wandelnden Strahlung selbst zu gewinnen, sondern Eine solche Angabe spricht jedoch eine sehr große eine zusätzliche Energiequelle für die Anregungs-Vielzahl von Kristallen an, die in der Gegend von strahlung vorzusehen, was insbesondere dann von etwa 40 Millionen verschiedener Verbindungen liegt, 35 Vorteil ist, wenn eine der zur Strahlerzeugung erf orderso daß damit noch kein praktisch begehbarer Weg auf- liehen Frequenzen in der einfallenden, das Bild entgezeigt ist, auf dem das angegebene Verfahren durch- haltenden Strahlung nur schwach vertreten ist. Dabei führbar wäre. besteht ohne weiteres die Möglichkeit, jeglichen Ein-

Für die Erfindung stellte sich also die Aufgabe, fluß der Strahlung der zusätzlichen Anregungsquelle einen praktisch brauchbaren optischen Sender anzu- 40 auf das Bild selbst auszuschalten, indem man zwischen geben, mit dessen Hilfe sich das obenerwähnte Ver- die Quelle für die erste Anregungsstrahlung und das fahren durchführen läßt. Diese Aufgabe wird erfin- stimulierbare Medium ein Filter einfügt, das im Bereich dungsgemäß dadurch gelöst, daß als stimulierbare der zweiten Anregungsstrahlung, die das Bild liefert, Medien Lanthan-, Kalzium-, Strontium- oder Barium- undurchlässig ist. Eine weitere Ausgestaltung eines fluorid mit eingebauten dreifach ionisierten Atomen 45 derartigen Bildwandlers läßt sich dann noch dadurch der Seltenen Erden Dysprosium, Terbium, Neodym, erzielen, daß man zwischen das stimulierbare Medium Erbium oder Holmium Verwendung finden, wobei und die Quelle für die erste Anregungsstrahlung einen der Anteil der Dotierung zwischen 0,5 und 30 % be- diese Strahlung auf das stimulierbare Medium reträgt, flektierenden^ für die erzeugte Strahlung jedoch durch-Die erfindungsgemäß eingesetzten Kristalle sind 50 lässigen Spiegel einfügt, durch den hindurch dann das als solche an und für sich bekannt, und auch ihre Bild in dem erzeugten Frequenzbereich betrachtet Brauchbarkeit zur Erzeugung von Laserstrahlung werden kann.

üblicher Art ist bereits in einer Reihe von Veröffent- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien nun-

lichungen, nämlich der Zeitschrift »Physical Review« mehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung das inBandl31auf den Seiten 990 bis 992 und in Band 132 55 Funktionsprinzip und einige Ausführungsmöglichauf den Seiten 224 bis 227 sowie 1609 bis 1611, der keiten für einen erfindungsgemäßen optischen Sender Zeitschrift »Journal of Applied Physics« in Band 34 bzw. einen mit dessen Hilfe aufgebauten Bildwandler auf den Seiten 897 bis 909 und der Zeitschrift »Bell näher beschrieben. Dabei zeigt in der Zeichnung Laboratories Record« in Band 41 auf Seite 96, beschrie- Fig. lein mögliches Tennschema für eine Substanz,

ben. Bei allen diesen Veröffentlichungen geht es jedoch 60 die sich erfindungsgemäß als Frequenzwandler im stets nur um den Einsatz dieser Kristalle im Rahmen optischen Bereich einsetzen läßt, eines üblichen Laserbetriebes, bei dem sich die ge- F i g. 2 ein anderes mögliches Termschema für eine

wünschte Ausgangsstrahlung durch Einstrahlung einer solche Substanz,

einzigen Anregungsfrequenz erzeugen läßt. Dement- Fig. 3 noch ein weiteres mögliches Termschema

sprechend liegt bei allen in diesen Veröffentlichungen 65 für eine solche Substanz,

behandelten Kristallen der Gehalt an Ionen von EIe- F i g. 4 einen Teilquerschnitt durch das stimu-

menten aus der Gruppe der Seltenen Erden bei sehr lierbare Medium eines erfindungsgemäßen Bildgeringen Werten von weniger als I⁰J₀, wie dies für wandlers,

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F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Energieniveau El auf das Energieniveau E3 anheben, Bauart für das stimulierbare Medium eines solchen wie durch den Pfeil 2 angezeigt ist. Die Anregungs-Bildwandlers, strahlung kann infrarotes oder sichtbares Licht sein.

F i g. 6 eine perspektivische Ansicht noch einer Das Elektron im Energiezustand E3 kann Energie

weiteren Bauart für das stimulierbare Medium eines 5 durch Emission (spontan und/oder ausgelöst [stimu-

solchen Bildwandlers und liert]) abgeben, indem es unter Aussendung sichtbarer

F i g. 7 in schematischer Weise die gegenseitige Zu- Strahlung der Frequenz ^₃₁ auf das Energieniveau El

Ordnung der Teile eines solchen Bildumwandlers. zurückfällt. Diese Energieänderung ist in F i g. 1

Das Grundprinzip für die Arbeitsweise eines erfin- durch den Pfeil 3 veranschaulicht. Das Elektron be-

dungsgemäßen optischen Senders als Ffequenzwandler i° findet sich dann wieder im Ausgangszustand und kann

im optischen Bereich ist das folgende: Das Grund- durch die einfallende Signalstrahlung erneut auf das

gitter des stimulierbaren Mediums enthält ein Element Niveau El angehoben werden, wodurch es schließlich

der Seltenen Erden als Fremdionen in dreifach ionisier- zu einer erneuten Strahlungsemission mit der Frequenz

tem Zustand. Die Elektronen der nicht aufgefüllten v^ kommt.

Schalen der Fremdionen können eine diskrete Folge 15 Als weiteres Beispiel für einen optischen Frequenz-■von Energiezuständen oder Energieniveaus einnehmen. wandler sei an Hand von F i g. 2 ein solcher mit einem Normalerweise befinden sich die Elektronen im Ener- System von vier Energietermen betrachtet, der vier giegrundzustand El. Sie können jedoch durch ver- Energieniveaus El, El, E3 und EA mit den Besetschiedene Prozesse, wie beispielsweise durch Absorp- zungszahlen JVl, JV2, JV3 und N4 besitzt, wobei der tion elektromagnetischer Strahlung, auf höhere Ener- 20 Index 1 den Grundzustand, die Indizes 2 und 3 mittlere gieniveaus El, E3, E4 usw. angehoben werden; wer- Energiezustände und der Index 4 den höchsten Ener-■den nun mit Nl, Nl, N3, N 4 usw. die Besetzungs- giezustand bezeichnen. Es sei eine Quelle für einfallende zahlen für die Energieniveaus El, El, E3, E4 usw. Signalstrahlung mit einer Energie hv_% !vorhanden, deren bezeichnet und angenommen, daß sich alle Elektronen Frequenz V₂₁ ist, so daß hv_2l = El-El ist. Die Elekzunächst im Grundzustand mit einer Besetzungszahl 25 tronen im Grundzustand werden dann von dem niedgleich JVl befinden und daß die Zahl der Elektronen rigen Energieniveau El auf das Energieniveau El anin den angeregten Energiezuständen gleich Null ist, geregt, wie in F i g. 2 durch den Pfeil 4 angedeutet ist. d. h. JV2 = /V3 = JV4 = 0 usw., so hebt eine einfal- Die einfallende Signalstrahlung kann beispielsweise lende elektromagnetische Strahlung geeigneter Fre- Infrarotstrahlung sein. Zusätzlich ist eine Quelle für quenz ein Elektron vom Grundzustand auf eines der 3° Anregungsstrahlung der Energie hv_iZ vorgesehen, deren höheren Energieniveaus. Eine elektromagnetische An- Frequenz^? so gewählt ist, daß E4—E1 — AV₄₂ ist. regungsstrahlung einer weiteren geeigneten Frequenz Diese zweite Strahlungsquelle ist in der Lage, die kann dann dazu benutzt werden, das Elektron von Energie des Elektrons durch Anheben vom Energiediesem höheren Energieniveau auf ein noch höheres niveau E2 auf das Energieniveau E4 zu erhöhen, wie Energieniveau zu heben. Von diesem hohen Energie- 35 dies in F i g. 2 durch den Pfeil 5 angedeutet ist. Diese niveau wird das Elektron wieder auf ein niedrigeres Anregungsstrahlung kann infrarotes oder sichtbares Energieniveau und möglicherweise in den Grund- Licht sein. Von dem Energiezustand E4 fallen die zustand zurückfallen. Beim Platzwechsel des Elektrons Elektronen auf das Energieniveau E3 zurück, oder sie zwischen Energiezuständen in Richtung niedrigerer gelangen thermisch dahin, wie in F i g. 2 durch den Energieterme wird elektromagnetische Strahlung aus- 40 Pfeil 6 angedeutet ist. Die Elektronen im Energiegesandt, deren Frequenz von der der einfallenden und zustand E3 können durch Emission (spontan und/oder der Anregungsstrahlung verschieden sein kann. Es ist ausgelöst [stimuliert]) unter Rückkehr auf das Energiebekannt, daß es für das Eintreten einer Umkehrung niveau El und Ausstrahlung sichtbarer elektromagneder Besetzungsverteilung notwendig ist, daß entgegen tischer Strahlung der Frequenz v₃₁, die beispielsweise dem Temperaturgleichgewicht die Besetzung mit Elek- 45 gelbes Licht sein kann, Energie abgeben. Diese Enertronen in einem höheren Energieniveau größer ist als gieänderung ist in F i g. 2 durch den Pfeil 7 veranschauin dem niedrigeren Energieniveau, zu dem der Über- licht. Die Elektronen befinden sich dann wieder im Ausgang stattfinden soll. gangszustand und können von dort durch die ein-

AIs Beispiel für einen Frequenzwandler im optischen fallende Signalstrahlung erneut auf das Energieniveau

Bereich sei im folgenden an Hand von F i g. 1 ein 50 El gebracht werden.

solcher beschrieben, der auf Grund eines 3-Term- Das obere Energieniveau, auf das die Elektronen Schemas mit drei Energieniveaus El, El und E3 mit durch das Anregen gelangen, kann aus einer Anzahl den Besetzungszahlen /Vl, 7V2 und JV3 arbeitet, wobei eng benachbarter Energieterme bestehen, wodurch die der Index 1 den Energiegrundzustand, der Index 2 ein Wirksamkeit der Anregungsstrahlungsquelle gesteigert mittleres Energieniveau und der Index 3 das höchste 55 wird, da die Anregungsstrahlung im allgemeinen mehr Energieniveau kennzeichnet. Es sei angenommen, daß als nur eine einzige Frequenz enthalten wird. Als Beieine Quelle für eine einfallende Signalstrahlung mit spiel hierfür sei nachfolgend an Hand von F i g. 3 ein einer Energie Av₂₁ existiert, wobei v_2I die Frequenz Wandler mit fünf Energietermen beschrieben: Es bedieser Strahlung und h das Plancksche Wirkungs- stehen in diesem Fall fünf Energieniveaus El, El, E3, quantum ist, und daß hv₂₁ = El—El ist. Das Elektron 60 E4 und E5, von denen El der Grundzustand ist.
im Grundzustand El wird dadurch auf den Energie- Es wird angenommen, daß die einfallende Signalzustand El gebracht, wie in Fi g. 1 durch den Pfeil 1 strahlung eine solche Frequenz j>₂₁ besitzt, daß Zw₂₁ angedeutet ist. Die einfallende Signalstrahlung kann = El—El ist. Elektronen im Grundzustand El werbeispielsweise eine Infrarotstrahlung sein. Zusätzlich den dann auf das Energieniveau i?2 angehoben, wie in ist eine Quelle für eine Anregungsstrahlung mit der 65 F i g. 3 durch den Pfeil 8 angedeutet ist. Zusätzlich Energie Av₃₂ vorgesehen, wobei v_si die Anregungs- wird angenommen, daß die Anregungsstrahlungsfrequenz ist, die so bemessen ist, daß E3—E1 = hv_3Z quelle Strahlung mit den beiden Frequenzen v_iz und ist. Diese zweite Energiequelle kann das Elektron vom r₅₂ aussendet, deren Energie hv_iS = E4—El bzw.

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hv_B&= E5—E2 ist, Einige Elektronen auf dem Ener- die Intensität dieses Lichtes ist jedoch ebenfalls nicht gieniveaui?2 werden dann auf das Energieniveau EA sehr groß. ·

angehoben, wie in F i g. 3 durch den Pfeil 9 angedeutet Wesentlich größere Intensitäten der ausgesandten

ist, und einige auf das Energieniveau ES, wie der Strahlung, die in der Größenordnung um den Faktor Pfeil 10 veranschaulicht. Durch thermische Energie- 5 100 höher liegen als bei den eben erwähnten Substanabgabe fallen Elektronen vom Energieniveau ES zu- zen, lassen sich durch den Einbau von dreifach iatüsierrück auf das Energieniveau 2?4, wie in Fig. 3 durch ten Erbium- oder Holmiumionenin die gleichen Grundden Pfeil 11 angedeutet ist, Und vom Energieniveau EA gitter erreichen.

auf das Energieniveau E3>, wie durch den Pfeil 12 an- Ist in einem Grundgitter aus Lanthanfluorid, Stron-

gedeutet ist. Die auf diese Weise im Energiezustand £3 io tiumfluorid, Kalziumfluorid oder Bariumfluorid Erbium angesammelten Elektronen geben dann ihre Energie anwesend, so treten bei Zimmertemperatur verschiedurch Emission (spontan und/oder ausgelöst [stimu- dene Energieverhältnisse auf. Bei diesen kann die Freliert]) unter Rückkehr in den Energiezustand El und quenz der einfallenden Strahlung wie auch der An-Aussendung sichtbarer Strahlung der Frequenz ^₃₁ ab. regungsstrahlung im nahen-Infrarot liegen, während Dieser Übergang ist in Fig. 3 mit dem Pfeil 13 an- 15 die aus einer Überlagerung der verschiedenen Umgedeutet. .Wandlungsvorgänge resultierende Fluoreszenzstrah-Bei den erfindungsgemäß für den Aufbau von Bild- lung für das Auge deutlich sichtbar ist. Dabei hängt wandlern eingesetzten. Kristallen, bei denen in einem die Farbe des entstehenden Fluoreszenzlichtes von Grundgitter aus Lanthanfluorid (LaF₃), Kalzium- .dem jeweiligen Grundgitter ab. Mit Lanthanfluorid fluorid (CaF₂), Strontiumfluorid (SrF₂) oder Barium- ao als Grundgitter ist der überwiegende Teil der ausfluorid (BaF₂) die Seltenen Erden Dysprosium, Ter- gesandten Strahlung grün, wenn die Ionen auf genübium, Neodym, Erbium oder Holmium in Formihrer gend hohe Energiezustände angeregt werden. Mit dreifach positiv geladenen Ionen enthalten sind, Strontiumfluorid, Kalziumfluorid oder Bariumfluorid können alle vorstehend erläuterten Energieverhältnisse als Grundgitter ist die vorherrschend ausgesandte einzeln oder in Kombination für die Strahlungsaus- 25 Strahlung rötlich, orange, rot oder gelborange. Für Sendung verantwortlich sein, so daß beispielsweise einige Umwandlungsprozesse wird sichtbare Strahlung unterschiedliche Signal- und Anregungsfrequenzen in zur Anhebung der Energie der Ionen aus dem Grundden Kristallen absorbiert werden können und dem- zustand benötigt, während eine infrarote Strahlung entsprechend die Erzeugung unterschiedlich gefärbter ihre Energie weiter anhebt. Diese Prozesse eignen sich Bilder möglich ist. Dabei liegt die Frequenz der An- 30 besonders für den Nachweis schwacher Infrarotregungsstrahlung je nach dem für das stimulierbare strahlung. Bei Prozessen, bei denen die Anregungs-Medium verwendeten Material im sichtbaren oder im strahlung ebenso wie die einfallende Signalstrahlung infraroten Spektralbereich. Für die Herstellung der im nahen Infrarot liegtykann eine einzelne Breitband-Kristalle kommt die Züchtung nach der Stockbarger quelle als Quelle sowohl für die einfallende Signal-Methode in Betracht, wobei der jeweils in den Grund- 35 strahlung als auch für die Anregungsstrahlung dienen, kristall eingebaute Anteil an Fremdionen nach unten Umwandlungsprozesse analog den in Fig. 1 und 2 durch den zur Erreichung einer merklichen Frequenz- veranschaulichten wurden mit Erbium als Verunreiniänderung nötigen Wert und nach oben durch die unter gung in einem Grundgitter beobachtet. Bei den ProErhaltung des Grundgitters maximal in dieses ein- zessen nach F i g. 1 kann die einfallende Strahlung eine bringbare Menge an Fremdionen gegeben ist. loner- 40 Wellenlänge von etwa 973 mn oder 1,5 μηι besitzen, halb dieser Grenzen liegt der erfindungsgemäß bevor- die Anregungsstrahlung kann eine Wellenlänge von zugte Anteil an Fremdionen zwischen 1 und 15 Atom- etwa 1,96 nm oder 1,15 μτα haben, und die Wellenprozent, da bei diesen Konzentrationsverhältnissen die länge der abgegebenen Strahlung kann bei etwa intensivsten Fluoreszenzübergänge auftreteD. 651 mn liegen. Bei den Prozessen nach F ig. 2 kann Nunmehr seien einige Beispiele für das Verhalten 45 die einfallende Strahlung eine Wellenlänge von etwa 651, der verschiedenen erfindungsgemäß' brauchbaren Kri- 973 oder wieder 973 nm und die Anregungsstrahlung stalle näher angegeben: eine Wellenlänge von etwa 780, 978 mn oder 1,13/im Ein Kristall, der in einem Grundgitter aus Lanthan- besitzen und die Wellenlänge der abgegebenen Strahfluorid, Bariumfluorid, Kalziumfluorid oder Stron- lung bei etwa 541 nm liegen.

tiumfluorid dreifach positiv geladene Ionen von 50 Ist Holmium als Fremdion in einem Grundgitter aus Dysprosium enthält, arbeitet sowohl bei Zimmertem- Lanthanfluorid, Strontiumfluorid, Kalziumfluorid oder peratur als auch bei der Temperatur des flüssigen Bariumfluorid anwesend; so treten ebenfalls bei Zimmer-Stickstoffs nach einem Termschema mit vier Energie- temperatur verschiedene Umwandlungsprozesse auf. niveaus entsprechend der Fig. 2. Dabei weisen die Bei einem Prozeß haben die einfallende Signalstrahlung einfallende Strahlung und die Anregungsstrahlung 55 und die Anregungsstrahlung Wellenlängen von etwa Wellenlängen von etwa 1,69 μτα bzw. von 574 nm auf, 1,95 μΐη und 955 nm und die abgegebene Fluoreszenzwährend die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung strahlung eine Wellenlänge von 641 nm (d. h., sie ist bei etwa 478 nm liegt. . ■ rot). Dieser Prozeß ist bei Verwendung eines Lanthanin ein gleiches Grundgitter eingebaute dreifach posi- fluorid-Grundgitters nur schwach ausgeprägt, tiv geladene Neodymionen führen auf der Grundlage 60 Bei einem anderen Prozeß, der bei Verwendung von verschiedener energetischer Abläufe zu der Aussendung Lanthanfluorid als Grundgitter stärker auftritt.als bei einer Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge von den anderen oben angegebenen Erdalkalifluoriden, ist etwa 412 nm, jedoch ist die Intensität des so entstehen- das ausgesandte Licht grün. In diesem Fall haben die den Lichtes nicht sehr hoch. einfallende .Signalstrahlung und die Anregungsstrah-

. .Auch durch den Einbau von dreifach positiv gelade- 65 lung Wellenlängen von etwa 1,18 μηα und 980 nm, und nen Terbiumionen in eines der obenerwähnten Grund- die ausgesandte Strahlung hat eine Wellenlänge von gitter läßt sich die Aussendung von elektromagnetischer etwa 535 nm. Beide Prozesse folgen- dem Termschema Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes erzielen, der.Fig.1.

Bei einem weiteren Prozeß, der bei Verwendung eines der oben angegebenen Erdalkalifluoride als Grundgitter beobachtet wird, ist die abgegebene Fluoreszenz-Strahlung blau. Dieser Prozeß wird durch F i g. 3 veranschaulicht und schließt zwei Anregungsfrequenzen ein. Es lauf en tatsächlich zwei getrennte Prozesse nebeneinander ab, bei denen einfallende und abgegebene Strahlung dieselben Frequenzen besitzen. Die einfallende Strahlung hat eine Wellenlänge von etwa 641 nni, die sichtbare abgegebene Strahlung hat eine Welleillänge von etwa 485 mn, und die Abregungsstrahlungswellenlängen liegen bei etwa 753 |und 821 nm.

Bei Erbium und auch bei Holmium liegen die-jbevorzugten Ionenkonzentrationen im Bereich von 1 bis 15 Atomprozent.

Das wirksame Bauteil eines Bildwandlers besteht nun aus einer Platte aus einer kristallinen Substanz, die am besten als Verunreinigung Erbium- oder Holmiumionen in einer Konzentration von 0,1 bis 30% in einem Grundgitter aus einem Fluorid eines der Elemente Lanthan, Kalzium, Strontium oder Barium enthält. Der Aufbau dieser Platte hängt von der für das resultierende sichtbare Bild geforderten Auflösung ab. Wenn eine hohe Auflösung gefordert wird, bildet man die Platte entsprechend F i g. 4 aus einem Bündel von Lichtleitfasern. Genügt eine geringere Auflösung, kann die Platte aus einem Mosaik von Kristallbausteinen bestehen, wie es die F i g. 5 zeigt. Reicht eine noch geringere Auflösung aus, so kann die Platte aus einem einzigen Kristall bestehen, wie in F i g. 6 gezeigt ist.

F i g. 4 zeigt einen Teilschnitt durch eine Platte, die das wirksame Bauteil eines Bildwandlers darstellt. Die Platte 1 besteht aus einer großen Zahl von Lichtleitfasern, von denen einige mit 2 bezeichnet sind. Jede dieser Lichtleitfasern besteht aus einer einzelnen Kristallfaser aus einem Fluorid eines der Elemente Lanthan, Strontium, Kalzium oder Barium, das Holmium oder Erbium enthält. Jede der Lichtleitfasern 2 ist mit einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex, wie Natriumfluorid oder ein Glas mit niedrigem Brechungsindex, umkleidet, so daß die einfallende Signalstrahlung und die abgegebene Fluoreszenzstrahlung im Faserinnern total reflektiert werden.

F i g. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausbildung der Platte, bei der die Platte 1 aus einem Mosaik von Kristallbausteinen 3 besteht. Die Platte 1 wird durch Zerschneiden eines einzigen Kristalls der verwendeten Substanz, Umkleiden von vier Seitenjedes der so gebildeten Kristallbausteine mit einer opaken Substanz und erneutem Zusammensetzen bzw. -kitten der Kristallbausteine in ihrer ursprünglichen Anordnung hergestellt, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Die opake Deckschicht befindet sich an den Mantelflächen der Kristallbausteine 3, wie durch die Linien 4 veranschaulicht wird, und sie läßt die Stirnflächen an der Ober- und Unterseite der Platte 1 frei für den Lichtdurchgang.

F i g. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer aus einem einzigen Kristall gebildeten Platte.

Wenn einfallende Signal- und Anregungsstrahlung von einer einzigen in nahen Infrarot emittierenden Breitbandquelle her empfangen wird, leistet die Platte 1 der F i g. 4, .5 oder 6 alles, was für die Umwandlung eines einfallenden Signalbildes in ein sichtbares Bild benötigt wird. In diesem Fall läßt man die einfallende Strahlung auf eine große Stirnfläche der Platte 1 auftreffen und kann das sichtbare Bild auf der Platte betrachten.

Ist jedoch die Quelle für die einfallende Strahlung schwach, so empfiehlt es sich, zusätzlich eine getrennte Anregungsenergiequelle zu benutzen. In F i g. 7 ist eine entsprechende Anordnung dargestellt. Diese Figur zeigt die schematische Zuordnung der Bauteile eines Bildwandlers unter Benutzung einer getrennten Anregungsquelle in Seitenansicht Der Aufbau der

ίο Platte J kann der F ig. 4, 5 oder 6 entsprechen. Weiter sind ein Spiegel 5, eine Quelle 6 für die Anregungsstrahlung und ein Filter 7 vorhanden. Das Filter 7 ist dazu bestimmt, nur die Infrarotstrahlung der Quelle 6 durchzulassen und den sichtbaren Strahlungsanteil zurückzuhalten. Die vom Filter 7 durchgelassene Infrarotstrahlung fällt auf den Spiegel 5 und wird auf die Oberseite der Platte 1 reflektiert. Das einfallende Bildsignal wird von der Unterseite der Platte 1 aus empfangen. Während der Spiegel 5 die infrarote Anregungsstrahlung reflektiert, ist er für die sichtbare Strahlung durchlässig, so daß das in der Platte 1 entstehende sichtbare Bild auch auf der Rückseite des Spiegels 5 beobachtet werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem stimulierbaren Medium, dessen Grundkristall mit Ionen mindestens eines Elements aus der Gruppe der Seltenen Erden dotiert ist, die ihre Anregungsenergie aus einer stufenweisen Anregung aus zwei verschiedenen Bereichen einer elektromagnetischen Anregungsstrahlung beziehen, die sich zudem von der Frequenz der zu erzeugenden Strahlung unterscheiden, wobei die Anregungsstrahlung des ersten Bereichs die Elektronen auf eine erste höhere Energiestufe anhebt, während die des zweiten Bereichs die bereits angeregten Elektronen darüber hinaus auf eine noch höhere Energiestufe anhebt, von der aus sie dann unter Aussendung der zu erzeugenden Strahlung auf eine tiefere Energiestufe, beispielsweise auf die Ausgangsstufe, zurückfallen, d adurch gekennzeichnet, daß als stimulierbare Medien Lanthan-, Kalzium-, Strontium- oder Bariumfluorid mit eingebauten dreifach ionisierten Atomen der Seltenen Erden Dysprosium, Terbium, Neodym, Erbium oder Holmium Verwendung finden, wobei der Anteil der Dotierung zwischen 0,5 und 30% beträgt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium als plattenförmiger Kristall (1) ausgebildet ist.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium aus einem zu einer Platte (1) zusammengefaßten Bündel aus Lichtleitfasern (2) mit kristallinem Aufbau besteht, die senkrecht zur Plattenfläche ausgerichtet sind und deren gemeinsame Stirnfläche die Plattenebenen darstellen.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium aus einem zu einer Platte (1) zusammengef aßten Mosaik von senkrecht zur Plattenebene ausgerichteten Kristallbausteinen (3) besteht und deren gemeinsame Stirnflächen die Plattenebenen darstellen.

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5.-Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kristallbaüsteine (3) der Platte (1) durch ein opakes Material (4) längs ihrer Mantelflächen voneinander getrennt sind.

6. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bildwandler.

7. Bildwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Quelle für die erste Anregungsstrahlung, die Signalstrahlung'(6),

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ausgebildete stimulierbare im Bereich der zweiten Anundurchlässiges Filter (7) ein-

und das als Platte
Medium (1) ein
regungsstrahlung
gefügt ist.

8. Bildwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das stimulierbare Medium (1) und die Quelle für die erste Anregungsstrahlung, die Signalstrahlung (6), ein diese Strahlung auf das stimulierbare Medium reflektierender, für die erzeugte Strahlung jedoch durchlässiger Spiegel (5) eingefügt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen