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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender
oder Verstärker mit einer Vielzahl gekoppelter stimulierbarer Medien, die mit zum
Teil verschiedenen und mehreren Aktivatoren dotiert sind.
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Bei den bisher bekannten Festkörperlasertypen wird im wesentlichen
ein einziger Kristall verwendet, in dem ein einfach konstruiertes Strahlungsfeld
erzeugt und verstärkt wird.
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Bei diesen bekannten Lasertypen treten eine Reihe von Nachteilen auf:
Es arbeitet z. B. ein Diodenlaser bei Temperaturen oberhalb der flüssigen Luft nur
im Impulsbetrieb. Seine Linienbreite ist im Vergleich zu anderen Läsertypen verhältnismäßig
groß, weshalb nur eine relativ schwache Bündelung der Strahlung zustande kommt.
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Das stimulierbare Gebiet in der Umgebung des pn-überganges ist in
bezug auf seine räumliche Ausdehnung verhältnismäßig klein, was für die Intensität
von Nachteil ist; ferner stellt es wellenoptisch einen Resonator von vergleichsweise
geringer Güte dar.
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Außerdem wird die Lichtemission infolge der Absorption durch die beweglichen
Ladungsträger herabgesetzt.
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Die Band-Band-Rekombination stellt eine feste, nicht regulierbare
Größe des Systems dar.
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Darüber hinaus werden die für die stimulierte Emission bestimmenden
atomaren Parameter und die optischen Eigenschaften des jeweiligen Kristalls durch
die Natur festgelegt und sind durch die stimulierte Emission nicht modifizierbar.
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Es ist weiterhin bekannt, stimulierbare Medien, welche mit Aktivatoren
dotiert sein können, zu koppeln.
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Derartige Kopplungen werden jedoch bei bekannten Anordnungen lediglich
zur Erzeugung von einfach zusammengesetzten Strahlungsfeldern verwendet.
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Auf den Anwendungsgebieten der Laser treten im Rahmen der Nachrichtentechnik
Forderungen auf, welche durch die bekannten Lasertypen nicht mehr in einer umfassenden
Weise erfüllbar sind. Solche Forderungen sind unter anderem: Selektion bestimmter
Frequenzen, Frequenzwandlung, Erzeugung und Verstärkung von Schwebungsfrequenzen,
Kopplung verschiedener Eigenschwingungen (Moden), Schwingungstypen, Amplituden-
und Frequenzmodulation und frei wählbare Variation der stimulierten Emission.
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Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, ein mehrkomponentiges,
kohärentes Strahlungsfeld zu erzeugen, in welchem bestimmte ausgewählte Frequenzen
mindestens teilweise unabhängig voneinander erzeugt und verstärkt werden; diese
Frequenzen sollen nicht durch die Natur vorgegebener Kristalle festgelegt sein,
sondern durch entsprechende Kopplungseffekte in frei wählbarer Weise erzeugt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten
Festkörperlasertypen dahingehend zu erweitern, daß ein in bezug auf die Schwingungstypen
vielgestaltiges und in bezug auf die Frequenzen mehrkomponentiges Strahlungsfeld
erzeugt wird, welches die selektive Behandlung, insbesondere die Verstärkung bestimmter
Komponenten, erlaubt.
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Durch die Wechselwirkung der Strahlungskomponenten sollen auch nichtlineare
Dispersionseffekte zur Erzeugung von Harmonischen- und schließlich auch Frequenzmischungen
möglich sein, so daß da-_ mit beliebig wählbare, neu erzeugte Frequenzen einzeln
verstärkt werden können.
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Die Signalenergie soll dabei mit der aufgespeicherten Energie von
vergleichbarer Größe sein, damit die stimulierte Emission sowie die optischen Eigenschaften
des Kristallsystems steuerbar sind. Darüber hinaus soll die Signalenergie mindestens
teilweise als Anregungsenergie ausgenutzt werden.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus; daß diese obengenannte
Aufgabenstellung durch ein komplexes Kristallsystem mit mehreren stimulierbaren
Bereichen zu lösen ist, welches sowohl hinsichtlich seiner optischen Wirkung als
auch seiner räumlichen Zuordnung eine gleichzeitig arbeitende Einheit bildet, wobei
diese Einheit durch Wechselwirkung einzelner Strahlungskomponenten eines gemeinsamen
kohärenten Strahlungsfeldes hergestellt wird.
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Bei einem optischen Sender oder Verstärker der eingangs genannten
Art ist daher gemäß der Erfindung vorgesehen, daß erstens ein Kristallsystem aus
einzelnen anisotropen, zum Teil doppelbrechenden stimulierbaren Kristallteilen (1,
2, 4 bis 7) in geschichteter Anordnung zu einem gemeinsamen optischen System zusammengefaßt
wird, dessen Kristallteile durch ein gemeinsames, kohärentes, in ihnen selbst erzeugtes
und/oder verstärktes Strahlungsfeld gekoppelt sind, zweitens die Kristallteile durch
äußere und/oder innere Grenzschichten (9 bis 12), welche winde-- stens teilweise
mit halbtransparenten, metallischen bzw. dielektrischen Filmen von unterschiedlicher
Durchlässigkeit und Reflexion überzogen sind, in bezug auf ihre optischen Eigenschaften
in einem gemeinsamen Spektralbereich des kohärenten Strahlungsfeldes gemeinsam resonanzfähig
sind, drittens die einzelnen Kristallteile derart gestaltet und zueinander räumlich
angeordnet sind, daß der resultierende, mindestens teilweise verzweigte optische
Strahlengang des gemeinsamen kohärenten Strahlungsfeldes so verläuft, daß der jeweils
aus einem bestimmten Kristallteil zum Gesamtfeld beigesteuerte Strahlungsanteil
den Strahlungsanteil eines in Resonanz befindlichen anderen Kristallteils kohärent
optisch so beeinflußt, daß in bezug auf bestimmte optische Eigenschaften (wie z.
B. Schwingungstypen, Frequenzmischung und -vervielfachung, Dispersion und Polarisation
von Strahlungsanteilen) Selektion und/oder Verstärkung erfolgt, und daß viertens
zumindest in bestimmten Kristallteilen die optischen Eigenschaften, wie z. B. nichtlineare
Dispersion und nichtlineare Kopplungseffekte, durch den Strahlungsanteil aus anderen
Kristallteilen beeinflußbar sind.
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Eine Ausgestaltung des Erfindungsgedankens beruht darauf, daß mindestens
ein als optischer Resonator wirkendes Kristallteil ein erweiterter stimulierbarer
Bereich eines anderen Kristallteils ist. Dieser erweiterte stimulierbare Bereich
kann entweder Teil eines als Laserdiode bzw. Festkörperlaser ausgebildeten Kristallteils
sein oder, bei räumlicher Trennung, diesem in bezug auf gemeinsame Resonanzeigenschaften
optisch zugeordnet sein.
Der erweiterte stimulierbare Bereich ist
von dem zugehörigen angrenzenden Kristallteilgebiet, welches durch ihn in bezug
auf die optische Ausbeute vergrößert wird, durch eine halbdurchlässige Grenzschicht
mit teilweise reflektierenden Eigenschaften getrennt. Weitere Abgrenzungen des erweiterten
stimulierbaren Bereiches sind mit halbdurchlässigen reflektierenden Filmen derart
eingefaßt, daß das in den beiden Kristallteilgebieten resultierende kohärente Strahlungsfeld
mit gemeinsamen Schwingungstypen zur Resonanz kommt.
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Durch den erweiterten stimulierbaren Bereich erfahren die zugeordneten
Kristallteilgebiete eine Vergrößerung ihres wirksamen Gebietes, wodurch insgesamt
eine Anhebung der Intensität bewirkt wird. Durch die Resonanzeigenschaften im Verein
mit seiner optischen Rückkopplung auf die ursprünglich optisch auf ihn einwirkenden
Kristallteilgebiete wird Selektion und Verstärkung bestimmter Komponenten des gemeinsamen
Strahlungsfeldes ermöglicht. Außerdem wird die Bündelung durch optische Wechselwirkung
bestimmter bevorzugter Strahlungskomponenten verstärkt. Der erweiterte stimulierbare
Bereich ermöglicht daher die gleichzeitige optische Wechselwirkung der ihm optisch
zugeordneten Kristallteilgebiete. Das gleichzeitige Zusammenspiel der zugeordneten
Kristallteilgebiete ermöglicht unter anderem bei Impulsbetrieb durch zeitliche Aufeinanderfolge
einzelner Impulse aus verschiedenen Kristallteilgebieten eine nahezu kontinuierliche
Strahlung innerhalb des gemeinsam erweiterten stimulierbaren Bereiches, der das
Gesamtstrahlungsfeld räumlich und zeitlich vereinigt. Darüber hinaus ermöglicht
der erweiterte stimulierbare Bereich außerdem Frequenzmischung und Schwingungstypenkopplung.
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Der erweiterte stimulierbare Bereich besitzt gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung einen geschichteten Aufbau. Dieser geschichtete Aufbau kann
entweder im gleichen Grundkristall vorliegen oder aus unterschiedlichen Schichten
verschiedener Substanzen hergestellt sein.
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Die Schichten können im gleichen Kristallgebiet sowohl durch Legierung,
wobei das Gesamtsystem ein im wesentlichen stöchiometrisches System mehrerer Komponenten
bildet, als auch durch Diffusion von Fremdatomen in das gemeinsame Kristallgebiet
hergestellt sein.
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Weiterhin kann der geschichtete Aufbau durch Aufdampfen hergestellt
sein.
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Zur Stimulation bestimmter Frequenzen und Ausbildung bestimmter Schwingungstypen,
die mindestens teilweise aus dem Gesamtstrahlungsfeld ausgesondert werden sollen,
werden einzelne Schichten wenigstens teilweise durch dielektrische oder metallische
Filme, die halbdurchlässig oder reflektierend sind, getrennt. Die Anbringung dieser
Filme bewirkt insbesondere auch eine Ausbildung bestimmter Kristallschichten als
Resonatoren. Die Halbdurchlässigkeit sorgt dafür, daß jeweils der Zusammenhang mit
dem gesamten Strahlungsfeld erhalten bleibt und Wechselwirkung zwischen Strahlungskomponenten
aus verschiedenen Schichten zustande kommen kann.
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In Anbetracht der doppelbrechenden optischen Eigenschaften der verwendeten
Kristallmaterialien sind die Filme so angeordnet, daß in dem erweiterten stimulierbaren
Bereich der Strahlengang aufgespalten ist.
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Auf diese Weise wird es ermöglicht, aus dem kohärenten Gesamtstrahlungsfeld
bestimmte Strahlengänge mit optisch verschiedenen Eigenschaften - insbesondere hinsichtlich
der Dispersion polarisiert - und mit verschiedenen optischen Weglängen einzelner
Strahlungskomponenten herauszusondern; somit können z. B. in einem stimulierbaren
Teilbereich bzw. einer stimulierbaren Schicht des erweiterten stimulierbaren Bereiches
bei Doppelbrechung des Kristalls zwei verschiedene Strahlengänge verstärkt werden,
die aus einem einzigen einfallenden Strahl bzw. einer einzigen eingestrahlten Wellenfront
entstanden sind und die sich durch einen unterschiedlichen Zusammenhang zwischen
Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit voneinander unterscheiden. Bei späterem
Zusammenführen derartig verzweigter kohärenter Strahlengänge in bestimmten Kristallteilgebieten
ergeben sich Interferenzeffekte sowie Kopplungseffekte, bei denen die getrennten
Strahlungsfelder im nachrichtentechnischen Sinne als eine zusammengesetzte Information
zu betrachten sind, die aus verschiedenartig steuerbaren Teilinformationen zusammengesetzt
ist. Diese zusammengesetzte Information wird physikalisch aus einem interferierenden
Laserstrahlungsfeld aufgebaut, wobei in den Interferenzamplituden so hohe Intensitäten
entstehen können, daß hierbei der jeweilige Kristall optisch nichtlinear angeregt
werden kann. Es entstehen dabei beispielsweise Harmonische bestimmter Grundfrequenzen.
Dieses Interferenzfeld bildet mit dem optisch modifizierten Kristallgitter in nachrichtentechnischer
Hinsicht eine bestimmte Information, die durch Wechselwirkung mit weiteren Strahlungsfeldern,
die an der so strukturierten Substanz gestreut werden, abgefragt werden können.
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Die dielektrischen oder metallischen Filme sind weiterhin so angeordnet,
daß in bestimmten Schichten des erweiterten stimulierbaren Bereiches, welche sich
durch ihre Dispersionseigenschaften unterscheiden, selektiv in bezug auf Frequenz,
Schwingungstypen und Polarisation bestimmte Komponenten des kohärenten Strahlungsfeldes
voneinander getrennt zur Resonanz und zur partiellen Verstärkung geführt sind.
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Des weiteren ist es durch diese Anordnung der Filme möglich, daß in
bestimmten Schichten des erweiterten stimulierbaren Bereiches mindestens zwei verschiedene,
vorher optisch getrennte Komponenten des kohärenten Strahlungsfeldes wiedervereinigt
werden, so daß eine Frequenzmischung entsteht und nunmehr die Mischfrequenz durch
die Stimulierbarkeit der einzelnen Schichten zur Verstärkung kommt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung beruht darauf, daß der erweiterte
stimulierbare Bereich fluoreszente Aktivator-Ionen enthält, welche auf Grund ihrer
Spektraleigenschaften bei Anregung eine gegenseitige Energieübertragung bewirken.
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Bei Anregung der in dem erweiterten stimulierbaren Bereich eingelagerten
Aktivator-Ionen wird dieser selbsterregend und erhält mindestens in Teilen seiner
Schichtstruktur negative Absorptionskoeffizienten.
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Die hierbei entstehende stimulierte Strahlung steht in Wechselwirkung
mit anderen Kristallteilgebieten der Anordnung gemäß der Erfindung, welche als Laserdioden
oder als Festkörperlaser ausgebildet sind. Durch resonanzmäßige Abstimmung des erweiterten
stimulierbaren Bereiches auf die stimulierte Strahlung der anderen Kristallteilgebiete
entsteht eine
entscheidende Vergrößerung des gesamten stimulierbaren
Bereiches; hierbei wird die Strahlung, beispielsweise der Laserdioden, zum Teil
zur Anregung der Aktivator-Ionen im erweiterten stimulierbaren Bereich verwendet
und außerdem zur selektiven Verstärkung bestimmter Strahlungskomponenten in Teilgebieten
des erweiterten stimulierbaren Bereiches herangezogen. Andererseits besteht aber
auch eine Rückwirkung der im erweiterten laseraktiven Bereich erzeugten und verstärkten
Strahlung auf die primär einwirkende Strahlung in den Laserdioden. Diese Rückwirkung
besteht insbesondere darin, daß aus dem relativ breiten Energiespektrum der Laserdioden
vergleichsweise sehr schmale Energiebereiche in Form von Spektrallinien künstlich
ausgewählt werden, wobei gewissermaßen der relativ breitbandige, kohärente Strahlungsvorrat
der Laserdioden in bestimmten darin untergebrachten Teilfrequenzen »angezapft« wird.
Das Wesentliche dieses künstlichen Vorgangs beruht physikalisch darauf, daß diese
»Anzapfung« den von der Natur in den Laserdioden von selbst vor sich gehenden Auswahlprozeß
einer bestimmten Frequenz auf Kosten benachbarter Teilfrequenzen nunmehr durch die
Wechselwirkung mit der Strahlung des erweiterten stimulierbaren Bereiches nicht
mehr sich selbst überlassen bleibt, sondern der natürliche Vorgang in beabsichtigter
Weise künstlich beeinflußbar wird.
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In nachrichtentechnischer Hinsicht wird hierdurch die Laserdiode durch
die Strahlung des erweiterten stimulierbaren Bereiches abgefragt, bzw. sie erhält
eine absichtlich bevorzugte Strahlungsstruktur in den Intensitäten einzelner Teilfrequenzen.
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Durch die anwesenden fluoreszierenden Aktivator-Ionen im erweiterten
stimulierbaren Bereich können in diesem bestimmte Strahlungskomponenten des Gesamtstrahlungsfeldes
selektiv verstärkt werden, wobei diese Strahlungskomponenten nunmehr eine wesentlich
kleinere Linienbreite besitzen als diejenigen der reinen Laserdiodenstrahlung.
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Außerdem bleibt die Auswahl bestimmter Strahlungskomponenten und ihrer
zugeordneten Amplituden nunmehr eine frei wählbare, räumlich und zeitlich veränderbare
Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung, wodurch diese in nachrichtentechnischer
Hinsicht ein Instrument zur Bildung zusammengesetzter Informationen wird, welche
jeweils durch bestimmte eingestrahlte Signale bzw. Signalkomplexe abgefragt werden
können.
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Die fluoreszierenden Ionen sind im erweiterten stimulierbaren Bereich
dabei mindestens teilweise überlagernd eingebettet, d. h., es finden in bestimmten
räumlichen Bereichen mehrere Energie übertragende Aktivator-Ionenarten Verwendung.
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In den einzelnen Schichten des erweiterten stimulierbaren Bereiches
kann dabei auch jeweils ein verschiedenes System fluoreszierender Aktivator-Ionen
mit gegenseitiger Anregung eingebettet sein.
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Diese Aktivator-Ionen sind so ausgewählt, daß die einzelnen Schichten
des erweiterten stimulierbaren Bereiches durch die gegenseitige Energieübertragung
stimulierbar werden, derart, daß die hierbei entstehende Emission der Strahlung
des gesamten stimulierbaren Bereiches zusammen in bestimmten gemeinsamen Schwingungstypen
mit den entsprechenden Strahlungsbeiträgen benachbarter Schichten in einem nahezu.
zusammenhängenden Frequenzbereich liegt.
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Des weiteren ist die Auswahl der Aktivator-Ionen so getroffen, daß
selektiv in den einzelnen Schichten verschiedene Strahlungskomponenten des kohärenten
Strahlungsfeldes zu verstärken sind.
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Die einzelnen Schichten des erweiterten stimulierbaren Bereiches bilden
durch bestimmte Teilkomponenten des Strahlungsfeldes ein spezielles optisches System,
welches jeweils eigene optische Ausgänge für die verstärkten Teilkomponenten aufweist.
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Durch die Energieübertragung zwischen den in Bezug auf den Vorgang
geeignet ausgewählten verschiedenartigen Aktivator-Ionen werden die relativen Intensitäten
der Energie empfangenden Aktivator-Ionenart stark vergrößert. Dies wirkt sich infolge
der wellenoptischen Rückkopplung innerhalb der als Resonator ausgebildeten Schichten
bei Wechselwirkung des erweiterten stimulierbaren Bereiches mit der Diodenstrahlung
selektiv auf bestimmte Frequenzbereiche des letzteren aus.
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Außerdem werden die einzelnen Schwellenwerte für das Einsetzen der
stimulierbaren Strahlung bestimmter Strahlungsanteile des resultierenden Gesamtstrahlungsfeldes
durch die Energieübertragung der einzelnen Ionen drastisch herabgesetzt.
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Von Bedeutung ist außerdem, daß der erweiterte stimulierbare Bereich
durch das optische Zusammenwirken der ihm zugeordneten gleichzeitig arbeitenden
Laserdioden mit seiner selbstanregbaren Schicht-Struktur neben selektiver Erzeugung
und Versträkung von Licht auch die Erzeugung und Verstärkung von Schallfrequenzen
sowie Kopplung verschiedener Schwingungstypen, Amplitudenmodulation und Frequenzmischung
einzelner Strahlungsanteile ermöglicht.
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Als Materialien für den erweiterten, stimulierbaren Bereich kommen
stimulierbar gemachte elektronische Halbleiter, Rubin, sowie Verbindungen, welche
entweder eine stöchiometrische Substitution fluoreszierender Ionen der Seltenen
Erden oder den Einbau solcher Ionen als Frematome gestatten, in Betracht. Für die
letztgenannten Materialien sind CaWO", SrW04, CaMo04, CaF2 und BaF2 Beispiele. Diese
Verbindungen sind an sich als stimulierbare Kristalle bekannt.
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Die in den erweiterten stimulierbaren Bereich eingebetteten Ionen
sind Ionen der Seltenen Erden, beispielsweise etwa Ers+-, Tms+-, Hos+-, Nds+-Ionen.
Solche Ionen sind ebenfalls als stimulierbare Ionen bekannt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in aufeinanderfolgenden
Schichten des schichtenförmigen, erweiterten stimulierbaren Bereiches entweder abwechselnd
je ein Energie übertragendes System zweier verschiedener Ionenarten oder jeweils
zwei gleiche Energie übertragende Ionenarten bzw. Ionenpaare angeordnet. Eine weitere
Möglichkeit besteht darin, in aufeinanderfolgenden Schichten jeweils zwei verschiedene
Ionenarten in abwechselnder Folge anzuordnen.
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Solche Schichtfolgen mit abwechselnder Dotierung, die Ionenpaarsysteme,
sind so ausgewählt, daß durch die gebildeten Doppelschichten des erweiterten stimulierbaren
Bereiches bestimmte Spektrallinien innerhalb des gesamten Frequenzbereiches des
kohärenten Strahlungsfeldes selektiv verstärkt werden, wobei diese Spektrallinien
denen von anderen, resonanzfähigen Kristallteilsystemen entsprechen.
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Die verschiedenen Energie übertragenden Ionenpaarsysteme in verschiedenen
Schichten des erweiterten
stimulierbaren Bereiches können in bezug
auf ihre emittierte Quantenenergie so ausgewählt sein, daß jeweils die Emission
einer bestimmten Schicht in einer anderen Schicht als stimulierende Strahlung wirkt.
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Gegenüber einem äußeren Strahlungsfeld, das aus mehreren Komponenten
bestehen kann, bildet der erweiterte stimulierbare Bereich mit seinem schichtenförmigen
Aufbau verschiedener Teilfrequenzen infolge der optischen Wechselwirkung zwischen
diesen stimulierbaren Schichten einen Informationsspeicher, der durch die äußere
Einstrahlung abgefragt werden kann.
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Die Funktion eines Informationsspeichers ist eine Folge der in dem
Kristallsystem zustande kommenden optischen Wechselwirkung. Einerseits sind die
zur Wechselwirkung kommenden Strahlungsanteile je nach der Anregung und Mitwirkung
bestimmter Schichten oder Kristallteilgebiete in bezug auf ihre Beteiligung am Gesamtstrahlungsfeld
mit optischen Kerngrößen, wie Intensität, Frequenz usw., wählbar.
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Um einen Vergleich zu gebrauchen, bilden sie gleichsam bestimmte »Saiten
eines Saiteninstruments«, mit denen man die verschiedensten »Akkorde« zusammensetzen
kann. Jeder gewählte »Akkord« bildet nun in bezug auf die ausgewählten Frequenzen
und ihre Intensitäten eine Information. Bei der in manchen Kristallteilgebieten
bzw. Kristallschichten stattfindenden optischen Wechselwirkung treten Interferenzerscheinungen
auf, die je nach den beteiligten Komponenten und den in manchen Teilen der Strahlengänge
modifizierbaren optischen Weglängen bestimmte Interferenzstrukturen bilden. Diese
Interferenzstrukturen können sich sowohl in einzelnen Kristallteilgebieten ausbilden,
sie können sich aber auch über mehrere Kristallteilgebiete erstrecken. Diese Interferenzstrukturen
sind nur bei bestimmten Phasenverhältnissen der einzelnen Strahlungsbestandteile
räumlich und zeitlich konstant. Jede somit in großer Mannigfaltigkeit ausprägbare
Interferenzstruktur stellt einen Informationsinhalt dar. Dieser Informationsinhalt
kann von einem zusätzlichen Laserstrahlungsfeld durch Wechselwirkung abgefragt werden.
Außerdem können in bestimmten Kristallteilgebieten die optischen Eigenschaften der
Kristalle selbst infolge der hohen Intensität der zur Wechselwirkung kommenden Laserstrahlung
modifiziert werden, insbesondere hinsichtlich der Dispersionseigenschaften.
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Zusammenfassend wird somit verständlich, daß die in dem Kristallsystem
gemäß der Erfindung erzeugten Interferenzstrukturen abfragbare Informationsspeicher
bilden, wobei einzelne Struktureinheiten als Informationsunterteile oder -kanäle
separiert behandelt und weitergeleitet werden können.
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Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß bestimmte Kristallteilgebiete
piezoelektrisch sind, deren optische Eigenschaften durch piezoelektrische Anregung
modifizierbar sind. Sind diese Kristallteilgebiete als Resonatoren ausgebildet,
so kann die Resonanzfrequenz durch piezoelektrische Anregung modifiziert werden.
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Piezoelektrische Anregung erfolgt durch äußere elektromagnetische
Felder mit Frequenzen sowohl außerhalb des optischen Spektralbereiches als auch
im optischen Spektralbereich, wobei insbesondere die elektromagnetischen Felder
mit Frequenzen, die im optischen Spektralbereich liegen, hohe Intensität besitzen.
Die Aufgliederung des kohärenten Strahlungsfeldes in den Kristallteilgebieten erfolgt
durch optische Mittel, wie Sammellinsen, Zerstreuungslinsen, Prismen, planparallele
Platten, Keilplatten und ähnliches.
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An Hand von in den F i g. 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
werden noch nähere Erläuterungen der Erfindung gegeben.
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Die F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bestehend aus
einem Kristallsystem mit zwei Kristallteilgebieten, dessen eines eine Laserdiode
mit den hochdotierten Bereichen 1 und 2 sowie den stimulierbaren pn-Übergang 3 darstellt;
der stimulierbare pn-Übergang 3 der Laserdiode wird durch die ebenfalls stimulierbaren
Kristallgebiete 4, 5, 6 und 7 erweitert, die zusammen den erweiterten stimulierbaren
Bereich der Laserdiode darstellen. Die Kristallgebiete 4, 5, 6 und 7 sind durch
äußere und innere, halbdurchlässige und reflektierende Grenzschichten 9, 10,11,12
und 13 zu optischen Resonatoren ausgebildet.
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Die von der Laserdiode emittierte Strahlung umfaßt einen wesentlich
größeren Frequenzbereich als die Linienbreite der einzelnen Resonatoren 4, 5, 6
und 7. Die Resonatoren sind so abgestimmt, daß ihre Eigenfrequenzen innerhalb des
Spektralbereichs der emittierten Strahlung der Laserdiode liegen.
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Die Kristallgebiete 4, 5, 6 und 7 sind durch im optischen Bereich
aktivierende Zusätze, wie weiter oben beschrieben, stimulierbar gemacht. Diese atomaren
Zusätze sind so ausgewählt, daß ihre Eigenschwingungen innerhalb des Frequenzbereichs
der Laserdiode liegen.
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Die prismenartig angeordneten Spiegel 18 und 19 sowie 16 und
17 - wobei die letzteren beiden teildurchlässig sind - dienen zur Verzweigung des
Strahlenganges des in dem System aus Laserdiode und erweitertem stimulierbarern
Bereich bestehenden Gesamtstrahlungsfeldes.
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Eine starke Lichtquelle 20 bewirkt Anregung der stimulierbaren Kristallbereiche
4, 5, 6 und 7.
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Das Kristallteilgebiet 8 ist mit den halbdurchlässigen und reflektierenden
Grenzschichten 14 und 15 als optischer Resonator ausgebildet und stellt den optischen
Ausgang des Systems dar, in welchem durch die Linsen 21 und 22 das verzweigte Strahlungsfeld
vereinigt wird.
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Durch gestrichelte Linien in der F i g. 1 soll schematisch der Strahlengang
dargestellt werden.
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Zur Wirkungsweise der Anordnung gemäß F i g. 1 wird folgendes bemerkt:
Durch die optische Erweiterung der Laserdiode 1, 2, 3 durch den erweiterten stimulierbaren
Bereich 4, 5, 6, 7 wird die Strahlungsausbeute, insbesondere die Intensität, vergrößert.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht in dem physikalischen
Sachverhalt, daß die in den einzelnen Teilgebieten 4, 5, 6, 7 und in der Laserdiode
emittierte Strahlung sich wechselseitig stimuliert, d. h., die von einem stimulierbaren
Bereich eingestrahlte Energie erzeugt dort stimulierte Emission, welche wiederum
in den ursprünglichen Bereich zurückgestrahlt wird und die bereits begonnene Emission
durch stimulierende Auslösung der aufgespeicherten Energie fördert.
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Durch die wechselseitige Kopplung der in den einzelnen Teilgebieten
erzeugten stimulierten Strahlung entsteht schließlich ein alle Teilgebiete umfassendes
gemeinsames
kohärentes Strahlungsfeld. Dieses Gesamtstrahlungsfeld, das zum Teil auch in den
einzelnen Bereichen des erweiterten stimulierbaren Bereiches verzweigt ist, koppelt
optisch das gesamte Kristallsystem.
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Hierbei spielt außerdem noch ein weiterer für die Erfindung wesentlicher
physikalischer Gesichtspunkt eine Rolle, der darin besteht, daß bei dieser wechselseitigen
Kopplung, durch welche das kohärente Gesaxntstrahlungsfeld aufgebaut wird, die in
den einzelnen Teilgebieten zur Wirkung kommende wechselseitige stimulierende Strahlungsenergie
größenordnungsmäßig vergleichbar ist mit der in den Kristallteilen aufgespeicherten
Energie. Auch dieser Umstand ist für die optische und für die gegenüber einem herkömmlichen
Lasersystem stark erhöhte Intensität wesentlich.
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Durch die Verzweigung des Strahlenganges in den Teilgebieten 4, 5,
6, 7 wird in diesem Zusammenhang bewirkt, daß die stimulierte Strahlungsenergie
teilweise auch als Anregungsenergie in den einzelnen Teilgebieten zur Wirkung kommt,
wobei eine in der Zeichnung nicht angedeutete, senkrecht zum Strahlengang verlaufende
Energieübertragung in den Teilgebieten 4, 5, 6, 7 stattfindet.
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Durch die optischen Resonatoren 23, 24 mit ihren Spiegelflächen 25
und 26 und den teildurchlässigen Spiegeln 27, 28 findet eine optische Einspeisung
bestimmter Signalfrequenzen in das Gesamtstrahlungsfeld des Kristallsystems statt.
Die Resonatoren 23 und 24 können beispielsweise optische Sender mit stimulierbaren
Kristallen oder auch mit Halbleiterdioden sein.
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Ersichtlich wird das mit Teilfrequenzen des Gesamtstrahlungsfeldes
übereinstimmende Signal, wie aus dem Strahlengang hervorgeht, in das Gesamtstrahlungsfeld
eingekoppelt. Da mit der stimulieren, den Wirkung der Einstrahlung ebenfalls eine
stimulierende Rückkopplung auf die einstrahlenden optischen Sender mit ihren Resonatoren
23 und 24 , erfolgt, wobei im Prinzip wiederum die stimulierende Signalenergie mit
der stimulierten, aufgespeicherten Signalenergie von vergleichbarer Größenordnung
sein kann, entsteht einschließlich der eingespeisten Strahlung schließlich ein resulierendes,
kohärentes Ge- , samtstrahlungsfeld, das alle Teile des Kristallsystems optisch
in Wechselwirkung bringt.
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Mindestens einer der Resonatoren 23 und 24 kann in einer Ausgestaltung
der Anordnung gemäß der F i g. 1 piezoelektrische Eigenschaften haben, so daß durch
Einwirkung äußerer elektrischer Felder seine Resonanzfrequenz beeinflußbar ist.
Insbesondere findet diese Beeinflussung periodisch mit Frequenzen außerhalb des
optischen Bereiches, z. B. im akustischen Bereich, statt. Auf diese Weise ist es
auch möglich, die eingespeiste Signalfrequenz periodischen Schwankungen zu unterwerfen.
Neben einer Beeinflussung der eingespeisten Frequenz durch piezoelektrische Effekte
ist es möglich, die Beeinflussung der eingespeisten Laserstrahlung auch durch ein
starkes magnetisches Feld, welches in seiner Intensität periodisch gesteuert wird,
zu bewirken. Im letzteren Falle bewirkt das magnetische Feld eine periodische Veränderung
der beteiligten Energiezustände, von denen die modulierte, eingespeiste Laserstrahlung
herrührt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung nach F i g. 1 kann
einer der Resonatoren 23 oder 24 aber auch photoelektrische Eigenschaften haben,
wobei eingestrahlte Teilfrequenzen des Gesamtsystems durch Superposition zu Summen-
oder Differenzfrequenzen gemischt werden. Da hierbei mindestens eine stimulierende
Signalfrequenz bei der Einspeisung variiert werden kann, wird auch die Mischfrequenz
variabel. Diese Mischfrequenzen liegen im allgemeinen ebenfalls im optischen Bereich
und fallen z. B. noch in den Spektralbereich der Laserdiode. Auf diese Weise wird
die selektive Abfragung der Laserdiodenstrahlung in verschiedenen, frei wählbaren,
im System neu erzeugten Frequenzen möglich.
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Der als optischer Ausgang des Gesamtsystems zu betrachtende laseraktive
Kristall 8 ist in bezug auf seine optischen Eigenschaften, wie z. B. seiner Resonanzfrequenzen,
ebenfalls steuerbar, so daß am Ausgang des Kristalls 8 die in dem übrigen Kristallsystem
samt der eingespeisten Strahlung entstandene mehrkomponentige kohärente Gesamtstrahlung
»optisch abgehört werden kann«, wobei insbesondere in periodischer Folge (z. B.
im akustichen Frequenzbereich) bestimmte Strahlungskomponenten des gesamten Strahlungsfeldes
nach außen bevorzugt ausgewählt und verstärkt werden können.
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Im Zusammenhang mit dem Ausgang sind gemäß einer weiteren Möglichkeit
auch in der Figur nicht dargestellte optische Mittel vorgesehen, welche die Teilstrahlungen
in bezug auf ihre Polarisationseigenschaften unterscheidet, auswählt und steuert.
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Bei einem geschichteten Aufbau des optischen Ausgangs übernimmt dieser
durch die Ausbildung einer veränderbaren optischen Beeinflussung der resultierenden
Strahlung die Funktion eines abfragbaren Informationsspeichers gegenüber einer die
einzelnen Schichten durchdringenden abfragenden äußeren Strahlung, welche in dieser
Figur der übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
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Auch die Kristallgebiete 4, 5, 6, 7 können in einer Weiterbildung
der Erfindung geschichtet sein und wegen piezoelektrischer Eigenschaften durch äußere
Felder steuerbar sein.
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Im nachrichtentechnischen Sinn stellt die Anordnung nach F i g. 1
in ihrer Grundfunktion einen mehrstufigen optischen Verstärker für ein mehrkomponentiges
kohärentes Strahlungsfeld dar, wobei im Gegensatz zu herkömmlichen Laseranordnungen
die stimulierende Signalenergie selbst von hoher Intensität ist. Als Eingang des
Verstärkers ist beispielsweise der gleichzeitige Strahlengang aus den Kristallen
23 und 24 zu betrachten, von dem frei wählbare, variable Signalfrequenzen in den
Verstärker eingespeist werden. Der Ausgang des Verstärkers ist durch das optische
System 8 gegeben.
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Die Laserdiode mit ihrem erweiterten stimulierbaren Bereich stellt
gleichsam einen »optischen Klangkörper« dar, in welchem verschiedene »Töne« von
unterschiedlicher Frequenz und Intensität zu »optischen Klängen« kohärent vereinigt
werden. Jeder so erzeugte »Klang« repräsentiert einen komplexen Informationsinhalt,
der durch Einspeisung beeinflußt und in seiner Struktur nach außen mitgeteilt werden
kann.
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In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Das Kristallsystem besteht in vorliegendem Fall aus einer Vielzahl
von Laserdioden 48 bis 60 mit ihren erweiterten stimu'.ierbaren Bereichen
62 und 63,
welche insgesam" an eine optische Platte 61 angrenzen.
Des
weiteren sind optische Energiequellen 64, 65 und 66 vorgesehen.
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Die stimulierbaren Bereiche 62 und 63 besitzen eine »dachziegelartig«
geschnittene Kristallstruktur, wobei der gesamte erweiterte stimulierbare Bereich
aus einem einzigen Kristallkörper geschnitten sein kann oder aber jeder »Dachziegel«
eine eigene Kristallschicht darstellt. Die sägezahnförmigen Begrenzungen der erweiterten
stimulierbaren Bereiche bestehen aus teildurchlässigen und reflektierenden Filmen.
Auf Grund der geometrischen Ausbildung (der sägezahnförmigen Begrenzungen der erweiterten
stimulierbaren Bereiche werden diese zu einer Mannigfaltigkeit optisch gekoppelter
Resonatoren, wobei zwei Scharen von Hauptstrahlengängen sich in jedem als Resonator
ausgebildeten »Dachziegel« überkreuzen. Jeder »dachziegelartige« Resonator ist auf
die ihm zugeordnete Laserdiode in seiner Resonanzfrequenz abgestimmt, wobei die
Resonanzfrequenz innerhalb des wesentlich breiteren Bereiches des Spektrums der
Laserdiode liegt.
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Die mit den Seitenflächen der Laserdioden gebildeten Resonatoren haben
an diesen Seitenflächen entweder teilreflektierende oder vollreflektierende Begrenzungen,
so daß der optische Vorgang in den Dioden durch die seitlich eintretenden Strahlengänge
aus den Resonatoren beeinflußt werden kann. Diese Strahlengänge sind der Übersichtlichkeit
wegen nicht eingezeichnet.
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Gemäß der Erfindung ist an dieser optischen Laseranordnung wesentlich,
daß diese eine wechselseitige optische Einwirkung der einzelnen Laserdioden untereinander
einschließlich der »dachziegelförmigen« Teile der erweiterten stimulierbaren Bereiche
ermöglicht. Diese somit erreichte wechselseitige, stimulierte Funktion erzeugt ein
alle stimulierbaren Kristallteilgebiete verbindendes kohärentes Strahlungsfeld,
welches vielkomponentig ist und in bezug auf die einzelnen Kenngrößen der Strahlungskomponenten
abwandelbar ist.
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Wesentlich hierbei ist insbesondere auch die Möglichkeit, über die
optischen Weglängen Interferenzeffekte auszunutzen, da das Gesamtstrahlungsfeld
ersichtlich aus einem kohärenten, aber vielfach verzweigten System von Teilstrahlen
besteht, die innerhalb einer gemeinsamen Kohärenzlänge interferenzfähig sind und
durch Interferenzeffekte beliebige Möglichkeiten der Kopplung von Strahlungsanteilen
ergeben.
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In diesem Zusammenhang ist noch ein grundsätzlicher physikalischer
Punkt zu erwähnen, der darin besteht, daß auf Grund des vorliegenden Kristallsystems
ein kohärentes, interferenzfähiges Strahlungsfeld erzeugt wird, das zunächst in
mehreren verschiedenen stimulierbaren Kristallteilgebieten entsteht.
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Der physikalische Grund beruht auf der gegenseitigen Stimulation der
einzelnen stimulierbaren Gebiete einschließlich der Laserdioden, wobei im Gegensatz
zu herkömmlichen Laseranordnungen der bisher üblichen Lasertechnik in der vorliegenden
Erfindung die stimulierende Signalenergie der miteinander korrespondierenden Strahlungsanteile
aus verschiedenen Kristallteilgebieten mit der aufgespeicherten stimulierbaren Strahlungsenergie
von vergleichbarer Größenordnung ist. In allen bisherigen Laser- bzw. Maseranordnungen
bzw. -techniken ist das stimulierende Signal in bezug auf seine Energie stets sehr
viel kleiner als der aufgespeicherte Enerigevorrat. Außerdem wird durch diesen Sachverhalt
die Möglichkeit gegeben, die ebenfalls in einer Anordnung gemäß der Erfindung ausgenutzt
werden kann, daß auf Grund des genannten Umstandes durch einen stimulierenden Laserstrahl
der stimulierbare Bereich eines anderen Kristallteilgebietes im Prinzip selbst optisch
beeinflußt werden kann. Insofern erfolgt z. B. die Steuerung der Laserdioden im
vorliegenden Fall nicht allein durch die angelegte Spannung, sondern es wird sowohl
der Vorgang der überbesetzung als auch die stimulierte Emission selbst neuartig
dadurch beeinflußt, daß bereits ein Laserstrahl von hoher Intensität aus einem anderen
Kristallteilgebiet in den Strahlungsprozeß herkömmlicher Art eingreift.
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Durch diesen Umstand wird, wie bereits erwähnt, ein vielkomponentiges,
kohärentes Strahlungsfeld hoher Intensität erzeugt, das in einer großen Zahl interferenzfähiger
optischer Wege aufgespalten ist. Jeder dieser optischen Wege kann auch für sich
nach außen abgezweigt werden und somit als selektiver Bestandteil des ganzen Feldes
Verwendung finden.
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In nachrichtentechnischer Hinsicht stellt ein solcher Weg einen Kanal
dar, welcher einer Trägerfrequenz entspricht. Wesentlich weitreichender aber ist
der Sachverhalt, daß jeder dieser optischen Wege zu einem Interferenzeffekt herangezogen
werden kann, wobei die Interferenz durch beliebige Variation der optischen Wege
steuerbar ist. Außerdem soll in diesem Zusammenhang der gravierende Umstand bemerkt
werden, daß die in allen optischen Wegen enthaltenen Strahlungsanteile zusammen
einen vielgliedrigen, optisch zusammenhängenden »Klangkörper« bilden, der in nachrichtentechnischer
Hinsicht einen komplexen Informationsinhalt repräsentiert. Dieser Informationsinhalt
kann einerseits durch optische Einspeisung aus einem in der Figur nicht dargestellten
optischen System ausgeprägt werden, er kann aber auch andererseits durch Steuerung
der einzelnen Kristallteilgebiete, beispielsweise der Laserdioden 48 bis 60, oder
durch piezoelektrische Variation der optischen Wege der einzelnen Kristallteilgebiete
erzeugt werden.
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Aus dem interferierenden Strahlungsfeld der optischen Platte 61 kann
an einem optischen Ausgang A das aus der Gesamtwirkung einschließlich der Einspeisung
resultierende »Klanggebilde« entnommen werden.
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In nachrichtentechnischer Hinsicht stellt das vorliegende System einen
viertstufigen Verstärker dar. Außerdem kann der Verwendungszweck durch gewisse Modifikationen
in verschiedener Hinsicht spezialisiert werden.
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Der einfachste Fall ist der, daß alle Laserdioden und alle »Dachziegel«
optisch gleich sind. In diesem Fall werden nur wenige oder im Grenzfall nur eine
einzige Frequenz herauspräpariert, die nunmehr mit einer extrem hohen Intensität
vorliegt und durch die Wirkungsweise der »Dachziegel« eine viel kleinere Frequenzbreite
aufweist als jene der Laserdioden.
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In diesem Fall kann die riesige Intensität aber auch beispielsweise
zur Steuerung der optischen Eigenschaften mindestens eines bestimmten Kristallteilgebietes
verwendet werden, indem dort nichtlineare Effekte, z. B. Erzeugung von Harmonischen,
auftreten.
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Weiterhin kann es durch die hohe Intensität durch den Aufbau des Interferenzfeldes
insbesondere
zu Schwebungseffekten, Kopplungseffekten und zur Erzeugung
neuer Frequenzen, die ursprünglich in dem Kristallteilgebiet nicht vorhanden sind,
kommen.
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In einer weiter gehenden Abwandlung des Erfindungsgedankens können
die Kristallteilgebiete wenigstens teilweise unterschiedliche optische Eigenschaften
aufweisen. Beispielsweise kann der Spektralbereich der einzelnen Dioden vergleichsweise
in bezug auf Spektralbreite verschieden sein. Insgesamt entsteht auf Grund des obengenannten
physikalischen Sachverhaltes bei einer solchen Modifikation eine breitbandige Anordnung,
da sich die einzelnen glockenförmigen Spektrallinien durch die Existenz des wechselseitig
stimulierenden Strahlungsfeldes überlagern. Das gleiche gilt auch für das System
der zahlreichen »dachziegelartigen« Resonatoren, welche, bildlich gesprochen, wie
die »Pfeifen einer Orgel« abgestimmt sein. können, unter Bezugnahme auf das soeben
erwähnte überlagerungsspektrum der Laserdioden.
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Auf Grund des dargelegten physikalischen Sachverhaltes ist es nicht
unbedingt notwendig, daß die Laserdioden direkt an die »dachziegelförmigen« Resonatoren
angrenzen. Vielmehr können sie von diesen durch weitere optische Mittel getrennt
sein. Dieser Umstand gibt die Möglichkeit, nunmehr diese optischen Wege in bezug
auf ihre optische Weglänge und ihre Polarisationseigenschaften, z. B. durch Einfügung
piezoelektrisch gesteuerter Kristalle, zu beeinflussen, wodurch die als »Klangkörper«
bezeichnete Interferenzkonfiguration mit den verschiedensten Informationen gefüllt
werden kann.
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Bei einer solchen Anordnung ist es außerdem gemäß der Erfindung möglich,
die einzelnen »Dachziegel« durch weitere äußere Einflüsse optisch zu verändern,
z. B. durch Druck sowie durch elektrische Felder und schließlich - sehr wesentlich
- durch die hohe Intensität der Laserstrahlung selbst, die beispielsweise momentane
Doppelbrechung in bestimmten Substanzen erzeugen kann.
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Auf Grund der »dachziegelartigen« Anordnung dieser Resonatoren entsteht
jeweils auch eine optische Wechselwirkung untereinander zwischen den optischen Wegen.
Schließlich können diese Kopplungseffekte auch dadurch optisch erzeugt werden, indem
die »dachziegelartigen« stimulierbaren Bereiche 62 und 63 beispielsweise durch die
optischen Energiequellen 64, 65 und 66 angeregt werden. In speziellen Fällen können
diese Energiequellen selbst Festkörperlaser darstellen, die bei Einstrahlung mit
hoher Intensität die optischen Eigenschaften des Resonatorsystems verändern.
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Weiterhin kann eine optische Anregung durch äußere Strahlung erfolgen,
welche die »dachziegelartigen« Resonatoren senkrecht zur Zeichenebene durchdringt.
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Darüber hinaus ist auch die optische Platte 61 als stimulierbar vorzusehen.
Sie kann beispielsweife aus einem Kristall mit entsprechenden stimulierbaren Dotierungen
hergestellt sein, sie kann aber auch ein gasförmiger Körper, der in einer entsprechenden
räumlichen Anordnung eingefaßt ist, sein. Im letzteren Fall ist die Gasfüllung selbst
stimulierbar, wobei gemäß der Erfindung eine Füllung mit solchen Gasen vorzunehmen
ist, die bei Wechselwirkung mit Laserstrahlung hoher Intensität mehrfach brechend
werden.
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Im Falle eines Aufbaues der optischen Platte 61 aus Kristallmaterial,
wobei die Platte nicht nur planparallel, sondern auch leicht keilförmig sein kann,
ist in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ein geschichteter Aufbau der
optischen Platte vorgesehen, wobei diese Schichten zum Teil doppelbrechend sein
können und derart zueinander angeordnet sind, daß in speziellen Fällen beispielsweise
ein bestimmter Dispersionszweig in einer Schicht jeweils den Hauptzweig der anderen
Schicht trifft und infolgedessen kohärent mit diesem gekoppelt wird.
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Ein geschichteter Aufbau kann in speziellen Fällen. in dem System
der »dachziegelartigen« Resonatoren der erweiterten stimulierbaren Bereiche vorgenommen
werden, die nicht nur aus einem einzigen Material geschnitten zu sein brauchen,
sondern aus Schichten mit unterschiedlichem Material und unterschiedlichen Eigenschaften
bestehen können. Hierbei sind insbesondere bestimmte »Dachziegel« doppelbrechend
vorgesehen, wobei jeweils ein gebrochener Strahl in einem »Dachziegel« nicht in
die optische Platte, sondern direkt in den »Nachbarziegel« einmündet und mit dem
dortigen Hauptzweig im nachrichtentechnischen Sinn gemischt wird. Bei einem solchen
Aufbau unterschiedlicher Kristalle der »dachziegelförmigen« Resonatoren bilden sich
an den inneren Grenzflächen ebenfalls Eigenschwingungen aus, und es entsteht insbesondere
bei Anregung aus einer der Energiequellen 64, 65 und 66 ein aus vielen resonanzfähigen
Kristallteilgebieten bestehender Resonanzkörper mit zahlreichen Eigenfrequenzen.
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Durch die beschriebenen Wechselwirkungseffekte und durch die Berücksichtigung
der Kopplung durch Doppelbrechung werden nun auch die neu erzeugten Summen- oder
Differenzfrequenzen einer Verstärkung unterworfen.
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Schließlich sei noch auf einen grundsätzlichen physikalischen Gesichtspunkt
hingewiesen, der durch diese Ausführungsform der Erfindung erreicht wird.
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Grundsätzlich spielt die Kohärenz bei Maser- oder Laseranordnungen
eine entscheidende Rolle. Bei einfachen optischen Sendern, die nur aus einem einzigen
- wie bisher üblich - stimulierbaren Medium bestehen, ist gegenüber einer gewöhnlichen
Strahlungsquelle eine einfache Kohärenz vorhanden.
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In Strahlungsfeldern, wie sie jedoch auf Grund der dargelegten Prinzipien
gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung erzielt werden, erreicht man jedoch
im Prinzip Kohärenz von wesentlich größerer Ordnung, und zwar sowohl im Hinblick
auf räumliche als auf zeitliche Kohärenz. Im theoretischen Grenzfall ist der Idealfall
von unendlich hoher Ordnung dadurch gekennzeichnet, daß alle Raum-, Zeitpunkte korrelieren.
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Eine gewöhnliche Strahlungsquelle ist unter diesen Gesichtspunkten
beispielsweise von nullter Ordnung und eine Laser-Maser-Anordnung nach dem bisherigen
Stand der Technik von erster oder zweiter Ordnung.
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Durch die Anordnung gemäß der Erfindung kann die Ordnung der Kohärenz
weiter erhöht werden. Dies beruht physikalisch nach dem Besagten ersichtlich darauf,
daß in dem Kristallsystem gemäß der Erfindung die Emission durch bereits stimulierte
Strahlungsenergie angeregt wird und dieser wechselseitige Prozeß einer vielfachen
Stimulierung innerhalb eines Interferenzsystems von Strahlungsbestandteilen stattfindet.
Um
einen groben Vergleich hierfür zur Anschauung heranzuziehen, kann man sagen, daß
dieser Prozeß einer optischen Destillation entspricht, indem die Qualität der Kohärenzordnung
laufend verbessert wird und hierbei zugleich Selektivität und Intensität der einzelnen
Strahlungskomponenten erheblich erhöht werden können.
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Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem segmentförmigen
Resonatorensystem 32, bestehend aus den Resonatoren 33 bis 39. In diesen Resonatoren
sind treppenförmige innere Begrenzungen als teildurchlässige Spiegel angeordnet;
zugleich sind die kreisbogenförmigen äußeren Begrenzungen teildurchlässige Spiegel.
Durch diese Anordnung der teildurchlässigen Spiegel wird das segmentförmige Resonatorensystem
32 auf bestimmte Eigenfrequenzen bzw. Schwingungstypen abgestimmt.
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Die segmentförmige Gestalt des Resonatorsystems hat entweder den Zweck,
eine verzweigte Laserstrahlung bzw. eine verzweigte Strahlung von verschiedenen
Signalen zu einem Strahlenbündel zu vereinigen oder umgekehrt ein ankommendes kohärentes
Strahlenbündel zu verzweigen und selektiv aufzuspalten.
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Hieraus geht hervor, daß die Anordnung gemäß F i g. 3 sowohl als optischer
Eingang als auch als optischer Ausgang Verwendung finden kann.
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Zur Führung des Strahlenganges sind die Sammellinse 40 und die Zerstreuungslinse
31 vorgesehen. Statt dieser einfachen Linsen können auch Linsensysteme mit entsprechender
Funktion Verwendung finden.
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Optische Zellen 41 bis 47, welche hier nur schematisch dargestellt
sind, finden als Eingang oder Ausgang Verwendung. Die Zellen können z. B. als Signalquellen
am Eingang oder am Ausgang als selektive Resonatoren bzw. optische Übertrager ausgebildet
sein. Mindestens teilweise können diese Zellen stimulierbar sein und untereinander
in Wechselwirkung stehen. Im letzteren Fall sind sie mindestens teilweise doppelbrechend
ausgewählt, wobei jeweils Teilstrahlen aus je einer in die Nachbarzelle übergehen.
Die Zellen können auch eine Schichtstruktur aufweisen.
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Eine Anordnung nach F i g. 3 kann als optischer Eingang für eine Anordnung
nach F i g. 2 dienen, wobei das aus der Linse 31 austretende Strahlenbündel bei
E in die optische Platte 61 eingespeist wird. Desgleichen kann die Anordnung nach
F i g. 3 am Ausgang A der Anordnung nach F i g. 2 angeordnet sein, wobei das am
Ausgang A austretende Strahlungsfeld zur weiteren Behandlung in ein der F i g. 3
.entsprechendes Resonatorensystem 32 eingestrahlt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 ist die Anordnung gemäß
F i g. 3 mit einer Teilanordnung gemäß F i g. 2 optisch gekoppelt. Die Teilanordnung
der F i g. 2 besteht in diesem Fall aus einem zwischen zwei optischen Platten 68
und 69 eingebetteten »dachziegelförmigen« erweiterten stimulierbaren Bereich, wobei
die Schichtstruktur der einzelnen Resonatoren durch eine durch die Mitte der Resonatoren
verlaufende Linie angedeutet ist. Der stimulierbare Bereich 67 besitzt im vorliegenden
Fall eine innere schichtförmige Struktur mit teilweise teildurchlässigen und reflektierenden
Grenzschichten. Bei Einstrahlung des vereinigten Strahlungsfeldes aus dem segmentförmigen
Resonatorensystem wird das kohärente Strahlungsfeld durch den »dachziegelförmigen«
erweiterten stimulierbaren Bereich selektiv abgefragt, wobei jeweils bestimmte Frequenzen
bzw. Schwingungstypen in dem hierdurch gegebenen optischen »Klangkörper« bevorzugt
angesprochen werden, so daß diese einzeln ausgesiebt werden, andererseits aber auch
einen bestimmten optischen »Klang« als Informationsinhalt aufbauen.
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Ein solcher spezifischer optischer »Klang« kann in entsprechender
Weise am Ausgang wieder aufgelöst und durch optische Übertrager - jedoch nun in
einer veränderten Intensität und/oder Frequenzverteilung -weitergeleitet werden.
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Es sei noch vermerkt, daß der Übersichtlichkeit halber das Laserdiodensystem,
das wenigstens teilweise mit dem erweiterten stimulierbaren Bereich über die optischen
Platten 68 und 69 gekoppelt ist, nicht dargestellt ist.
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In F i g. 5 ist eine Kombination eines segmentförmigen Resonatorensystems
mit einem »dachziegelförmigen« erweiterten stimulierbaren Bereich 71 und einer optischen
Platte 70 dargestellt. Quer zu den »dachziegelartigen« Resonatoren wird noch eine
anregende Strahlung eingespeist.
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Diese Anordnung hat im Gegensatz zur Anordnung gemäß F i g. 3 den
Zweck, den im segmentförmigen Resonatorensystem zur Wirkung kommenden Strahlengang
zu einem kohärenten Gesamtstrahlungsfeld zu vereinigen, welches durch das »dachziegelförmige«
Resonatorensystem eine bestimmte optische Ausgestaltung erfährt. Auch im vorliegenden
Fall kann entweder das bereits kohärente optische Strahlungsfeld aus der optischen
Platte in das segmentförmige Resonatorensystem eingestrahlt werden, oder es kann
auch umgekehrt ein ankommendes Strahlungsbündel, welches in dem segmentförmigen
Resonatorensystem behandelt wird, zu einem kohärenten, interferenzfähigen Strahlungsfeld
vereinigt werden.
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In F i g. 6 ist das Zusammenwirken zweier Laserdioden 72 und 74 mit
einem aus drei Schichten bestehenden erweiterten stimulierbaren Bereich 73 und mit
einem segmentförmigen Resonatorensystem gemäß F i g. 3 dargestellt. Der optische
Strahlengang ist zusätzlich noch durch Spiegel 79 und $0 festgelegt. Die
Schichten 75, 76, 77 und 78 sind auch in diesem Ausführungsbeispiel teildurchlässig
und reflektierend.
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Das Wesentliche dieser Anordnung besteht darin, daß beide Laserdioden
einen gemeinsamen und direkten Hauptstrahl besitzen, wodurch sie sich gegenseitig
stimulieren.
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Die sich hierbei ergebende Emission wird durch die optischen Zellen
des erweiterten stimulierbaren Bereiches 73 selektiv verstärkt.
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Bei Einstrahlung einer relativ breitbandigen Signalstrahlung erzeugt
dieses so abgefragte Diodensystem ein bestimmtes optisches Strahlengemisch, das
in dem in bestimmter Weise auf das Diodensystem abgestimmten segmentförmigen Resonatorensystem
32 aufgelöst und selektiv weiter verstärkt wird.
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Die am Ausgang angeordnete Reihe optischer Zellen 81 bis 87 repräsentieren
schematisch die Übertragung der resultierenden Strahlung.
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Der mehrschichtige erweiterte stimulierbare Bereich 73 kann außerdem
durch- eine äußere Energiequelle zusätzlich angeregt werden.
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Eine der Anordnung gemäß F i -g. 6 entsprechende Ausführungsform der
Erfindung ist nicht auf ein hier dargestelltes Diodenpaarsystem mit einem erweiterten
stimulierbaren
Bereich begrenzt, sondern es lassen sich für bestimmte Forderungen in der nachrichtentechnischen
Anwendung zusammengesetzte Systeme dieser Art realisieren, die durch einen gemeinsamen
verzweigten Strahlengang kohärent optisch gekoppelt sind.
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Als optischer Eingang kann beispielsweise im Gegensatz zur Anordnung
in F i g. 6 eine Anordnung gemäß F i g. 5 Verwendung finden.
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In allen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die
bekannten äußeren elektrischen Schaltungsmittel, wie angelegte Spannung an die Laserdioden
bzw. an piezoelektrische und/oder doppelbrechende Kristallteilgebiete, sowie zeitliche
Arbeitspläne der Schaltungen für Impulsbetrieb der Laserdioden nicht dargestellt,
da sie zum Wesen der Erfindung nicht beitragen und ohnedies aus den Erläuterungen
der Ausführungsbeispiele hervorgehen.