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Die Erfindung betrifft einen durch Differenzbildung zweier optischer
kohärenter Primärstrahlen erzeugten Infrarot- oder Mikrowellenstrahl, der von einem
eng ausgeblendeten elektrisch vorgespannten Halbleiterkristall zurückgeworfen wird.
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Aus »British Journal of Scientific Instruments«, Bd. 40, Nr.1, 1963,
S. 89/90, ist ein Verfahren zum Nachweis von Frequenzdifferenzen eines optischen
Senders (Lasers) bekannt, bei dem der kohärente Strahl auf ein nichtlineares Medium
gelenkt wird, derart, daß dort ein Ausgangsstrahl entsteht, dessen Frequenz ausschließlich
durch die nachzuweisende Differenzfrequenz bestimmt ist. Das nichtlineare Medium
kann dabei z: B. ein p-n-Halbleiter sein.
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Für einen Wellenbereich zwischen 10 und 1000 Mikrometer, der im folgenden
auch als überinfraroter Bereich bezeichnet wird, standen wirtschaftlich verwertbare
Strahlungserzeuger bislang nicht zur Verfügung. Dies gilt auch für die genannte
Vorveröffentlichung, die nur eine Meßvorrichtung beschreibt. An einen Strahlungserzeuger
für den überinfrarotbereich muß, damit dieser wirtschaftlich verwertbar ist, die
Anforderung gestellt werden, daß die Richtung und/oder Konvergenz bzw. Divergenz
des erzeugten überinfraroten Strahls mit einfachen Mitteln einstellbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen überinfraroten Wellenstrahl vorbestimmter
Richtung und/oder Konvergenz bzw. Divergenz zu erzeugen. Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß Richtung und/oder Konvergenz bzw. Divergenz des Differenzstrahls
durch Beeinflussung der optischen Primärstrahlen einstellbar ist. Die Erfindung
macht sich den Umstand zunutze, daß der gewünschte Überinfrarotstrahl als Differenzstrahl
in der eingangs beschriebenen Weise herstellbar ist und daß er hinsichtlich Richtung
und/oder Konvergenz bzw. Divergenz von den entsprechenden Charakteristika der optischen
Primärstrahlen abhängt. Diese Charakteristika lassen sich jedoch leicht mit optischen
Mitteln verändern bzw. einstellen, im Gegensatz zu dem überinfrarotstrahl,_ für
den solche Mittel, jedenfalls in einfacher Ausführung, zur Zeit nicht zur Verfügung
stehen.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Effekte, nämlich die Abhängigkeit
der Richtung und Bündelung des Differenzstrahls von den Charakteristika der Primärstrahlen
machen es wahrscheinlich, daß die Differenzstrahlung, die also von dem optischen
Bereich abgestrahlt wird, durch Überlagerung der dort einfallenden Primärstrahlen
an den nichtlinearen Eigenschaften des Halbleiters entsteht. Das Problem der Überlagerung
zweier Lichtwellen an der Grenzfläche zwischen einem linearen und einem nichtlinearen
Medium ist in Physical Review, Bd. 128, Nr. 2 (Oktober 1962), S. 606 bis 622, behandelt,
und zwar wird dort die Summenfrequenz quantitativ durchgerechnet und darauf hingewiesen,
daß für die Differenzfrequenz ähnliche Ergebnisse zu erwarten seien.
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Das nach der Erfindung erzielte abgestrahlte Differenzstrahlenbündel
scheint dieser Theorie zu folgen, wenn man die Beugungseffekte berücksichtigt, die
bei den langen Wellen die Strahlungsausbreitung stark beeinflußt.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der
Zeichnung zeigt F i g.1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,
F i g. 2 ebenfalls schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,
F i g. 3 ebenfalls schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,
F i g. 4 ein Vektor-Diagramm für eine Betriebsweise des in F i g. 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels und F i g. 5 ein Vektor-Diagramm für eine andere Betriebsweise
des in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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In F i g.1 ist mit 10 ein halbleitender Kristall bezeichnet,
auf dessen Oberfläche 12 zwei Elektroden 14 und 16 mit Abstand zueinander befestigt
sind. Die beiden Elektroden 14 und 16 sind so dicht aneinandergerückt, daß sie nur
einen schmalen Bereich 18 eines Leitfähigkeitstyps aus der Oberfläche 12 zwischen
sich frei lassen. Mit 20 ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet, die an die Elektroden
14
und 16 angeschlossen ist. Die Gleichspannungsquelle ist vorzugsweise so
bemessen, daß die Feldstärke des durch sie hervorgerufenen elektrischen Feldes ungefähr
2000 Volt pro Zentimeter beträgt.
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Mit 22 und 24 sind zwei optische Sender bezeichnet, die kohärente
optische Strahlenbündel unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, die durch das Prisma
26 und die Linse 28 auf den Bereich 18 gerichtet sind. Dort wird die mit der Erfindung
angestrebte Strahlung angeregt, die, wie durch die gestrichelte Linie 30 angedeutet,
abgestrahlt wird. Diese Strahlung hat die Differenzfrequenz der beiden eingestrahlten
Strahlungen und ist sehr stark. In das dispersive Prisma 26 treten die beiden kohärenten
Strahlenbündel von den optischen Sendern 22 und 24 ein und verlassen das Prisma
als zusammengefaßtes einziges Lichtstrahlenbündel. Zu diesem Zweck ist die Anordnung
so getroffen, daß die beiden Lichtstrahlenbündel mit einem ihrer Wellenlänge entsprechenden
Einfallswinkel in das Prisma 26 einfallen. Der Abstand zwischen dem Prisma 26 und
jedem der beiden optischen Sender 22 und 24 kann auch wesentlich größer als in F
i g. 1 dargestellt sein. Die Linse 28 kann mit dem Prisma 26 zu einer Baueinheit
zusammengefaßt werden, wenn nur der gleiche optische Effekt erzielt wird.
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In einem solchen Fall ist die Absorption in dem optischen Material,
aus dem die Teile bestehen, etwas geringer.
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In F i g. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, das im
wesentlichen genauso aufgebaut ist wie das in F i g. 1 dargestellte mit der Ausnahme,
daß an Stelle des Prismas 26 zwei Spiegel 32 und 34 vorgesehen sind, um die beiden
kohärenten Strahlenbündel zusammenzuführen. Der Spiegel 32 ist ein vollreflektierender
Spiegel, während der Spiegel 34 ein halbreflektierender Spiegel ist. Da der Spiegel
34 einerseits die Strahlung von dem optischen Sender 24A durchlassen muß und andererseits
die Strahlung von dem optischen Sender 22A reflektieren muß und diese beiden Vorgänge
nicht nebeneinander mit 1000%iger Ausbeute ablaufen können, entsteht bei dieser
Anordnung eingangsseitig ein Verlust von mindestens 50%. Die beiden optischen Sender
22A
und 24A sind bei diesem Ausführungsbeispiel entsprechend den gezeichneten
Strahlengängen anders angeordnet und im übrigen aber genauso ausgebildet wie bei
dem ersten Ausführungsbeispiel. Die übrigen bei beiden Ausführungsbeispielen mit
gleichen Bezugsziffern bezeichneten Bauteile sind bei beiden
Ausführungsbeispielen
gleich ausgebildet und haben auch die gleiche Wirkung.
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In F i g. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
die Strahlenbündel von den optischen Sendern 22B und 24B im Winkel zueinander auf
den Bereich 18 des Kristalls 10 gerichtet sind. Das von dem optischen Sender 22B
ausgehende Strahlenbündel, das durch die gestrichelte Linie 40 angedeutet ist, durchquert
die Linse 36 und das von dem optischen Sender ausgehende Strahlenbündel, das durch
die gestrichelte Linie 42 angedeutet ist, durchquert die Linse 38. Wie bei
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel
eine durch die strichpunktierte Linie 30 angedeutete Strahlung angeregt. Die Linsen
36 und 38 sind im wesentlichen genauso ausgebildet wie die Linse 28 aus F i g. 1.
Bei den in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen fielen die beiden
Strahlenbündel im wesentlichen parallel in den Bereich 18 ein. Die Achse des Strahlenbündels
30 tritt dabei unter einem Winkel aus, der etwa so groß ist wie der Reflexionswinkel
sein würde, wenn an dem Kristall 10 eine optische Reflexion stattgefunden
hätte. Mit anderen Worten, der Einfallswinkel, unter dem die beiden Strahlenbündel
bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen auf den Kristall einfallen - das ist
der Winkel zwischen den Strahlen und der Normalen auf die Einfallsebene -, ist gleich
dem Ausfallswinkel, unter dem der Strahl 30 austritt - das ist der Winkel zwischen
der Normalen und der Richtung des Strahles 30. Wenn jedoch die beiden Einfallsstrahlen
in verschiedener Richtung, wie bei 40 und 42 in F i g. 3 angedeutet, auf den Kristall
treffen, dann besteht zwischen den Einfallswinkeln und dem Ausfallwinkel eine komplizierte
Beziehung. Zur Erläuterung dessen ist in F i g. 3 eine Konstruktionslinie 44, die
den Winkel zwischen den Strahlen 40 und 42 halbiert, eingezeichnet. Außerdem ist
eine weitere Konstruktionslinie 46 eingezeichnet, die mit der nicht eingezeichneten
Normalen der Kristalloberfläche den gleichen Winkel einschließt wie die Konstruktionslinie
44. Wenn man eine einfache Beziehung zwischen dem Einfallswinkel der Strahlen 40
und 42 und dem Ausfallswinkel des Strahles 30 unterstellt, dann könnte man annehmen,
der Strahl 30 würde entsprechend dem Reflexionsgesetz in Richtung der Konstruktionslinie
46 austreten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn die Strahlung des optischen
Senders 24B, der dichter an der Normalen der Oberfläche 12 des Kristalls angeordnet
ist, die kurzwelligere ist, der Ausgangsstrahl 30, wie in F i g. 3 dargestellt,
mit kleinerem Ausfallswinkel austritt. Wenn dagegen die Strahlung mit höherer Frequenz
von dem außen angeordneten optischen Sender 22B ausgeht, dann ist der Winkel zwischen
der Flächennormalen der Oberfläche 12 und dem Strahl 30 größer als der zwischen
dieser Normalen und der Konstruktionslinie 46. Man kann dies so ausdrücken, daß
der mit höherer Frequenz einfallende Lichtstrahl mehr den Ausfallswinkel des austretenden
Strahles 30 bestimmt als der mit tieferer Frequenz einfallende Strahl. Die genaue
Richtung, unter der der Strahl 30 bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
austritt, wird nun an Hand des Vektor-Diagramms aus F i g. 4 erläutert.
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In F i g. 4 ist der Vektor 40 C, bezogen auf die Kristalloberfläche
12, so gerichtet, wie der einfallende Strahl 40 aus F i g. 3. Die Vektorlänge
ist proportional der Frequenz des Strahles 40. Entsprechend ist der Vektor
42C, bezogen auf die Oberfläche 12 des Kristalls, genauso gerichtet wie der Strahl
42 aus F i g. 3, und seine Länge ist proportional zur Frequenz des Strahles 42.
Mit 48 und 50 ist eine Projektionslinie bezeichnet, die von den Enden der Vektoren
40C und 42C ausgeht und senkrecht zur Oberfläche 12 des Kristalls gerichtet ist.
Bei 52 ist die Längendifferenz der beiden Vektoren abgegriffen. Die Linie
52A zwischen den beiden Projektionslinien 48 und 50 ist genauso lang wie
der Doppelpfeil 52 und kennzeichnet die Richtung, unter der die Strahlung
30 austritt. Der dazugehörige Vektor ist in F i g. 4 mit 30 C bezeichnet.
Der Vektor 30 C ist parallel zur Linie 52A und geht von dem Einfallspunkt
auf der Oberfläche 12 aus.
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An Hand von F i g. 5 wird nun der umgekehrte Fall erläutert, bei dem
also der außen gelegene Einfallsstrahl höhere Frequenz hat. Dementsprechend repräsentiert
der Vektor 40D einen von dem optischen Sender 22B aus F i g. 3 ausgehenden Strahl
mit höherer Frequenz und der Vektor 42D einen von dem Laser 24B ausgehenden Strahl
mit tieferer Frequenz. Der Vektor 30D, der die Ausfallsrichtung des Strahles 30
kennzeichnet, wird konstruktiv auf die gleiche Weise gewonnen, wie im Text zu F
i g. 4 beschrieben. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, ist der Winkel zwischen dem Vektor
30D und der Normalen der Oberfläche 12 größer als nach F i g. 4. Mit dieser Beziehung
zwischen dem Einfalls- und dem Ausfallswinkel können physikalische Bewegungen vergrößert
werden. Wenn z. B. der Kristall 10 rotiert, so daß die Einfallswinkel der
Strahlen ständig wechseln, dann wechselt auch die durch den Vektor 30D angezeigte
Ausfallsrichtung des Strahles 30. Die Richtung des ausfallenden Strahles kann dann
zur Anzeige der Stellungsänderung des Kristalls 10 herangezogen werden. Schließlich
kann auch der Winkel zwischen den einfallenden Strahlen 40 und 42 durch Versetzen
eines der optischen Sender, z. B. des optischen Senders 22 B, verändert werden.
Dies hat eine größere Richtungsveränderung des ausfallenden Strahles 30D zur Folge.
Diese Richtungsänderung kann dann auch wieder als Meßgröße verwendet werden.
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Aus den oben angegebenen Vektor-Diagrammen ergibt sich, daß, wenn
die Einfallsstrahlen nicht in sich parallelstrahlige Bündel sind, auch der Ausfallsstrahl
kein parallelstrahliges Bündel ist. Wenn z. B. die beiden Einfallsstrahlen in der
gleichen optischen Achse einfallen, der eine Strahl ein parallelstrahliges Bündel
ist und der andere Strahl konvergierend ist, dann ist auch der Ausgangsstrahl konvergent.
In ähnlicher Weise kann ein divergenter Ausgangsstrahl erzeugt werden. Daraus ergibt
sich, daß der Ausgangsstrahl durch optische Mittel, die an den Eingangsstrahlen
angreifen, beeinflußt werden kann. Dies hat sich als außerordentlich vorteilhaft
erwiesen, weil die üblichen Linsen mindestens für einige Spektralbereiche des überinfraroten
Spektrums -des Spektrums, in dem der Ausgangsstrahl 30 liegt -undurchlässig sind.
Daher können solche Linsen nicht im Strahlengang des Ausgangsstrahls angeordnet
werden. Wendet man sie eingangsseitig an, dann treten diese Schwierigkeiten nicht
auf.
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Die optischen Sender (z. B. 22 und 24 aus F i g. 1)
sind Lichtquellen,
die einen kohärenten Strahl aussenden. Es können hierzu die handelsüblichen optisehen
Sender
verwendet werden. Diese optischen Sender müssen auf die gewünschte Ausgangsfrequenz
abgestimmt sein, und sie sollten einen Strahl von möglichst hoher Intensität abstrahlen.
Besonders vorteilhaft für Vorrichtungen nach der Erfindung ist die Kombination zweier
optischer Rubin-Sender und die Kombination eines Rubin-Senders mit einem Helium-Neon-Sender.
Es sind auch optische Sender bekannt, die einen kohärenten Strahl mit zwei verschiedenen
Frequenzen ausstrahlen. Werden solche optische Sender verwendet, dann können die
optischen Mittel zum Zusammenführen der Strahlen, z. B. das Prisma 26 aus F i g.
1, in Fortfall geraten.
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Es ist auch möglich, zwei gleich stimulierbare Kristallmedien zu verwenden
und diese zur Erzielung der Differenzfrequenz bei unterschiedlicher Temperatur zu
betreiben. Bekanntlich verändert sich die Frequenz des von einem optischen Sender
abgestrahlten kohärenten Strahles mit der Betriebstemperatur. Dies kann man zur
Temperaturmessung ausnutzen, indem der eine optische Sender auf konstanter Temperatur
gehalten wird. Die Frequenz und Wellenlänge des Ausgangsstrahles ist dann ein Maß
für die unbekannte Betriebstemperatur des anderen optischen Senders.
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Der Kristall 10 besteht aus einem Halbleiter mit hoher Elektronenbeweglichkeit.
Die elektrische Durchbruchsspannung des Halbleiters für den Kristall 10 ist
vorzugsweise hoch; sie sollte mindestens in der Größenordnung von einigen tausend
Volt pro Zentimeter liegen, zweckmäßig ist sie noch höher. Es sind zusammengesetzte
Halbleiter bekannt, die diese Bedingungen erfüllen, z. B. solche aus Verbindungen
von Elementen der Gruppen III und V des Periodischen Systems und die Gallium-Arsenid,
Gallium-Phosphid, Gallium-Antimonid, Indium-Phosphid, Indium-Arsenid und Indium-Antimonid
enthalten. Darüber hinaus sind auch elementare Halbleiter aus Silizium und Germanium
und solche aus Bleisalzen sowie solche aus Blei-Seleniden und Blei-Telluriden vorteilhaft
anwendbar. Im wesentlichen sind Materialien mit einem kleinen Bandabstand vorzuziehen,
weil sie in einem breiteren Frequenzband betrieben werden können und eine höhere
Trägerbeweglichkeit haben. Die höchste Energieausbeute bei hohen überinfraroten
Frequenzen ist erzielbar, wenn die Quantenenergie des einfallenden Lichtes mindestens
um die optische Phonon-Energie des Kristallmaterials größer ist als die Energielücke
im photoleitenden Kristall. Dieses Energiedifferenzminimum liegt in der Größenordnung
eines zehntel Elektronenvolt.
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Zur Herstellung eines hochgradig gereinigten Kristalls kann man von
einem Gallium-Arsenid-Kristall, der besonders bei tiefen Temperaturen eine sehr
hohe Beweglichkeit hat, ausgehen.
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Der wirksame Bereich 18 des Kristalls wird zweckmäßig so behandelt,
daß er eine sehr niedrige Rekombinationsrate hat. Eine solche Oberfläche kann durch
Abspalten im Vakuum gebildet werden. Sie kann aber auch gebildet werden, indem zunächst
mit anderen Mitteln oberflächliche Spannungen, Unregelmäßigkeiten und Unreinheiten
entfernt werden und dann eine Ätzung vorgenommen wird. Die Ätzung kann z. B. durch
Eintauchen in ein Ätzbad erfolgen, das aus 1 Teil Fluor-Wasserstoffsäure, 2 Teilen
Salpetersäure und 2 Teilen Wasser besteht. Nachdem der Kristall etwa 3 Minuten in
diesem Ätzbad eingetaucht war, wird er zunächst mit Wasser und dann mit Azeton gespült.
Die Oberfläche wird außerdem vorzugsweise durch einen geeigneten transparenten Überzug,
z. B. einen üblichen Viertelwellenlängenüberzug, geschützt.
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Der Abstand zwischen den beiden Elektroden 14 und 16 über dem wirksamen
Kristallbereich 18 ist vorzugsweise eng begrenzt. Bei der dargestellten Anordnung
ist es sehr einfach, den Bereich 18 sehr genau zu bemessen. Zu diesem Zweck kann
der Kristall 10 mit einem metallischen Überzug versehen werden, der die Elektroden
14 und 16 bildet. Der Bereich 18 kann dann freigelegt werden, indem das Elektrodenmaterial
an dieser Stelle durch Ätzung entfernt wird. Wenn die Abmessungen des Bereichs 18
zwischen den Elektroden 14 und 16 ungefähr eine halbe Wellenlänge, bezogen auf den
abgestrahlten Strahl 30 betragen, dann ist die Energieausbeute am größten. Wenn
jedoch der Abstand zwischen den beiden Elektroden 14 und 16 ein Mehrfaches der Wellenlänge
der abgestrahlten Strahlung beträgt, dann ist der abgestrahlte Strahl weitgehend
parallel gebündelt. Dies ist bei vielen Anwendungsfällen sehr vorteilhaft. Wenn
ein konvergenter oder divergenter abgestrahlter Strahl, wie im Zusammenhang mit
F i g. 3 bis 5 beschrieben, erzielt werden sollen, dann sind die Abmessungen des
Bereichs zwischen den Elektroden 14 und 16 zweckmäßig ebenfalls in der Größenordnung
mehrerer Wellenlängen der abgestrahlten Strahlung.