DE1292769B - Optischer Verstaerker oder Sender (Laser) - Google Patents

Optischer Verstaerker oder Sender (Laser)

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DE1292769B
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radiation
optical
resonator
optical amplifier
transmitter according
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Dr Dieter
Rosenberger
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/107Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Verstärker oder Sender (Laser) für innere Steuerung bzw. Modulation der Amplitude seiner stimulierten Strahlung mit einem optischen Resonator, der mehrere axiale Eigenschwingungen der stimulierten Strahlung zuläßt.
  • Im weiteren werden an Stelle »optischer Sender oder Verstärker (Laser)«, »optischer Resonator« und »Steuerung bzw. Modulation« zur Abkürzung die Begriffe »Sender«, »Resonator« bzw. »Modulation« verwendet.
  • Sender für innere Modulation mit einem Festkörper als stimulierbarem Medium sind bereits bekanntgeworden. Im allgemeinen handelt es sich dabei um Anordnungen, bei denen die in dem Medium durch stimulierte Emission erzeugte, kohärente; elektromagnetische Strahlung durch Modulationsmittel, z. B. durch modulierbar doppelbrechende Kristalle, in an sich bereits bekannter Weise moduliert wird. Bei der Modulation befindet sich das Modulationsmittel in dem Resonator des Senders. Als in dem Resonator befindlich gelten auch an dem Ende des Resonators vorgesehene, die Strahlung im Resonator steuernde Anordnungen, z. B. die Spiegel bei den Ausführungsbeispielen der Figuren.
  • Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung betrifft eine neue, ganz andere Lösung für eine innere Modulation eines Senders, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß ein stimulierbares Medium mit quantenmechanischen Anregungsmöglichkeiten stimulierter Übergänge zwischen je zwei Energiestufen vorliegt, von denen der eine Übergang einer gewünschten stimulierten Nutzstrahlung und der andere einer im Betrieb des optischen Verstärkers oder Senders zusätzlich erzeugten Strahlung entspricht und bei dem die im optischen Resonator auftretende Intensität der zusätzlichen Strahlung die Umbesetzung beeinflußt, von der die Intensität der Nutzstrahlung abhängt und daß ein im optischen Resonator wirksames Steuer- bzw. Modulationsmittel vorgesehen ist, das so bemessen ist, daß es die Intensität der zusätzlichen Strahlung zu steuern vermag.
  • Die physikalischen Grundlagen der Erfindung sollen der Einfachheit halber zunächst in dem speziellen Beispiel eines Helium-Neon-Senders erläutert werden.
  • In einem Helium-Neon-Sender, der zur Erzeugung oder Verstärkung von Strahlung der Wellenlänge 0,63 pm, einer sichtbaren Strahlung, als Nutzstrahlung vorgesehen ist, kann zusätzlich, sich ebenfalls durch stimulierte Emission verstärkend, Ultrarot-Strahlung der Wellenlänge 3,39 [tm auftreten. Diese beiden Strahlungen entsprechen Übergängen, die beide von dem gleichen oberen Energieniveau ausgehen. Die Intensität der im Neongas erzeugten und verstärkten Ultrarot-Strahlung beeinflußt die Umbesetzung der Energieniveaus des zu stimulierenden Überganges der sichtbaren Strahlung. Die Intensität der Strahlung einer durch stimulierte Emission erzeugten und verstärkten Linie hängt aber bekanntlich von der Höhe der Umbesetzung von Anfangslind Endniveau ihres Überganges ab.
  • In der F i g. 1 ist ein Ausschnitt des Termschemas des Neons dargestellt. 101 ist der Übergang. vom Energieniveau 3 S2, bezeichnet mit 102, zum Energieniveau 2P4, bezeichnet mit 103, der die sichtbare Strahlung liefert. Der Übergang 104 vom Niveau 102 zum Niveau 105 ist der Übergang, der die zusätzliche Strahlung erzeugt. 106 ist ein 1S-Zustand.
  • Das Auftreten einer zusätzlich zur Nutzstrahlung durch stimulierte Emission verstärkten Strahlung wurde bisher als sehr störend empfunden und nach Möglichkeit unterdrückt. Die Erfindung dagegen bedient sich gerade des Auftretens dieser zusätzlichen Strahlung, um eine Modulation der gewünschten Nutzstrahlung durchzuführen, hier der Strahlung der Wellenlänge 0,63 j,m, und zwar durch Steuerung der Intensität der zusätzlich auftretenden Strahlung, hier derjenigen der Wellenlänge 3,39 im.
  • Die erfindungsgemäße Steuerung der Intensität einer Linie durch die Modulation der Intensität einer anderen in dem Medium zusätzlich erzeugten stimulierten Linie durch Beeinflussung der Umbesetzung, von der die Intensität der Strahlung der zu modulierenden Linie, d. h. der Nutzstrahlung, abhängt; ist nicht auf das Beispiel Neon im Helium-Neon-Sender beschränkt. Als erfindungsgemäß zu verwendende Medien kommen allgemein alle Stoffe in Frage, die zur Erzeugung kohärenter, elektromagnetischerStrahlung nach dem Prinzip der stimulierten Emission verwendbar sind, und bei denen die Beeinflussung der Umbesetzung des gewünschten, die Nutzstrahlung liefernden Überganges durch einen weiteren Übergang, dessen Strahlung zusätzlich in dem Resonator durch stimulierte Emission verstärkt werden kann, möglich ist. Diese Beeinflussung tritt nicht nur dann ein, wenn der Übergang der Nutzstrahlung und der der zusätzlich auftretenden Strahlung, wie bei dem speziellen Beispiel Neon, vom gleichen Anfangsniveau ausgehen, sondern auch, wenn die Endniveaus oder auch das Anfangsniveau des einen Überganges mit dem Endniveau des anderen Überganges oder umgekehrt übereinstimmen. Dabei sind aber zwei nicht gleiche Niveaus noch als übereinstimmend zu bewerten, wenn sie zwar nicht genau gleich sind, aber eine hohe Übergangswahrscheinlichkeit untereinander besitzen, d. h. in ihrer Besetzung, z. B. durch Energieaustausch mit dem Gitter des Mediums, einen Ausgleich erfahren, der wesentlich intensiver ist als die Besetzungsänderung eines der beiden Niveaus durch die Übergänge, die die Strahlung erzeugen. Diese Art der Übereinstimmung von zwei einzelnen Niveaus findet man vorzugsweise bei energetisch eng benachbarten, nur um Energiebeträge von etwa kT unterschiedlichen Niveaus.
  • Unter einem Niveau ist jeweils die Gesamtheit der Terme zu verstehen, die als Ausgangs- bzw. als Endzustand eines Überganges in Frage kommen.
  • Als Mittel zur Modulation der Intensität der in der Resonatoranordnung durch stimulierte Emission verstärkten zusätzlichen Strahlung kann z. B: wenigstens ein Interferenz-Spiegel verwendet werden, der für die zusätzliche Strahlung ein modulierbar frequenzabhängiges Reflexionsvermögen besitzt und an Stelle eines der Spiegel des Resonators angeordnet ist. Beispiel eines derartigen Interferenz-Spiegels ist ein Fabry-Perrot-Interferometer, bestehend aus zwei im Abstand voneinander angeordneten, teildurchlässigen Reflexionsflächen, deren optischer Abstand modulierbar veränderlich ist und zwischen denen sich z. B. ein Medium mit modulierbarem Brechungsindex befindet. Einzelheiten für den Aufbau .eines derartigen Interferenz-Spiegels ergeben sich aus den noch folgenden Ausführungsbeispielen, bei denen die optische Weglänge im Resonator abgestimmt wird. Zur Steuerung zwischen Maximum und Minimum des Reflexionsvermögens reicht eine optische Weg-Längenänderung von einem Viertel der Wellenlänge der zusätzlichen Strahlung aus.
  • Unter Oszillation von Strahlung ist die Ausbildung eines Strahlungsfeldes stehender Wellen im Resonator zu verstehen.
  • Bei einem Sender mit einer Resonatoranordnung, die einander benachbarte Eigenwerte besitzt, deren Abstände voneinander im Bereich der Frequenz der zusätzlichen Linie größer als die Halbwertbreite dieser Linie sind, läßt sich die erfindungsgemäße Modulation besonders vorteilhaft durchführen, wenn man als Mittel zur Modulation der Intensität der in der Resonatoranordnung auftretenden Strahlung der zusätzlichen Linie gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung Mittel zur Verschiebung der Lage der Eigenfrequenzen der Resonatoranordnung im Bereich der Linie der zusätzlichen Strahlung verwendet. Diese bevorzugte, spezielle Art der Modulation der Intensität der zusätzlichen Strahlung sowie spezielle Beispiele solcher Mittel werden noch im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
  • Diese spezielle Ausführungsform der Erfindung beruht auf der beim Helium-Neon-Sender gemachten Feststellung, daß die Strahlung der Wellenlänge 0,63 R,m besonders hohe Intensität hat, wenn der Resonator so ausgebildet ist, daß die Intensität der auftretenden Ultrarot-Strahlung möglichst klein gehalten wird, insbesondere, wenn er so abgestimmt ist, daß die Frequenz der Ultrarot-Strahlung gerade zwischen die Eigenfrequenzen des Resonators fällt, so daß keine Oszillation der Ultrarot-Strahlung im Resonator auftritt. Untersuchungen hatten ergeben, daß die Linienbreite der Ultrarot-Strahlung so schmal ist, daß es nach den folgenden Ausführungen ohne weiteres möglich ist, Werte für die optische Länge des Resonators des Senders anzugeben, bei denen die Eigenfrequenzen des Resonators in der Größenordnung der Frequenz der Ultrarot-Strahlung außerhalb oder doch zumindest -im wesentlichen außerhalb der Linie der Ultrarot-Strahlung liegen. Was darunter zu verstehen ist, läßt sich klarer an Hand der F i g. 2 erklären.
  • In der F i g. 2 stellt 1 die Intensitätsverteilung der Ultrarot-Strahlung, aufgetragen über einem als Abszisse 2 dargestellten Frequenzbereich in der Umgebung dieser Linie dar. Die Striche 3, 4, 5 und 6 deuten eine Anzahl benachbarter Eigenfrequenzen ; des Resonators in einer möglichen Verteilung an. Der Abstand dieser Eigenfrequenzen voneinander ist, wie bekannt, durch die gesamte optische Weglänge in dem Resonator gegeben. Je größer die optische Weglänge im Resonator ist, um so kleiner wird der Ab- ; stand der Eigenfrequenzen voneinander. Wie aus dem bisher Gesagten zu ersehen, darf der Resonator daher keine allzu große optische Weglänge haben, wenn man - wie erfindungsgemäß vorgesehen -erreichen will, daß der Resonator so abgestimmt werden kann, daß die Linie der Ultrarot-Strahlung zumindest mit dem Frequenzbereich, in dem ihre Intensitätsverteilung hohe Werte aufweist, nicht zwangläufig mit Werten der Eigenfrequenzen des Resonators zusammenfällt. Hier die Länge des Reso- t nators -erfindungsgemäß zu beschränken, empfiehlt sich im übrigen auch mit Rücksicht auf die Erreichung hoher Grenzfrequenzen der inneren Modulation, obwohl dem die bekannte Tatsache gegenübersteht, daß die Verstärkung bei verringerter Länge abnimmt und vielfach sogar zur Oszillation unzureichend wird.
  • Die Eigenfrequenzen des Resonators ergeben sich folgendermaßen: In einem Resonator, in dem die Strahlung umläuft oder hin und her läuft, können sich bekanntlich nur für Strahlung ganz bestimmter Frequenzen stehende Wellen in dem Resonator ausbilden. Diese Frequenzen sind die erwähnten Eigenfrequenzen.
  • Die wie oben angegebene, spezielle Abstimmung des Resonators hat auf die Ausbildung der stehenden Wellen der gewünschten sichtbaren Strahlung des Helium-Neon-Senders keinen nennenswerten Einfluß, da der Wellenlängenunterschied der ultraroten und der sichtbaren Strahlen - bei etwa gleicher relativer Linienbreite - vorteilhafterweise groß ist, so daß stets mehrere axiale Eigenschwingungen der sichtbaren Strahlung, wie oben gefordert, auftreten. Derartige stehende Wellen treten im übrigen bekanntlich auch bei dem Interferenzspiegel auf. Aus dem bisher Erläuterten erkennt man überdies, daß es nicht unbedingt notwendig ist, daß die Eigenfrequenzen des Resonators streng außerhalb des Frequenzbereiches der ultraroten Linie liegen, sondern es genügt, wie dies aus der F i g. 2 hervorgeht, wenn die Eigenfrequenzen wenigstens im äußeren Bereich der Flanken der Ultrarot-Linie liegen, so daß höchstens eine nur schwache Oszillation der Ultrarot-Strahlung, d. h. nur geringe Verstärkung ihrer Intensität pro Umlauf auftreten kann.
  • Diese spezielle erfindungsgemäße Modulation wird nun, wie im folgenden beschrieben, durchgeführt. Durch eine Veränderung der optischen Weglänge des Resonators können die Eigenfrequenzen des Resonators in ihrer Lage 3, 4, 5 und 6 in der F i g. 2, bezogen auf die Frequenzlage der Ultrarot-Strahlung, so verschoben werden, däß sie in die gestrichelt dargestellten Eigenfrequenzen 7, 8, 9, 10 oder 8, 9, 10 und 11 übergehen, je nachdem, ob die Weglänge im Resonator verkleinert oder vergrößert wird. Für die in der F i g. 2 angegebene Verschiebung ist eine Änderung der optischen Weglänge für einen Umlauf der Ultrarot-Strahlung von nur einer halben Wellenlänge der Ultrarot-Strahlung notwendig. Für den Fall, daß es sich um einen Resonator handelt, in dem die Strahlung mit auf gleichem Wege zwischen zwei Reflektoren, wie z. B. bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 3 bis 7, hin und her läuft, beträgt die für die obige Verschiebung der Eigenfrequenzen erforderliche Änderung des als optischer Weg wirksamen Abstandes zwischen den Reflektoren, wie leicht einzusehen, sogar nur ein Viertel der Wellenlänge der zusätzlichen Strahlung.
  • Ist der Resonator des Senders jedoch so lang, daß die Abstände der Eigenfrequenzen für die Abstimmung zu klein werden, empfiehlt sich die Verwendung des oben beschriebenen Interferenz-Spiegels Die in der F i g. 2 angegebene Verschiebung entspricht bereits einer vollständigen Modulation der gewünschten Strahlung 0,63 #tm vom Maximalwert, bei dem die Ultrarot-Oszillation entsprechend der Lage 3, 4, 5 und 6 der Eigenfrequenzen unterdrückt wird, bis zum Minimalwert entsprechend der Lage 7, 8, 9, 10 oder der Lage 8, 9, 10, 11, bei der die gewünschte Strahlung durch die Ultrarot-Oszillation maximal geschwächt wird. Das an Hand des speziellen Beispiels des Helium-Neon-Senders beschriebene Modulationsverfahrenmit Mitteln zur modulierbaren Veränderung der optischen Weglänge des Resonators läßt sich auch bei Sendern mit anderen stimulierbaren Medien, z. B. auch bei als Festkörper-»Masern«, bekannten Anordnungen mit der gleichen Wirkung anwenden. Voraussetzung dafür ist, daß in dem Resonator die Oszillation einer weiteren Strahlung je nach Abstimmung des Resonators auftreten oder unterdrückt werden kann, wodurch die Umbesetzung der Niveaus, die zu dem stimulierten übergang der gewünschten Strahlung gehören, wie oben beschrieben, beeinflußt werden können. Wie aus der bisherigen Beschreibung zu ersehen ist, muß im allgemeinen die Strahlung der zusätzlichen Oszillation um ein Mehrfaches langwelliger sein als die Nutzstrahlung.
  • Der Resonator muß zur Durchführung der Modulation durch Veränderung der Abstimmung des Resonators mit Reflexionsanordnungen versehen sein, die für die Strahlung von zwei verschiedenen Linien mit verschiedenen Frequenzen reflektierend wirken. Bei dem obengenannten Helium-Neon-Sender verwendet man zweckmäßigerweise Interferenzspiegel als Reflexionsanordnungen, und damit die Ausbildung von Oszillationen der zusätzlichen Ultrarot-Strahlung nicht generell unterbunden wird, werden im Strahlengang im Resonator nur Quarzplatten an Stelle von z. B. Glasplatten als Verschlüsse 23, 24 des Gefäßes 21 für das Gasgemisch verwendet.
  • Der besondere Vorteil dieses Verfahrens der Modulation durch Abstimmung der optischen Weglänge des Resonators bzw. des Interferenz-Spiegels ist der, daß bereits mit sehr geringen Änderungen der optischen Weglänge im Resonator eine große Intensitätsänderung der gewünschten Strahlung erzielt werden kann. Dieser Vorteil fällt besonders stark ins Gewicht, wenn man mit hohen Frequenzen modulieren will. Bekanntlich macht es Schwierigkeiten, große Änderungen der optischen Weglänge, z. B. durch mechanische Auslenkungen eines der Spiegel des Resonators, zu erreichen (F i g. 6 und 7). Bekanntlich nimmt z. B. bei einem mechanischen Schwinger bei gleicher Leistung die Amplitude der Auslenkung mit der Frequenz der mechanischen Schwingung ab.
  • Weitere Einzelheiten spezieller Ausbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung gehen aus den im folgenden beschriebenen, besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.
  • In der F i g. 3 ist 21 ein Gefäß, in dem das besagte stimulierbare Medium, z. B. ein Helium-Neon-Gasgemisch, enthalten ist. Im Falle eines stimulierten Festkörpermaterials ist 21 der Körper selbst. Für den Fall, daß das Medium nicht wie z. B. bei dem Helium Neon Gemisch durch eine in ihm erzeugte Gasentladung angeregt werden kann, wird die zur Umbesetzung der Terme nötige Energie, wie bekannt, mittels einer dafür vorgesehenen Gasentladungslampe 22 zugeführt. Zweckmäßigerweise wer- i den dann 21 und 22 in einem der übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Reflektor mit elliptischem Querschnitt, wie bekannt, angeordnet. 21 besitzt für die Nutzstrahlung und für die zusätzliche Strahlung durchlässige Endflächen 22, 24. 23 und 24 werden zweckmäßigerweise, insbesondere in dem Falle, in dem linear polarisierte Nutzstrahlung erzeugt werden soll, im Brewster-Winkel für die Strahlung angeordnet. Wie bekannt, hat die Anordnung der optischen Grenzflächen im Brewster-Winkel den Vorteil, daß die Reflexionsverluste an diesen Grenzflächen für linear polarisierte Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung vernachlässigbar klein sind. 25 und 26 sind Anordnungen, die für beide Strahlungen reflektierend wirken.
  • In den Strahlengang 27 der im Resonator verlaufenden Strahlungen wird erfindungsgemäß das Mittel 28 zur Variation der Länge des optischen Weges im Resonator, hier zur Variation der optischen Weglänge zwischen 25 und 26, angeordnet. Dieses Mittel 28 kann bei der gleichen erfindungsgemäßen Wirkung auf den Sender verschieden ausgeführt sein. 28 kann beispielsweise ein Gefäß sein, wie dies aus dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 näher hervorgeht, das ein für die Strahlung durchlässiges Gas enthält, dessen Druck verändert wird. Bekanntlich ist die optische Weglänge in einem Gas abhängig von dessen Dichte. Für das Mittel 28 eignet sich z. B. auch eine Küvette, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die einen elektrisch oder magnetisch modulierbaren Brechungsindex hat, z. B. Nitrobenzol oder Schwefelkohlenstoff. Als Mittel 28 kann des weiteren auch ein fester Körper mit elektrisch oder magnetisch modulierbarem Brechungsindex, z. B. Kupfer(I)-chlorid oder Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), verwendet werden. Es ist häufig zweckmäßig, die von der Strahlung durchsetzten Endflächen 29,30 im Brewster-Winkel anzuordnen, da auf diese Weise, wie oben erwähnt, die Reflexionsverluste im Resonator bei linear polarisierter Strahlung besonders klein gehalten werden können. Die Verluste im Resonator klein zu halten, ist insbesondere bei Sendern mit gasförmigem Medium wichtig, da diese relativ geringe Verstärkung haben. 271 ist die aus dem Sender moduliert austretende Nutzstrahlung.
  • In F i g. 4 ist 281 ein Gefäß, das zur Aufnahme eines Gases mit den wie oben beschriebenen Eigenschaften dient. Mittels der Pumpe 301 wird das zur Variation der optischen Weglänge dienende Gas durch die Gaszuführungsleitung 302 und 303 aus dem Vorratsgefäß 304 in 281 herein- oder herausgepumpt, je nach gewünschter Druckveränderung des Gases in 281. 305 ist die Quelle der elektrischen Modulationsspannung, die durch die Zuführungsleitungen 306 und 307 der Pumpe 301 zur Steuerung derselben zugeführt wird. Anstatt ein zusätzliches Mittel wie 28 mit einer Gasfüllung modulierbarer Dichte, wie in F i g. 4, vorzusehen, kann bei einem Sender mit gasförmigem Medium zur Variation der optischen Weglänge im Resonator der Gasdruck des Gases selbst, d. h. der Druck in dem Gefäß 21, modulierbar verändert werden. Die Teile 301 bis 307 sind dann zusammen mit 21 die erfindungsgemäßen Mittel zur Variation der optischen Weglänge, die sinngemäß anzuordnen sind.
  • Die F i g. 5 stellt eine Ausführungsform dar, bei der das Mittel 28 durch eine mit einer wie oben bezeichneten Flüssigkeit, z. B. Nitrobenzol, gefüllte Küvette 283 realisiert wird. Die Küvette 283 wird beispielsweise auf den Flächen, durch die die Strahlung 27 hindurchtritt, mit den für diesen Fall für die Strahlung durchlässigen Elektroden 331, 332 versehen. 333 ist die Quelle der elektrischen Modulationsspannung, die mit den Zuführungsleitungen 334 und 335 den Elektroden zugeführt wird. Das bei diesem Beispiel in longitudinaler Richtung auf die Flüssigkeit einwirkende elektrische Feld verursacht eine von der Amplitude der elektrischen Feldstärke abhängige Änderung des Brechungsindizes. Man kann das elektrische Feld auch in zur Strahlung 27 transversaler Richtung vorsehen.
  • Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform des Beispiels der F i g. 5 ist 283 ein Kupfer(I)-chlorid-oder KDP-Kristall. Je nach Orientierung des Kristalls kann das der Modulation dienende Feld longitudinal oder transversal, bezogen auf die Richtung der durch den Kristall hindurchtretenden Strahlung, an diesen angelegt werden. In unserem speziellen Ausführungsbeispiel ist das elektrische Feld in longitudinaler Richtung parallel zur kristallographischen Z-Achse in dem Kristall angelegt. Um eine Modulation der Strahlung 27 durch das angelegte Feld zu bewirken, wird der Kristall, z. B. bei KDP, so ausgerichtet, daß eine der Winkelhalbierenden zwischen der kristallographischen X- und Y-Achse in der Polarisationsebene von 27 liegt.
  • In vielen Fällen ist das Einschalten eines zusätzlichen Bauteils 28 in dem Resonator eines Senders, insbesondere eines Senders mit gasförmigem Medium nicht erwünscht, da durch die zusätzlich auftretenden Verluste, Reflexionsverluste an optischen Grenzflächen und Absorptionsverluste im Innern des Bauteils, der Resonator zu stark gedämpft wird. Eine dementsprechend besonders zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung stellt die F i g. 6 dar, bei der die Variation der optischen Weglänge im Resonator durch Veränderung des Abstandes der Reflexionsflächen durchgeführt wird. 251 und 261 sind Reflexionsflächen, die in ihren Eigenschaften im wesentlichen 25 und 26 entsprechen, d. h. für die Strahlung beider Frequenzen gut reflektierend sind. Die zur erfindungsgemäßen Modulation erford,erliche Abstandsveränderung zwischen 251 und 261 wird in dem speziellen Ausführungsbeispiel der F i g. 6 durch Längenveränderung eines piezoelektrischen Körpers 47 erzeugt, der sich zwischen 251 und einer festen Wand 48 befindet und mit diesen beiden Teilen fest verbunden ist. Als Stoffe für den piezoelektrischen Körper eignen sich vorzugsweise solche mit hohem elektromechanischem Kopplungsfaktor, z. B. Bariumtitanat oder Bleizirkonattitanat. Dieser piezoelektrische Körper wird mit Elektroden versehen, um in ihm ein elektrisches Feld zu erzeugen. Zweckmäßigerweise werden die Elektroden auf den Flächen, die 49 und 50 angibt, angeordnet, so daß das elektrische Feld in Bewegungsrichtung im Körper 47 ausgerichtet ist. Unter Umständen kann die metallische Reflexionsfläche 251 und die feste Wand 48 unmittelbar, sofern die beiden genügend hohe Leitfähigkeit haben, als Elektrode, wie in unserem Beispiel, verwendet werden. Mittels der Zuführungsleitungen 51, 52 wird die elektrische Spannung der Quelle des Modulationssignals 53 an die Elektroden angelegt. Entsprechend der in 47 wirkenden elektrischen Feldstärke erfährt der Körper Längenveränderungen, die sich auf den Resonator als Änderungen i der optischen Weglänge der in ihm verlaufenden Strahlung auswirken. Wie schon oben erwähnt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die Strahlung, wie 27 andeutet, auf dem gleichen Weg im Resonator hin und her verläuft, für eine voll- t ständige Durchmodulation des Senders eine Längenveränderung des piezoelektrischen Körpers von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Ultrarot-Strahlung, d. h. von weniger als 1 f,m notwendig.
  • Bei nur geringer Modulationsbandbreite empfiehlt es sich, den piezoelektrischen Körper -- wie bekannt - als Resonanzschwinger auszubilden und anzuordnen. In diesem Fall wird er am günstigsten in dem Knoten seiner Fundamentalschwingung gehaltert. F i g. 7 stellt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel dar, bei dem als Mittel zur Variation der Länge des optischen Weges ein wie oben beschriebener Schwinger 65 verwendet wird. Der Schwinger 65 ist auf der einen Seite mit dem Reflektor 251 versehen. 65 wird wie angegeben durch die Halterungen 66, 67 in seiner Lage befestigt. Bei diesem Aus-; führungsbeispiel empfiehlt es sich, die Elektroden anders als in F i g. 6 anzuordnen. Als Elektroden werden die Flächen 68, 69 von 65 metallisiert, an denen 66 und 67 befestigt sind. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses durch 251 ist der Reflektor isoliert auf dem Körper aufzubringen. 311 und 321 sind Zuführungsleitungen zwischen den Elektroden und 53. Die übrigen, nicht speziell aufgeführten Teile entsprechen denen der F i g. 6. An Stelle eines piezoelektrischen Körpers können auch ein magnetostriktiver oder andere elektromechanische oder magnetomechanische Wandler, häufiger auch als »transducer« bezeichnet, verwendet werden, sofern sie bei gegebenerModulations-Signalleistung genügend große Auslenkungen bei den gewünschten Frequenzen ermöglichen.

Claims (16)

  1. Patentansprüche: 1. Optischer Verstärker oder Sender (Laser) für innere Steuerung bzw. Modulation der Amplitude seiner stimulierten Strahlung mit einem optischen Resonator, der mehrere axiale Eigenschwingungen der stimulierten Strahlung zuläßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein stimulierbares Medium mit quantenmechanischen Anregungsmöglichkeiten stimulierter übergänge zwischen je zwei Energiestufen vorliegt, von denen der eine Übergang einer gewünschten stimulierten Nutzstrahlung (27; 271) und der andere einer im Betrieb des optischen Verstärkers oder Senders zusätzlich erzeugten Strahlung entspricht und bei dem die im optischen Resonator (25-26; 251 bis 261) auftretende Intensität der zusätzlichen Strahlung die Umbesetzung beeinflußt, von der die Intensität der Nutzstrahlung abhängt und daß ein im optischen Resonator wirksames Steuer- bzw. Modulationsmittel vorgesehen ist, das so bemessen ist, daß es die Intensität der zusätzlichen Strahlung zu steuern vermag.
  2. 2. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium Neongas, vorzugsweise in einem Helium-Neon-Gasgemisch, ist.
  3. 3. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Neongas stimulierte Nutzstrahlung die Wellenlänge 0,63 I,m und die zusätzliche Strahlung die Wellenlänge 3,39 #tm hat.
  4. 4. Optischer Verstärker oder Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Begrenzungsspiegel des optischen Resonators als Interferenzspiegel ausgebildet ist und für Frequenzen im Bereich der zusätzlichen Strahlung ein steuerbar frequenzabhängiges Reflexionsvermögen aufweist.
  5. 5. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur steuerbaren Veränderung des Reflexionsvermögens des Interferenzspiegels dieser im Strahlengang ein Mittel zur steuerbaren Variation der Länge des optischen Weges für einen Hin- und Herlauf der in dem Interferenzspiegel verlaufenden zusätzlichen Strahlung enthält.
  6. 6. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Reflexionsvermögens des Interferenzspiegels der Abstand der Reflexionsflächen des Interferenzspiegels steuerbar veränderlich ist.
  7. 7. Optischer Verstärker oder Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen optischen Resonator, der Eigenfrequenzen besitzt, deren Abstand voneinander im Bereich der Frequenz der zusätzlichen Linie größer als die Halbwertbreite dieser Linie ist. B.
  8. Optischer Verstärker oder Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Intensität der im optischen Resonator auftretenden zusätzlichen Strahlung Mittel zur Verschiebung der Lage der Eigenfrequenzen des optischen Resonators im Frequenzbereich der zusätzlichen Strahlung sind.
  9. 9. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Variation der Lage der Eigenfrequenzen des optischen Resonators ein Mittel (28) vorgesehen ist, durch das die Länge des optischen Weges für einen Hin und Herlauf der im optischen Resonator verlaufenden Strahlung modulierbar ist.
  10. 10. Optischer Verstärker oder Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (301 bis 307) vorgesehen sind, durch die die Dichte des stimulierbaren gasförmigen Mediums im Gefäß (21) entsprechend der Steuerung veränderbar ist.
  11. 11. Optischer Verstärker oder Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Resonator (25,26) zusätzlich ein Gefäß (281) vorgesehen ist, in dem die Gasdichte entsprechend der Steuerung veränderbar ist.
  12. 12. Optischer Verstärker oder Sender nach einem der Ansprüche 5, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel ein optisches Medium (283) mit für die im optischen Resonator oder im Interferenzspiegel verlaufende Strahlung elektrisch oder magnetisch steuerbarem Brechungsindex vorgesehen ist.
  13. 13. Optischer Verstärker oder Sender nach Ansprach 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Medium (283) ein elektrooptisch wirksamer Kristall ist.
  14. 14. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptisch wirksame Kristall ein Kupfer(I)-chlorid-Einkristall ist.
  15. 15. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Weglängenänderung des optischen Weges im optischen Resonator Mittel (47, 65) vorgesehen sind, durch die der Abstand der Reflexionsanordnungen (251, 261) des optischen Resonators voneinander steuerbar veränderlich ist.
  16. 16. Optischer Verstärker oder Sender nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Abstandes der Reflexionsanordnungen voneinander ein elektromechanischer Wandler (47, 65) vorgesehen ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1340840A (fr) * 1962-06-29 1963-10-25 Csf Dispositif d'émission d'un faisceau de lumière à commande électronique de direction

Patent Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1340840A (fr) * 1962-06-29 1963-10-25 Csf Dispositif d'émission d'un faisceau de lumière à commande électronique de direction

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JPS5011237B1 (de) 1975-04-28

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