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Die Erfindung betrifft einen optischen Molekularverstärker mit einem
stimulierbaren Festkörpermedium innerhalb eines optischen Resonators, einer Auskoppel-
und gegebenenfalls auch einer Einkoppelvorrichtung für das Signallicht und einer
Pumplichtquelle, die dem Festkörpermedium über ein optisches System die zu seiner
Besetzungsumkehr erforderliche Pumpenergie zuführt.
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Das allgemeine Prinzip eines optischen Molekularverstärkers ist zwar
in der Literatur schon hinreichend beschrieben, doch soll zum besseren Verständnis
zunächst an Hand eines einfachen Beispiels nochmals kurz auf die Wirkungsweise eines
derartigen Verstärkers eingegangen werden. Die F i g. 1 zeigt ein Diagramm, in dem
auf der Ordinate die Energie E und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl
n aufgetragen sind. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung für
ein stimulierbares Festkörpermedium mit drei Energieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus
sind mit El, E2 und E., bezeichnet. Ihre Besetzung - darunter wird die Anzahl der
jeweiligen Atome für diesen Energiezustand verstanden - ist im thermischen Gleichgewicht
so, daß die höheren Energieniveaus weniger besetzt sind als die tieferen Energieniveaus.
Die Verteilung entspricht einer Boltzmannverteilung und ist in der F i g. 1 mit
B bezeichnet. Der Schnittpunkt dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt
an, welche Besetzungszahlen den einzelnen Energieniveaus zukommen.
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Beim optischen Molekularverstärker ist in der Regel ein solches stimulierbares
Festkörpermedium zu wählen, dessen Abstand zwischen den Energieniveaus El und E,
dem Produkt h - fs und dessen Abstand zwischen den Energieniveaus El und E3 dem
Produkt h - f, entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum,
f, die mittlere Signalfrequenz und f, die dem Pumpübergang entsprechende Pumpfrequenz
sind.
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Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen Dreiniveaumolekularverstärker
geht nun wie folgt vor sich: Mittels von außen zugeführter Pumpenergie wird die
Besetzungszahl in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf
E" sich die Besetzungszahl von n3 auf n3 erhöht. Weil die Zahl der Atome in dem
stimulierbaren Festkörpermedium festliegt, verringert sich durch diese Quantenübergänge
die Besetzung bei Ei um den gleichen Betrag. Die Besetzung geht also für Ei von
n1 auf n 'l zurück. Die Inversion des Niveaupaares EilE2 wird erheblich verbessert,
wenn die den thermischen Ausgleich der einzelnen Energieniveaus untereinander bestimmende
Relaxationszeit für das Niveaupaar E./E, wesentlich kleiner ist als für das Niveaupaar
E,/Ei. Man erreicht so, daß die Besetzungszahl des Niveaus E, größer wird als die
des Niveaus Ei (Inversion). Wird nun ein äußeres Signal mit der Frequenz f, zugeführt,
so gehen Atome mit dem Energiezustand E, in den Energiezustand Ei über. Gleichzeitig
tritt eine gewisse Transportierung von Atomen des Energiezustandes Ei in den Energiezustand
E.., ein. Der Übergang von E.., nach Ei entspricht einer induzierten Emission des
stimulierbaren Festkörpermediums auf der Frequenz fs, während der Übergang von Ei
nach E, einer Absorption der induzierten Signalenergie entspricht. Durch die mittels
des Pumpens erzwungene Besetzung der Energieniveaus Ei und E, überwiegt jedoch die
induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß insgesamt mehr Signalenergie
der Pumpfrequenz f5 vom stimulierbaren Festkörpermedium emittiert wird, als einfallende
bzw. induzierende Signalenergie mit der Frequenz fs von dem stimulierbaren Festkörpermedium
absorbiert wird.
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Das Dreiniveausystem ist nur eines der möglichen Systeme, nach dem
optische Molekularverstärker arbeiten können. Es gibt auch Systeme mit beispielsweise
vier und mehr Niveaus, auf deren Erläuterung zur Vereinfachung hier nicht näher
eingegangen werden soll, da sie analog arbeiten.
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Während im Mikrowellenbereich Energiequellen, deren Gesamtenergie
die gleiche Frequenz und die gleiche Phase haben, mit ausreichender Leistung zur
Verfügung stehen, lassen sich Lichtwellen einer derartigen Gesamtenergie bisher
nicht herstellen. Infolgedessen erfolgen auch die durch Lichtenergie angeregten
Quantenübergänge nicht gleichphasig. Die Synchronisation der Emission der Atome
im Gebiet der Licht- und Wärmewellen kann nun dadurch erfolgen, daß das stimulierbare
Festkörpermedium mit für die Zwecke der Verstärkung geeigneten Quantenübergängen,
beispielsweise ein Rubin-Einkristall, zu einem Stab zugeschnitten wird, dessen Enden
mit hoher Präzision eben geschliffen und mit einer teilweise reflektierenden, teilweise
durchlässigen Silberschicht bedeckt sind. Werden die Atome dieses Stabes mittels
zugeführter Pumpenergie bis zur Inversion angeregt, so fallen sie nach kurzer Zeit
unter Aussendung von allen möglichen inkohärenten Wellen in ihren Ruhestand zurück.
Einige Wellen jedoch, die längs der Achse des Kristalls laufen, treffen auf die
reflektierenden Endflächen und laufen wieder zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in
den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und
auch Phase aus, so daß ein sich verstärkender Wellenzug entsteht, der von der gegenüberliegenden
Silberschicht teils durchgelassen, teils zurückgeworfen wird und sich bei laufender
Zuführung von Pumpenenergie weiter verstärkt. Bei richtiger Ausführung der reflektierenden
Wände entsteht eine stehende Welle, die bei ausreichender Pumpleistung durch die
lichtdurchlässigen Wände Energie nach außen abgeben kann. Die auf diese Weise entstehenden
Wellen sind stark gebündelt, da nur die Energie, die genau längs der Festkörperachse
läuft, eine Aussicht auf senkrechte Reflexion an den Enden und damit auf Verstärkung
hat. Neben den in Achsrichtung des Stabes angeregten Lichtwellen von Signalfrequenz
werden auch noch viele weitere Lichtwellen durch Streuung oder Beugung an den Endflächen
des Stabes angeregt.
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Zur Übertragung der Pumpenergie von der Lichtquelle zum stimulierbaren
Festkörpermedium verwendet man optische Systeme. Diese werden zur Erzielung eines
wenigstens einigermaßen tragbaren Wirkungsgrades - bezogen auf die aufgewendete
Pumplichtenergie - z. B. so gestaltet, daß die Lichtquellen über ein Spiegelsystem
in das stimulierbare Festkörpermedium abgebildet werden. Das stimulierbare Festkörpermedium,
das Lasermaterial, hat dabei meist Stabform. Bei einer bekannten Ausführung ist
dieses stabförmige Festkörpermedium von einer wendelförmigen Xenonblitzlampe umschlossen,
und dieses optische System befindet sich mitsamt dem stabförmigen stimulierbaren
Festkörpermedium zentrisch in einem beispielsweise zylindrischen Reflektor mit
Kreisquerschnitt.
Bei einer anderen Anordnung ist die Pumplichtquelle und das stimulierbare Festkörpermedium
örtlich getrennt und in den beiden Brennpunkten eines elliptischen Spiegelsystems
derart angeordnet. daß die von dem einen Brennpunkt ausgehende Pumplichtenergie
sich wenigstens nahezu vollständig in dem anderen Brennpunkt bzw. in der anderen
Brennlinie konzentriert, in der sich das stimulierbare Festkörpermedium befindet.
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Weiter gibt es Spiegelsysteme, die, bezogen auf die Lichtquelle und
das das Licht wenigstens teilweise absorbierende Festkörpermedium, derart ausgebildet
und angeordnet sind, daß zumindest das am wenigstens teilweise absorbierende Festkörpermedium
vorbeigehende Licht und vorzugsweise auch das durch das Festkörpermedium hindurchtretende
Licht wieder in die Lichtquelle reflektiert wird.
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Man kann sich diesen Vorgang so erklären, daß das von der Pumplichtquelle
stammende Pumplicht in den Bereich des stimulierbaren Festkörpermediums praktisch
vollständig gespiegelt wird, unter Vermeidung der sonst vorhandenen Abbildungsfehler,
und daß außerdem bei einem optisch nur schwach absorbierenden stimulierbaren Festkörpermedium
das Licht mehrmals durch Reflexion das Festkörperrnedium durchdringt, wobei jedesmal
ein gewisser Anteil des Lichts in Festkörpermedium absorbiert wird.
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Geeignete optische Systeme, wie elliptische Zylinder und Rotationsellipsoide
sind beispielsweise in der Zeitschrift »Applied Optics«, Bd. 3, Nr. 2, Februar 1.964,
S. 259 bis 265, ausführlich erläutert.
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Bekannt ist auch ein optischer Molekularverstärker, dessen stimulierbares
Festkörpermedium zum Zwecke der Totalreflexion des eingeschlossenen Lichts in Form
einer Kugel oder eines Kugelabschnitts größten Durchmessers, der durch zwei symmetrisch
zum größten Durchmesser liegende parallele Ebenen begrenzt ist und bei dem um das
Festkörpermedium herum eine Pumplichtquelle und in der Nähe des Festkörpermediums
eine Fokussiereinrichtung als Auskopplung angeordnet sind.
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Bekannt ist weiter ein optischer Molekularverstärker, bei dem das
stimulierbare Festkörpermedium in einem inaktiven Festkörpermedium derart eingebettet
ist, daß die auf die Oberfläche des äußeren Festkörpermediums anfallende Pumpstrahlung
auf das innere stimulierbare Festkörpermedium konzentriert wird.
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Bei optischen Molekularverstärkern, die das Pumplicht nur schwach
absorbieren, ist die für eine Inversion nötige Pumpenergie (»Schwellenenergie«,
bei der die Verstärkung gleich Eins ist) proportional dem Volumen. Vorausgesetzt
ist dabei, daß die Pumplichtquelle durch ein optisches System in das Festkörpermedium
abgebildet wird und daß die Geometrie der Pumplichtquelle nach den Abbildungsgesetzen
der Geometrie des stimulierbaren Festkörpermediums angepaßt ist. Praktisch bedeutet
dies, daß die Lichtquelle etwa gleiche Form und Größe wie das zu pumpende stimulierbare
Festkörpermedium haben muß.
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Durch Verkleinerung des Volumens des stimulierbaren Festkörpermediums
läßt sich also grundsätzlich die Pumpenergie beliebig herabsetzen. Dabei ist dreierlei
zu beachten.
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Es ist von vornherein nicht selbstverständlich, daß eine für Schwingungseinsatz
ausreichende Molekularverstärkung in einem beliebig kurzen Festkörpermedium auftritt.
Die Länge des optischen Molekularverstärkers in der Fortpflanzungsrichtung der Lichtquelle
kann nicht beliebig klein sein, da ja die Verstärkung exponentiell mit der Länge
zunimmt. Die Verstärkung pro Durchgang muß die Spiegelverluste an den Enden überwiegen.
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Es ist technisch sehr schwierig, ein stimulierbares Festkörpermedium
der Größenordnung 1 - 1 - 1 mm; stabil so zu halten, daß seine Oberfläche dem Pumplicht
freien Zutritt gewährt und daß es gleichzeitig wirksam gekühlt werden kann.
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Die Aufgabe besteht nun darin, trotzdem einen optischen Molekularverstärker
zu realisieren, der mit wenig Pumpenergie arbeitet.
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Diese Aufgabe wird bei einem optischen Molekularverstärker mit einem
stimulierbaren Festkörpermedium innerhalb eines optischen Resonators, einer Auskoppel-
und gegebenenfalls auch einer Einkoppelvorrichtung für das Signallicht und einer
Pumplichtquelle, die dem Festkörpermedium über ein optisches System die zu seiner
Besetzungsumkehr erforderliche Pumpenergie zuführt, erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Pumplichtquelle nur auf einen relativ kleinen Bereich des nur schwach absorbierenden
stimulierbaren Festkörpermediums abgebildet wird, auf den allein die Umkehrung der
Besetzungsverteilung beschränkt bleibt.
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Zwar ist bereits ein optischer Molekularverstärker bekannt, bei dem
das Pumplicht nur auf einen Teil des Festkörpermediums einwirkt, jedoch dient dieser
der Lösung einer anderen Aufgabe. Indem er neben einer Welle von Signalfrequenz
noch eine akustische Welle abgibt, ermöglicht er die Erzeugung von durch die Frequenz
der akustischen Welle bestimmten Seitenbändern zur Signalfrequenz.
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Die Ausdehnung des Abbildungsbereichs im Festkörpermedium ist beim
Erfindungsgegenstand durch die Geometrie der Pumplichtquelle bestimmt. Vorteilhaft
ist dabei, daß das stimulierbare Festkörpermedium als schmales Band ausgebildet
ist und daß der Signallichtstrahl senkrecht zu den Schmalseiten des Bandes verläuft
und daß entweder die Schmalseiten des Bandes verspiegelt sind oder daß parallel
zu den Schmalseiten des Bandes Reflektoren angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist
die Länge des Abbildungsbereiches gleich der Breitseite des Bandes.
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Diese Anordnung bietet folgende wesentliche Vorteile. Die Halterung
des Festkörpermediums kann weit von dem Abbildungsbereich entfernt sein, so daß
das Pumplicht ungehindert eindringen kann. Infolge der großen Oberfläche ist eine
intensive Kühlung möglich. Im Festkörpermedium kann der günstigste Bereich für die
Abbildung ausgesucht werden. Die verspannten Ecken z. B. eines Quaders werden vermieden.
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Eine günstige Kühlung wird erzielt, wenn das optische System derart
ausgebildet und zum stimulierbaren Festkörpermedium angeordnet ist, daß auch während
des Betriebes die örtliche Lage des Abbildungsbereichs in dem stimulierbaren Festkörpermedium
veränderbar ist. Speziell ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das stimulierbare
Festkörpermedium als um seine Achse drehbarer zylindrischer Ring ausgebildet ist,
bei dem sich der Abbildungsbereich zwischen zwei jenseits der ebenen Begrenzungsflächen
des Rings zur Bildung des Resonators fest gegenüberliegend angeordneten Reflektoren
befindet.
Die Erfindung sieht weiter vor, daß das stimulierbare
Festkörpermedium als dünne zylindrische Scheibe ausgebildet ist und daß gegebenenfalls
die Kreisflächen verspiegelt sind. Hier wird ebenfalls ein sehr kleiner Abbildungsbereich
ausgeleuchtet. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß durch die
Zylinderlinsenwirkung der Scheibe die Beleuchtungsdichte des Abbildungsbereichs
erhöht wird.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung sieht vor, daß das stimulierbare
Festkörpermedium wenigstens näherungsweise als Kugel ausgebildet ist, deren Oberfläche
an zwei diametralen Stellen mechanisch durch Anschleifen einer Ebene oder optisch
durch Immersion an die Reflektoren angepaßt ist. Durch die Kugellinsenwirkung findet
hier eine besonders starke Erhöhung der Beleuchtungsdichte statt.
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Eine Weiterführung der Erfindung sieht vor, daß als optisches System
ein rotationselliptischer Reflektor vorgesehen ist, wobei dieser Reflektor vorteilhaft
aus einem transparenten Material bestehen kann, auf dem dielektrische Schichten
angeordnet sind, die selektiv nur die als Pumpfrequenz wirksamen Wellenlängen reflektieren.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die F i g. 2 zeigt einen Quader aus stimulierbarem Festkörpermedium
der Breitseite a und der Schmalseite b. Er ist in einem elliptischen, zylindrischen
Re-Rektor 2 so eingebaut, daß die längs einer Brennlinie angeordnete Pumplichtquelle
3 in ihm den zylindrischen Abbildungsbereich 4 ausleuchtet. Der Quader 1 und die
Lichtquelle 3 werden an den ebenen Seitenwänden des Reflektors 2 befestigt. Die
Schmalseiten 5 und 6 sind verspiegelt. Wird die Anordnung als Oszillator betrieben,
so ist die Schmalseite 5 totalreflektierend und die Schmalseite 6 teildurchlässig
verspiegelt. Konzentrisch um die Brennlinie des Abbildungsbereichs 4 ist in der
an der Schmalseite 6 anliegenden Seitenwand des Reflektors 2 eine Bohrung vorgesehen,
durch die der Signallichtstrahl austreten kann. Wird die Anordnung als Verstärker
betrieben, so ist auch die Schmalseite 5 teildurchlässig verspiegelt, und der Signallichtstrahl
tritt durch eine Bohrung der an ihr anliegenden Seitenwand des Reflektors 2 ein.
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Von der Pumplichtquelle 3 ausgehend werden die Lichtstrahlen durch
den elliptischen Reflektor 2 in den Abbildungsbereich 4 des stimulierbaren Festkörpermediums
1 geworfen. Werden die Atome dieses Abbildungsbereichs mittels der zugeführten Pumpenergie
bis zur Inversion angeregt, so fallen sie nach kurzer Zeit unter Aussendung von
allen möglichen inkohärenten Wellen in ihren Ruhezustand zurück. Einige Wellen jedoch,
die längs der Brennlinie in den Abbildungsbereich laufen, treffen auf die reflektierenden
Schmalseiten des Quaders 1 und laufen wieder zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in
den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und
Phase aus, so daß ein sich ver- i stärkender Wellenzug entsteht, der von der gegenüberliegenden
verspiegelten Schmalseite teils durchgelassen, teils zurückgeworfen wird und sich
bei laufender Zuführung von Pumpenergie weiter verstärkt. Es entsteht eine stehende
Welle, die bei ausreichen- t der Pumpleistung durch die durchlässigen Wände Energie
nach außen abgibt.
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Die F i g. 3 zeigt eine dünne zylindrische Scheibe 7 aus stimulierbarem
Festkörpermedium, die analog zu dem in der F i g. 2 dargestellten optischen Molekularverstärker,
z. B. in einem elliptischen optischen System so an Stelle des Quaders eingesetzt
werden i kann, daß ihre Symmetrielinie mit der Brennlinie des Reflektors 2 zur Deckung
kommt, und daß durch die Pumplichtquelle 3 der Abbildungsbereich 8 ausgeleuchtet
wird.
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Die Wirkungsweise entspricht der des in der F i g. 2 dargestellten
optischen Molekularverstärkers. Eine Besonderheit liegt nur darin, daß durch die
Zylinderlinsenwirkung der Scheibe die Beleuchtungsdichte des Abbildungsbereichs
erhöht wird. Dies ist der Fall, weil die Pumplichtquelle nicht auf die Brennlinie
beschränkt, sondern räumlich ausgedehnt ist.
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Die F i g. 4 zeigt einen rotationselliptischen Hohlspiegel 9, in dessen
einem Brennpunkt eine kugelförmige Pumplichtquelle 10, z. B. eine Quecksilberhochdrucklampe
in einer Quarzkugel und in dessen anderem Brennpunkt der Mittelpunkt eines kugelförmigen
stimulierbaren Festkörpermediums 11 angeordnet ist, in dem sich ein durch die Pumplichtquelle
10 ausgeleuchteter kugelförmiger Abbildungsbereich 12 befindet. Senkrecht zum Brennpunkt
13 hat die Oberfläche der Kugel 11 an den zwei diametralen Stellen angeschliffene
verspiegelte Ebenen 14 und 15. Den Schnitt A-B zeigt die F i g. 5 vergrößert.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist sinngemäß die gleiche wie in
den vorher gezeigten Ausführungsbeispielen. Hier wurde als optisches System ein
rotationselliptischer Hohlspiegel gewählt, der das von der Pumplichtquelle ausgehende
Licht in der Gegend des Brennpunktes 13 weitgehend bündelt. Da das stimulierbare
Festkörpermedium Kugelform hat und größer als der Abbildungsbereich ist, tritt dabei
eine Kugellinsenwirkung auf, die eine Erhöhung der Beleuchtungsdichte bewirkt. Von
dem Abbildungsbereich aus bildet sich, wie bereits beschrieben, zwischen den Reflektoren
14 und 15 ein stehender Wellenzug aus, der durch den z. B. teilreflektierenden Reflektor
15 und ein Loch im Hohlspiegel 9 austritt.
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Die F i g. 6 zeigt einen rotationselliptischen Hohlspiegel 16 mit
den Brennpunkten 17 und 18. Links vom Brennpunkt 17 ist längs der Rotationsachse
19 eine stabförmige Pumplichtquelle 20 angeordnet. Rechts vom Brennpunkt
1.8 befindet sich das stimulierbare Festkörpermediurn 21, das die Form eines zylindrischen
Ringes hat und das um seine Rotationsachse 22 drehbar ist. Der durch die Pumplichtquelle
20 ausgeleuchtete Abbildungsbereich 23 im stimulierbaren Festkörpermedium verläuft
längs der Achse 19. Der Abbildungsbereich 23 bildet mit dem totalreflektierenden
Reflektor 24 und dem teildurchlässigen Reflektor 25 einen Resonator. Ein Austrittsloch
26 für den Signallichtstrahl ist rechts im Scheitelbereich vorgesehen.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Das längs der Rotationsachse
19 links vom Brennpunkt 17 erzeugte Pumplicht wird durch den rotationselliptischen
Hohlspiegel auf den Teil der Rotationsachse 19 geworfen, der rechts vom Brennpunkt
18 liegt. Dadurch wird der Abbildungsbereich 23 des stimulierbaren zylindrischen
Ringes ausgeleuchtet, der zum Zwecke der Kühlung um seine Achse 22 gedreht wird.
In dem Abbildungsbereich 23, zwischen den Reflektoren 24 und 25, bildet sich analog,
wie bereits beschrieben, ein stehender Wellenzug aus, der teilweise durch den teildurchlässigen
Reflektor 25
und die Öffnung austritt. Bei Verstärkerbetrieb wird
der zu verstärkende Signallichtstrahl durch eine öffnung 27 vorzugsweise senkrecht
zur optischen Achse 19 in den Hohlspiegel eingeführt und durch einen um 45° zur
optischen Achse 19 geneigten zusätzlichen Reflektor 28 durch den hier teildurchlässig
ausgeführten Reflektor 24 in den Resonator eingekoppelt.
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In allen Ausführungsbeispielen sind der übersichtlichkeit halber nicht
immer vorgesehene Befestigungsvorrichtungen für die Lichtquellen, das stimulierbare
Festkörpermedium und die Resonatorreflektoren, sowie die Stromführung für die Lichtquellen
dargestellt. Im Beispiel der F i g. 6 ist auch eine Drehvorrichtung für das stimulierbare
Festkörpermedium vorgesehen.
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In allen Beispielen ist es vorteilhaft, die Rückkopplungsspiegel außerhalb
des stimulierbaren Festkörpermediums aufzustellen, da dann auch die Stirnflächen
für das Pumplicht durchlässig sind. Einen ähnlichen Vorteil erreicht man mit auf
dem Festkörpermedium aufgebrachten Spiegeln, wenn diese für die Pumpstrahlung durchlässig
sind, z. B. dielektrische Spiegel.