DE1295109B

DE1295109B - Stimulierbares Festkoerpermedium fuer optische Sender oder Verstaerker (Laser)

Info

Publication number: DE1295109B
Application number: DE1962A0041462
Authority: DE
Inventors: Snitzer Elias
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1961-10-27
Filing date: 1962-10-24
Publication date: 1969-05-14
Also published as: GB1015057A; NL284736A; DE1295109C2; NL137422C; BE692537A

Description

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Unter optischen Sendern oder Verstärkern werden folgenden Ionengruppen dient: Cer³⁺, Praseodym³+,

Einrichtungen für die Erzeugung, Verstärkung, Neodym³+, Samarium²+, Samarium³+," Europium²+,

Modulation, Demodulation, Frequenzwandlung, Fre- Europium³+, Terbium³+, Dyprosium³+, Holmium³+,

quenzstabilisierung phasenkohärenter elektromagne- Erbium³+, Thulium³+, Ytterbium³+, Uran³+, und

tischer Wellen im optischen Bereich unter Aus- 5 zwar entweder allein oder in Kombination mit einem

nutzung der Resonanzauslösung überbesetzt ange- Ion oder mehreren Ionen dieser Gruppe,

regier Quantenzustände mit optischen Mitteln ver- Bei Verwendung von Neodym³+ als Aktivatorion

standen. wird das Neodym vorzugsweise in einer Menge von

Für die Erzeugung kohärenter Lichtstrahlung wer- ungefähr 2 Gewichtsprozent seines Oxyds in Bariumden meistens Ionen, die metastabile Anregungs- io kronglas eingebettet verwendet, zustände aufweisen, verwendet. Es werden zu diesem Die erfindungsgemäßen stimulierbaren Festkörper-Zweck in dem stimulierbaren Medium durch ent- medien finden zweckmäßigerweise in Stabform Ansprechende Energiezufuhr, beispielsweise in Form Wendung.

von Lichteinstrahlung (Anregungsstrahlung) eine Es ist offensichtlich, daß die Herstellung von Glas-Vielzahl von Ionen auf einen höher energetischen 15 stäben sehr viel einfacher ist als die Herstellung ent-Zustand niedrigerer Energie den gleichzeitigen Über- sprechender stabförmiger Kristallkörper, beispielsgang eines seiner angeregten Elektronen in einen weise stabförmiger Rubine. Dies wirkt sich insbeson-Zustand niedriger Energie den gleichzeitigen Über- dere aus, wenn es sich um Stäbe größeren Durchgang vieler entsprechender Elektronen der im meta- messers oder faserförmiges, flexibles Fasermaterial stabilen Zustand angeregter Ionen auslöst, ein Vor- ao handelt.

gang, der als »Stimulation« bezeichnet wird. Es sind Bei einem stimulierbaren Festkörpermedium gegasförmige, z. B. ein Helium-Neon-Gemisch auf- maß der Erfindung kann das Aktivatorion in einer weisende optische Sender oder Verstärker bekannt, Menge von 0,01 bis 30 Gewichtsprozent in dem anbei denen die Neonkomponente den in einem meta- organischen oder organischen Glas eingebaut sein, stabilen Zustand anregungsfähigen eigentlich stimu- 35 Die Ausdrücke »Glas« und »glasartiger Stoff« werlierbaren Anteil des Gasgemisches bildet. Es sind den in der vorliegenden Beschreibung im allgeauch aus Kristallen bestehende Festkörpermedien meineren Sinne gebraucht, d. h., sie umfassen sowohl bekannt, z. B. Rubin, bei denen ein in das Kristall- organische als auch anorganische isotrope klarsichgitter eingebautes Aktivatorion, nämlich Cr³⁺, das zu. tige Hartstoffe von plastikartiger Beschaffenheit mit einem metastabilen Zustand anregungsfähige optische 30 einer nichtperiodischen Atomstruktur, zum Unter-Schwingungssystem bildet. Die Fähigkeit der phasen- schied von Stoffen, deren Atome in einem regelgleichen Resonanz bewirkt die Stimulation der mäßigen periodischen Kristallgefüge angeordnet sind, Aktivatorionen zur Strahlungsabgabe und liefert so und es sind darunter nicht nur die im Handel erhälteine phasenkohärente optische Strahlung, die wegen liehen anorganischen Gläser, wie z. B. Natronkalkihrer Phasenkohärenz in hervorragender Weise 35 glas, Bariumkronglas, Flintglas, Bleiglas, Arsentrisuloptisch ausnutzbar ist. fidglas, sondern auch bestimmte im Handel erhältliche

Es wurden bisher keine Versuche unternommen, Kunststoffe, Glyzerin und andere entglaste oder vernichtkristalline Festkörpermedien, insbesondere Glä- steinte Zuckerstoffe sowie Gemische aus organischen ser, als stimulierbare Medien für optische Sender und Lösungen, die beim Abkühlen klare Gläser ergeben, Verstärker zu benutzen. Man ging von der Annahme 40 wie beispielsweise Äther, Isopentan und Alkohol aus, daß als stimulierbare Medien sich nur Festkörper (E. P. A.), verstanden.

eignen könnten, die hochresonante Fluoreszenz- Es wurde gefunden, daß, wenn man einen geeig-

spektren liefern, d. h. Fluoreszenzspektren mit eng- neten Aktivator, beispielsweise bestimmte Elemente

begrenzten Fluoreszenz-Resonanzlinien. aus der Gruppe der Seltenen Erden oder andere spe-

Es war allgemein bekannt, daß Fluoreszenz- 45 zielle Stoffe, mit einem derartigen Glas vereinigt und

Zentren enthaltende Glase dieses Verhalten nicht in der nachstehend beschriebenen Weise verwendet,

zeigen. vorteilhafte Ergebnisse bezüglich der Lichterzeugung

Theoretische Überlegungen über die Aktivierungs- und der damit zusammenhängenden Lichtverstärkung

möglichkeit eines Tb-aMvierten Boraxglases führten erhalten werden. Der Ausdruck »Licht« soll im vor-

daher zu dem Ergebnis, daß es unter Anwendung 5° liegenden Falle den optischen Wellenlängenbereich

der zur Verfügung stehenden optischen Lichtquellen elektromagnetischer Wellen von etwa 2 · ΙΟ³ Α bis

nicht möglich sein würde, einen praktisch ausnutz- etwa 1 mm umfassen.

baren Anregungszustand bei Terbium von hinreichen- Beispielsweise können aus Glas gebildete Medien

der Lebensdauer zu erzeugen. nach vielen verschiedenartigen bekannten Methoden

Eigene Untersuchungen haben überraschender- 55 vermischt und verarbeitet oder verformt werden, weise zu dem Ergebnis^ geführt, daß das vorstehend Ferner lassen sich diese neuartigen Glasmedien zu erörterte Vorurteil nicht begründet ist und daß dünnen, langen Stäben oder Fasern verformen und dotierte stimulierbare Festkörpermedien nicht unbe- dabei ohne Schwierigkeit in ihrer Dicke und Querdingt kristallin sein müssen. schnittsform genau herstellen, oder sie können zu

Ein stimulierbares Festkörpermedium für optische 6° bevorzugten optischen Resonatoren od. dgl. gepreßt Sender oder Verstärker (Laser), bestehend aus einem oder verformt werden, wodurch man zahlreiche neudotierten, transparenten^ dielektrischen Stab, ist ge- artige Resultate und Vorteile, die im einzelnen später maß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das beschrieben werden und mit keinem der bisher be-Festkörpermedium ein organisches oder anorga- kannten Kristallmedium möglich waren, erhalten kann, nisches Glas in nicht kristallinem glasigem Zustand 65 Im Rahmen derErfindung bildet das Glas zugleich ist und mindestens ein Aktivatorin eingebaut enthält. das Medium für den optischen Resonator und verhilft

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zu einem hohen Gütewert β für die stimulierten

besteht darin, daß als Aktivator ein Ion der nach- Schwingungen.

3 4

Es wird femer ein aus Glas hergestellter optischer dickeren Hülle 28 aus gewöhnlichem handels-Verstärker angegeben, der als optischer Relaisver- üblichem Natronkalkkronglas, das eine kleinere stärker für ein optisches Nachrichtenübermittlungs- Brechungszahl als das die Faser 26 bildende Bariumsystem geeignet ist. kronglas hat, angeordnet. Es können auch Glasstäbe

Weiter beschreibt die Erfindung einen aus Glas 5 ohne die Umkleidung 28 verwendet werden,
hergestellten optischen Verstärker, der Breitband- Eine umhüllte Faser dieser Art kann nach der in eigenschaften für Signale im optischen Bereich des der USA. - Patentschrift 2 992 517 beschriebenen Spektrums hat. Methode durch Walzen hergestellt werden. Der Glas-Weitere Anwendungen und Merkmale der Erfin- stab 12 kann auch gemäß der USA.-Patentschrift dung ergeben sich aus der nachstehenden Beschrei- io 2 980 957 derart hergestellt werden, daß in ein Hohlbung in Verbindung mit den Figuren. Von den rohr aus dem Hüllglas ein Massivstab aus dem Figuren zeigt dotierten Glas eingeführt und eingeschmolzen und

F i g. 1 eine zum Teil quergeschnittene schema- ausgezogen wird.

tische Darstellung eines optischen Senders oder Ver- Um stimulierte Schwingungen in einem optischen

stärkers mit einem dotierten Glasstab, 15 Resonator zu erhalten, müssen sich stehende Wellen

F i g. 2 eine vergrößerte Teilansicht des einen ausbilden. Dies kann im wesentlichen auf dreierlei

Endes des Stabes nach Fig. 1, Weise erreicht werden.

F i g. 3 eine der F i g. 1 entsprechende Ansicht Eines dieser drei Verfahren besteht darin, daß

einer abgewandelten Ausführungsform des optischen man ein optisch homogenes stimulierbares Medium

Senders oder Verstärkers, 20 zusammen mit zwei gegeneinandergerichteten, par-

F i g. 4 eine zum Teil quergeschnittene Darstellung allel zueinander angeordneten Spiegeln, die das

eines optischen Verstärkers, stimulierbare Medium zwischen sich haben, ver-

F i g. 5 eine Ausbildung eines optischen Senders, wendet. Die darin sich ausbildenden stehenden

F i g. 6 eine teilweise im Schnitt dargestellte Wellen entsprechen annähernd ebenen Wellen, die perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungs- 25 zwischen den stirnseitigen Spiegeln vor- und zurückform des stimulierbaren Festkörpermediums, reflektiert werden. Um in einem derartigen optischen

F i g. 7 eine schematische Darstellung von Teilen Resonator eine gute Stimulation zu erhalten, muß

einer Fernmeldeleitung unter Verwendung von man mit einem hohen Grad an optischer Perfektion

optischer Strahlung als Signal und mit an bestimmten arbeiten. Dies ist schwierig zu erreichen bei Kri-

Punkten als Zwischenverstärker angeordneten opti- 30 stallen, besonders bei großen Kristallen,

sehen Verstärkern, Die weitere Methode zum Erzeugen von stehenden

F i g. 8 ein Diagramm, das als Beispiel das Fluor- Wellen beruht auf der Ausbildung einer Oberflächen-

eszenzspektrum zeigt, das mit einem optischen welle an der Grenzfläche zwischen zwei Stoffen ver-

Neodymglasverstärker erhalten wird, einmal bei sti- schiedener Brechungszahl, wobei mindestens einer

mulierter Strahlung und bei normaler Spontan- 35 dieser Stoffe mit stimulierbaren Aktivatorionen

emission, dotiert ist. Die Ausbreitungsrichtung einer derartigen

F i g. 9 ein Energieniveaudiagramm des dreiwerti- Oberflächenwelle verläuft parallel zur Grenzfläche,

gen Neodymions Vd³⁺ und der Niveaus, zwischen Der optische Resonator wird in der Weise gebildet,

denen Spontanemission auftritt, daß man die Grenzfläche mit zwei gegeneinander-

F i g. 10 ein das Absorptionsspektrum des Neo- 40 gerichteten und im wesentlichen senkrecht zur Grenz-

dymions veranschaulichendes Diagramm, fläche angeordneten Spiegeln abschließt.

Fig. 11 eine teilweise im Schnitt dargestellte per- Die dritte Methode beruht auf der Anregung be-

spektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform stimmter Eigenschwingungen oder Hohlleiterwellen

eines optischen Senders oder Verstärkers, in Fasern oder Fäden kleinen Durchmessers.

F i g. 12 eine Querschnittsansicht eines optischen 45 Geeignete Faserausbildungen für die Ausbreitung beSenders oder Verstärkers gemäß einer weiteren Aus- stimmter Eigenschwingungen sind bekannt. Diese führungsform der Erfindung, Fasergebilde bestehen auch aus einer Hülle aus Glas

F i g. 12 a eine vergrößerte Querschnittsansicht der niedriger Brechungszahl, die einen Kern aus Glas

in F i g. 12 verwendeten umhüllten Hohlfaser. hoher Brechungszahl umschließt. Indem man den

In F i g. 1 ist ein optischer Sender oder Verstärker 50 Durchmesser eines Kernes von kreisförmigem Quer-10 gezeigt mit einem stimulierbaren Medium aus schnitt entsprechend verkleinert, können die sich auseinem dünnen, langen, zylindrischen, dotierten Glas- bildenden Eigenschwingungen auf eine oder einige stab 12, um den koaxial eine wendeiförmige Gas- wenige Schwingungsformen niedriger Ordnung beentladungsblitzlampe 14 angeordnet ist. Die Gas- schränkt werden. Die Schwingungsform niedrigster entladungsblitzlampe ist von bekannter Ausbildung 55 Ordnung, d.h. die HEjj-Schwingungsform, hat keine und hat an ihren beiden Enden elektrische An- kritische Grenzfrequenz. Die kritischen oder Grenzschlüsse 16, die an eine Hochspannungsquelle 18 an- größen für die Schwingungsformen TE₀ _m, TM₀ _m, geschlossen sind. Um die Windungen der Gasent- HE,_m und EH„_m entsprechen den m-ten Wurzeln der ladungslampe 14 ist im dichten Abstand ein Leiter 20 Bessel-Funktion n-ter Ordnung, d. h.
geführt, der dazu dient, die Gasentladungslampe ge- 60

wünschtenfalls durch einen von der Zündvorrichtung /„ (u_nm) = 0, (1)
22 gelieferten Hochspannungsimpuls zu zünden.

Die Gasentladungslampe 14 und der dotierte Glas- und für die Schwingungsformen HE_nm (n > 2) erhält

stab 12 sind inmitten eines zylindrischen Hohlspiegels man den betreffenden Wert durch die Lösungen der

24 angeordnet. Der Glasstab 12 besteht aus einer 65 Gleichung:

dünnen zylindrischen Faser 26 aus einem dotierten τ r \ 2—2

Bariumkronglas. K -2W_1nJ = _(„_!) ^l ^__₅ (2)

Diese Faser26 ist zentral in einer wesentlich "nmAi-i(^Mnm) ⁿ%

5 6

wobei /Z₁ und n₂ die Brechungszahlen des Kerns bzw. von den Abmessungen des Interferometers ab. Für

der Hülle sind. Die kritischen oder Grenzgrößen eine rohe Schätzung sei angenommen, daß V= 1 cm³,

stehen ihrerseits mit den Eigenschaften des Hohl- λ=0,6μτα und JA=IO-²A. In diesem Falle ist der

Ieiters in Beziehung durch die Gleichung Anteil sämtlicher Spontanemissionen in eine Schwin-

5 gungsform ungefähr 10~⁹. Um stimulierte Schwin-

/ _a \ ι gungen einzuleiten, muß man eine Anregungsenergie

^unm — 2πΙ — Hn₁ ² — n₂ ²)² (3) zuführen, die ausreicht, um die erheblichen Verweil-

\ / zeiten der Spontanemissionen und die Bereitschaft zu

unerwünschten Schwingungsformen zu überwinden.

wobei α der Radius des Kernes und λ die Wellen- io Die Schwingungskopplung in einem dielektrischen

länge im freien Raum sind. Hohlleiter von der in F i g. 2 gezeigten Art liegt zwi-

Mit Ausnahme der Schwingungsformen mit η = 0 sehen der einen offenen Anordnung, wie z. B. eines

kann man für jede Schwingungsform eine andere Interferometers, und der einer geschlossenen Anord-

Schwingungsform mit den gleichen Ausbreitungs- nung, wie z. B. eines metallischen Hohlleiters. Ein

eigenschaften durch Drehung der Feldverteilung um 15 strahlendes Atom im Kern einer Faser kann ent-

— erhalten. Es sind daher sämtliche Schwingungs- ^we, ^e^ ^{m eme} ^^e ^¹¹ ^^ne. ^ie j .^{nsc e} .° y.^e5~ formen mit η > 1 doppelt entartet. Diese Entartung zahl von ungebundenen Schwingungsformen emitkann durch Zerstören der Kreissymmetrie, beispiels- tieren. Vom Standpunkt der optischen Geometrie aus weise indem man den Faserquerschnitt vom Kreis zur ao entsprechen die ungebundenen Schwingungsformen Ellipse verzerrt, beseitigt werden. Durch Verkleinern dem in der Kernfaser emittierten Licht, das beim des Kerndurchmessers kann man erreichen, daß Austreten aus der Faser auf die Grenzfläche zwischen lediglich HE₁₁ sich ausbreitet. Die nächsthöheren Kern und Hülle mit einem Winkel auftrifft, der Schwingungsformen sind TE₀ _m und TM₀ _m mit kleiner ist als der kritische Winkel für innere Total-M₀₁ = 2,402. Bei einer kombinierten Brechungszahl ^a5 reflexion. Mit Einschluß der ungebundenen Schwinfür Kern und Hülle von 1,56 bis 1,52 entspricht die gungsformen ist die Gesamtzahl der Schwingungs-Grenzwellenlänge für die Ol-Schwingungsformen für formen annähernd die gleiche wie beim Interferodie Grünlinie des Quecksilbers bei 546 nm einem meter. Jedoch ist die Kopplung in eine gebundene Radius von 590 nm. Dieser Wert liegt reichlich ober- Schwingungsform viel stärker als für die ungebunhalb des Kernradius von 100 nm von Fasern, die 30 denen Schwingungsformen.

hergestellt wurden und bei denen die HE₁₁-ScIiWm- Der dielektrische Hohlleiter nach Fig. 2 verhält

gungsform im sichtbaren Spektrum beobachtet sich wie ein metallischer Hohlleiter, dessen Wanwurde. düngen einen endlichen Wert der elektrischen Leit-

Wie noch ausführlicher erklärt werden wird, ist die fähigkeit haben. Im letzteren Falle gibt es eine große zentral angeordnete Faser 26 des in F i g. 2 gezeigten 35 Anzahl von sich nicht ausbreitenden Schwingungs-Stabmediums aus einem stimulierbaren Glas gefertigt, formen, die stark absorbiert werden. Die Kopplung das auf Grund umgekehrter Besetzungsverteilung in die schwach absorbierten, sich ausbreitenden Lichtenergie durch Stimulation liefert. Derjenige Teil Schwingungsformen ist viel stärker als für die ander emittierten Lichtenergie, der sich längs der Kern- deren Schwingungsformen. Im Grenzfall der unendfaser 26 ausbreitet, stimuliert weitere Lichtemission, 40 liehen Leitfähigkeit der Wandungen sind die sich auswodurch die Ausbeute an kohärenter Strahlung breitenden Schwingungsformen ungedämpft und ist weiter vergrößert wird. Da die Wahrscheinlichkeit die Kopplung nach den anderen Schwingungsformen einer Stimulierung durch ein einzelnes Photon in gleich Null. Um im dielektrischen Hohlleiter eine einer gegebenen Schwingungsform die gleiche ist wie Emission lediglich in gebundene Schwingungsformen die Wahrscheinlichkeit einer Spontanemission in der 45 oder Hohlleiterwellen zu erhalten, müßte die gleichen Schwingung, ist das Maß der Kopplung für Brechungszahl des Kernes unendlich groß gegeneine gewünschte Schwingungsform durch den Anteil über der der Hülle sein. Die Leitfähigkeit der Wander Spontanemission dieser Schwingung gegeben. düngen eines metallischen Hohlleiters ist gewöhnlich Bei einer offenen Anordnung, wie z. B. bei einem so groß, daß es gerechtfertigt ist, ihn als ein Gebilde Fabry-Perot-Interferometer, erfolgt die Spontan- 5° mit einer einzigen oder einigen wenigen Schwinemission mit gleicher Wahrscheinlichkeit in samt- gungsformen aufzufassen. Dagegen müssen bei einem liehen Schwingungsformen, wobei die gewünschten dielektrischen Hohlleiter sämtliche Schwingungs-Schwingungsformen dem senkrechten oder nahezu formen berücksichtigt werden, da die Kernbrechungssenkrechten Einfall von Strahlung, die zwischen den zahl bei weitem nicht unendlich groß gegenüber der Platten des Interferometers nach rückwärts und vor- 55 Hüllenbrechungszahl ist. Vielmehr weichen bei Glaswärts reflektiert wird, entsprechen, sowie für das fasern im sichtbaren Bereich des Spektrums die Licht, welches aus den Seiten herausemittiert wird. Brechungszahlen nur um einige wenige Prozent von-Für eine Lorentzsche Linienform mit einer einander ab.

Linienbreite Αλ beträgt die Anzahl der Schwingungs- Für ein emittierendes Atom in der Kernfaser des

formen in einem Volumen V: 60 Stabes ist die Kopplung in Schwingungsformen, bei

welchen das Licht sich aus den Seiten nach außen

P(λ) Aλ = 8w²F— (4) ausbreitet, kleiner als bei einer offenen Anordnung.

^4 ' ^ Man kann dies einsehen, indem man den umge

kehrten Vorgang, bei dem Licht von außen auf den

wobei P die Dichte der Schwingungsformen pro Ein- 65 Kern einfällt, betrachtet. Wegen des Unterschiedes heitswellenlängeintervall ohne die Linie der Lorentz- der Brechungszahlen des Kernes und der Hülle findet sehen Linienform und der um die Wellenlänge λ zen- Teilreflexion statt. Es haben daher die ungebundenen inerten Linienbreite Αλ ist. Der Wert von V hängt Schwingungsformen eine mittlere Energiedichte im

Kern, die kleiner ist als in der Hülle. Jedoch ist die Brechungszahldifferenz für Glasfasern klein, und man erhält eine ausreichend gute Annäherung, wenn man annimmt, daß die Kopplung in die ungebundene Schwingungsform die gleiche ist wie bei einer offenen Anordnung.

Innerhalb der nichtrelativistischen Grenzen ist das Matrizenelement für einen Überzug von Zustand a in den Zustand b eines Atoms unter Spontanemission eines Photons in die s-te Schwingungsform mit einem ιό Vektorpotential, dessen räumlicher Teil A_s(r) ist, proportional:

gungsformen in der Länge L für eine Linienbreite AX mit einer Lorentzschen Linienform:

(5) Die mittlere Brechungszahl n_a wird an Stelle von Az₁ verwendet, da die Phasengeschwindigkeit für die

Schwingungsformenausbreitung zwischen — und —

liegt. Der genaue Wert hängt davon ab, wie weit λ von der kritischen oder Grenzwellenlänge für die betreffende Schwingungsform entfernt ist. T₂ wird sodann:

wobei dt das Raum- oder Volumenelement und ρ das Moment des den Übergang von Eigenzuständen ψ_α nach yj_b vollziehenden Elektrons sind. Für die ungebundenen Zustände kann A_s annähernd als ebene ao Wellen an einem Volumen L³ aufgefaßt werden, so daß gilt:

Das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit von Spontanemission in die gewünschten gebundenen Schwingungsformen zur Wahrscheinlichkeit der Emission in sämtliche ungebundenen Schwingungsformen ist:

4 _π _C2 \ ι
\²

L³

\²-exp{ik,-r}, I

(6) T₁

(2 η An*)

(10)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit, e_s ein Einheitsvektor in der Polarisationsrichtung und k_s der Ausbreitungsvektor des emittierten Photons sind. Die Anzahl der ungebundenen Zustände ist durch die Gleichung (4) gegeben. Die Übergangswahrscheinlichkeit T₁ für Spontanemission in sämtliche ungebundenen Schwingungsformen ist dem Produkt des Quadrates des Matrizenelementes für einen Übergang in eine der ungebundenen Schwingungsformen mal der Anzahl von Schwingungsformen pro Einheitsfrequenz proportional. Es gilt daher:

Die Bedingung für die Ausbreitung von lediglich HE₁₁ ist gerade dann gegeben, wenn Gleichung (3) mit M₀₁ = 2,402 erfüllt ist. Verwendet man diesen

₀₁

Wert in Gleichung (3), so kann die Fläche in der Gleichung (10) eliminiert werden, so daß man schließlich erhält:

(11)

Die obige Gleichung gibt den Anteil des in die beiden senkrecht zueinander polarisierten HE₁₁-SChWmgungsformen emittierten Lichtes an. Für die kombinierte Brechungszahl von K₁ = 1,56 und n₂ = 1,52

(J)

«α =

«2

die mittlere Brechungszahl von Kern und Hülle ist. Der Ausdruck wurde hereingenommen, um möglichst die Wellenlänge des brechenden Mediums, aus dem die Fasern gefertigt sind, zu berücksichtigen. Für die gebundenen Schwingungsformen hängt die Übergangswahrscheinlichkeit von einem Integral in Form der Gleichung (5) ab, wobei A_s nunmehr das Vektorpotential für einen gebundenen Schwingungszustand ist. Für die näherungsweise Behandlung im vorliegenden Falle genügt es, A_s in Form der Gleichung (6) zu verwenden, wobei jedoch das Volumen L³ durch LA, mit L = Länge der Faser und A = Fläche des Kernes, ersetzt werden muß. Die Ubergangswahrscheinlichkeit T₂ in die gebundenen

Schwingungsformen ist sodann proportional j-r mal der Dichte der Schwingungsformen in einer Faser der Länge L. Ist der Faserquerschnitt hinreichend klein, so daß nur die doppelt entartete Schwingungsform HE₁₁ sich ausbreitet, so ist die Anzahl der Schwinist der Bruch ^- annähernd 1,8 · ΙΟ"².

T₁

Eine mit mindestens teilweise reflektierenden Enden abschließende Faser liefert ein Hohlraumresonatorgebilde. Um das Verhältnis der Spontanemission T₂ ¹ in eine einzelne Hohlraumschwingungs-

form zur Emission in sämtliche ungebundenen Schwingungsformen zu ermitteln, muß man zwei Fälle unterscheiden. Und zwar tritt der eine Fall auf, wenn die Linienbreite des Materials Al_n größer, und der andere, wenn sie kleiner ist als die Linienbreite des Hohlraums Al_c. Für den Fall

Al_m> Al₀

braucht man lediglich die Gleichung (10) oder die Gleichung (11) durch die durch Gleichung (8) gegebene Anzahl von Schwingungsformen zu dividieren. Aus der unten abgeleiteten Definition des Gütewertes Q folgt, daß die resultierende Gleichung durch Multiplikation mit

Q(A X_c)

:

nicht verändert wird. Dies ergibt:

T₁

LnI

• (12)

Auf Grund einer detaillierten quantenmechanischen Berechnung, wie sie von Senitzky in »Phys. Rev.«,

909 520/97

9 10

Bd. 119, S. 1807 (1960), veröffentlicht wurde, folgt, der Erfindung den Vorteil aufweist, daß die als Andaß der zweite Faktor in Gleichung (12) durch einen regungsenergiequelle dienende äußere Lichtquelle Faktor, bei dem weniger Energie pro Flächeneinheit der Faser 26 zu

liefern braucht als im Falle der Fabry-Perot-Anord-

Δ Ac S> Δ A_n. 5 nung, da das Volumen des dotierten Mediums pro

Längeneinheit bei der Erfindung kleiner ist. Zum Un-

ist, ersetzt wird. In diesem Falle erhält man die üb- terschied von der Fabry-Perot-Anordnung erhält man liehe Purcell-Formel (»Phys. Rev.«, Bd. 69, S. 681 somit erfindungsgemäß eine Stimulierwirkung durch [1946]) für die Verstärkung oder Steigerung der Verwendung einer Lichtquelle verhältnismäßig hoher Spontanemission in einem Hohlraum. ίο Intensität, jedoch verhältnismäßig niedriger Gesamtist N der Überschuß an atomaren oder molekula- leistung. Zugleich wird der Gütewert Q einer Resoren Systemen im oberen der beiden Zustände, zwi- nanzeinheit unter Verwendung einer erfindungsgemäschen denen selektive Fluoreszenz stattfindet, so ist ßen Faser nicht verschlechtert, da, wie aus Gleichung die Bedingung für die Oszillation in einer Faser vom (14) folgt, das Q der Länge L der Faser direkt proVolumen V: 15 portional ist. Ferner ist ein umkleidetes oder umhüll-

. tes Fasergebilde gemäß der vorliegenden Erfindung

jf Ξ> _t (13) durch scharfe Auswahl der Eigenschwingungen der

(4 π μ² Q) emittierten Lichtenergie ausgezeichnet.

Verschiedene Arten von Eigenschwingungen für

wobei h die Plancksche Konstante und Av bzw. μ die »o stimulierte Schwingungen wurden in dem hier be-Halbwertbreite bzw. das Matrizenelement für den schriebenen Neodymglaslaser beobachtet; in Stäben Übergang sind. großen Querschnitts von ungefähr 6 mm Durchmes-

Der Gütewert Q (Verhältnis der gespeicherten zur ser und 7,6 cm Länge mit geschliffenen, jedoch nicht verbrauchten oder angegebenen Energie pro Periode) polierten Mantelflächen und mit parallelen und powird durch die innere Absorption in der Glasfaser as Herren Stirnflächen, hergestellt aus einheitlichem op- und das Reflexionsvermögen r der Endplatten be- tischem Material und abgeschlossen durch Reflekstimmt. Bei Fasern mit einem Kerndurchmesser von toren, wie beim Fabry-Perot-Hohlraumresonator, 50 μΐη, die aus optisch hochwertigem Glas gefertigt wurden verschiedene stimulierte Schwingungsformen sind, beträgt die Dämpfung annähernd 50% auf 2 m. beobachtet. Bei umhüllten Stäben wurden die Schwin-Aus anderen Beobachtungen mit großen Fasern ergab 30 gungsformen, die den oben erörterten Schwingungssich, daß ein Teil des Verlustes der Streuung infolge formen in umhüllten dielektrischen Hohlleitern entvon Inhomogenitäten an der Grenzfläche zwischen sprechen, sowie ferner auch Oberflächenschwingungs-Kern und Hülle zuzuschreiben ist. Da die Inhomo- formen beobachtet.

genitäten in den kleinen oder dünnen Fasern über Ein weiterer sehr wesentlicher und bisher nicht ereine größere Länge ausgezogen werden, ist die Über- 35 reichbarer Vorteil besteht darin, daß man in der Lage tragung in diesem Falle mindestens ebenso gut wie ist, lange umhüllte Fasern überlegener optischer Güte der oben angegebene Wert. und verschiedener Brechungszahlen zu ziehen, wobei

Für annehmbare Werte des Reflexionsvermögens der Kern oder die Hülle oder beide das aktive Ion der Enden, beispielsweise r = 0,90 bis r = 0,98 und enthalten. Zusätzlich zu der Möglichkeit, einzelne, für Längen L von einigen Zentimetern, wird Q durch 40 lange umhüllte Fasern herzustellen, kann man r bestimmt. Sein Wert ist näherungsweise durch die auch große geschmolzene Massen aus Fasern mit im folgende Gleichung gegeben: wesentlichen parallelen Kernen herstellen, wobei die

Kerne durch ein optisch hochwertiges Glas, das als

11\ Hülle dient und eine geringere Brechungszahl hat als

Q = 2 π I —- J (1 — r)-¹. (14) ₄₅ der Kern, voneinander getrennt sind. Derartige Mehr-

V^/ fasergebilde sind an sich, jedoch ohne Verwendung

stimulierbarer Medien, bekannt und werden als »op-

Vernachlässigt man die Energiedifferenz zwischen tische Schmelzfasergebilde« bezeichnet. Ein derartieinem anregenden Photon und dem stimuliert emit- ges Gebilde, unter Verwendung von umhüllten Fatierten Photon sowie andere Ausschwingungs- oder 50 sern, kann in der in der USA.-Patentschrift 2992516 Zwischenzustandsformen, so beträgt die Mindest- beschriebenen Weise hergestellt werden,
leistung oder -energie, um N angeregte Systeme in Für die Herstellung derartiger Bündel gibt es viele

Selbstarbeit zu erhalten: im Handel erhältliche Gläser, welche die gleiche

Brechungszahl, jedoch unterschiedliche Dispersion

Nhv „_ 55 haben, und man kann daher viele verschiedenartige,

^p ~ ^ ' (¹⁵J im Handel erhältliche Glaskombinationen verwenden.

Beispielsweise hat das handelsübliche Schott-Glas Nr. F16 eine Brechungszahl bei 480 nm von

wobei kv die Energie eines einzelnen Photons und τ 1,60546 und bei 656,3 nm von 1,58789, während die Lebensdauer des angeregten Zustandes sind. We- 60 das Schott-Glas Nr. SK13 bei der Wellenlänge von gen der Abhängigkeit von N und V in Gleichung (13) 480 nm eine Brechungszahl von 1,59947 und bei erniedrigen sich sowohl η als auch P durch den 656,3 nm eine Brechungszahl von 1,58873 hat. Verkleinen Querschnitt der Faser. Dies ist zu erwarten, wendet man das SK13 als Kernglas einer umhüllten da die Stimulation hauptsächlich von den Dichten der Faser und arbeitet man bei einer Wellenlänge von Anregungsenergie und der angeregten Zustände, nicht 6g ungefähr 1,06 um, bei der in diesem Glas bei aber von ihren absoluten Werten abhängt. Dotierung mit einer entsprechenden Menge an

Aus der vorstehenden mathematischen Analyse Neodym, wie nachstehend erklärt, stimulierte Schwinwird ersichtlich, daß ein optischer Verstärker gemäß gungen stattfinden, so kann eine derartige Faser ohne

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weiteres in gewünschten Hohlleiterschwingungsfor- Wird die verwendete Gasentladungsblitzlampe 14

men angeregt werden, indem man die Kernfaser- durch den Hochspannungsimpuls gezündet, so breitet abmessungen entsprechend wählt, wie zuvor im Zu- sich das hauptsächlich von der Lampe emittierte sammenhang mit der Schwingungsformausbreitung Gelb- und Blaulicht im wesentlichen in sämtlichen erklärt. In diesem Falle verwendet man das F 16-Glas 5 Richtungen gegen das stimulierbare Medium 12 aus. als Hülle, und ein Bündel aus derartigen umhüllten Da die zylindrische Hülle 28 eine etwas kleinere Fasern weist unterschiedliche optische Eigenschaften Brechungszahl als das die Faser 26 bildende Neodymauf, da die Brechungszahlen des Kerns und der Hülle Barium-Kronglas hat, wirkt sie als optischer Sammler, in der Mitte des sichtbaren Bereiches des Spektrums der das Licht sammelt und auf die innen befindliche im wesentlichen die gleichen sind, während am blauen io lange dünne Glasfaser konzentriert, so daß der Wir-Ende des Spektrums die Brechungszahl des Kernes kungsgrad (der im wesentlichen der Brechungszahl kleiner ist als die der Hülle. Man kann daher die der Hülle proportional ist) deutlich verbessert wird optischen Eigenschaften des Schmelzfaserbündels für gegenüber einer Einrichtung, bei der lediglich eine das seitwärts einfallende Anregungslicht und für das Glasfaser ohne Umhüllung verwendet wird. Auch sich parallel zu den Laserfasern ausbreitende stimu- 15 anderweitige Faktoren, beispielsweise die Festigkeit lierte Licht unabhängig voneinander einstellen. oder Stabilität, die konzentrische Ausrichtung, die

Ein stimulierbarer umhüJlter Stab von der in Bequemlichkeit der Handhabung, die Halterung, die F i g. 1 und 2 gezeigten Art hatte ungefähr 7,6 cm Beschichtung usw. einer derartigen dünnen Faser, Länge und 3 mm Durchmesser. Die Faser 26 bestand sind zu berücksichtigen, so daß alles in allem eine aus Bariumkronglas von weiter unten zu beschrei- 20 umhüllte Faser vorzuziehen ist. bender Zusammensetzung und mit einem Gehalt an Bariumkrongläser mit unterschiedlichen Prozent-

Seltenen Erden von dreiwertigem Neodym als Akti- gehalten an Neodym, wie sie vorliegend als Beispiel vatorion, sowie mit einem Durchmesser von unge- für die Erfindung beschrieben sind, wurden hergefähr 0,38 mm. Es wurden die beiden Stirnflächen stellt und für faserförmige stimulierbare Medien mit an den Enden des geraden Stabes 12 geschliffen und 25 und ohne Umhüllung verwendet. Diese Fasern poliert, so daß sie im wesentlichen parallel zuein- wurden mit beispielsweise einer Gasentladungsblitzander und senkrecht zur Achse des Stabes (mit einer lampe (vom Typ General Electric FT 524) betrieben, Genauigkeit innerhalb einer Bogenminute) ausge- die von einer auf eine Mindestenergie von 2,5 kV richtet waren, und danach mit einer Silberschicht, aufgeladene Kondensatorbatterie von 80 pF gespeist von denen eine bei 30 gezeigt ist, überzogen, so daß 30 wurde. Mit einer anderen Gasentladungsblitzlampe sie ein hohes Reflexionsvermögen für innerhalb der von einer Leistung von ungefähr 25 Wattsekunden Faser auftreffendes Licht hatten. Die freiliegenden wurde ebenfalls stimulierte Emission erhalten. Mit Oberflächen der Silberschichten, wie z. B. die Fläche Neodymkonzentrationen von 0,1, 0,25, 0,50, 1,0 32, wurden sodann mit einem sehr dünnen Schutz- und 2,0 Gewichtsprozent in Bariumkrongläsern belag aus Magnesiumfluorid überzogen. Ferner wurde 35 wurde eine gute Stimulation erhalten. Stimulierte die Aufbringung der Silberschicht auf das in F i g. 2 Emission trat bei ungefähr 1,06 μπα auf. Bei der gezeigte Ende des Stabes (d. h. das Austrittsende des Konzentration von 2°/» wurden keine Anzeichen von Stabes) so eingestellt, daß sich ein Ubertragungs- Konzentrationsdämpfung beobachtet. Dies ergab sich faktor von ungefähr 2°/o ergab. Danach wurden durch Messung der Lebensdauer der Emission für kleine Schutzkappen 34 und 36 aus reflektierendem 40 jedes dieser Gläser mit den verschiedenen Konzen-Material, beispielsweise Aluminium, auf die Enden trationen mit dem Ergebnis, daß die entsprechenden des Stabes aufgesetzt, wobei die Kappe 34 eine abge- Werte in sämtlichen Fällen die gleichen waren, schlossene Stirnwandung hatte, während die Kappe Daraus folgt, daß bei den höheren Konzentrationen 36 am Austrittsende mit einer öffnung 36 a versehen kein Verlust an Quantenausbeute auftritt, war. Die Endenschutzkappen werden dazu verwen- 45 Die Glasmasse oder der Ansatz aus Bariumkrondet, um zu verhindern, daß das Licht aus der Gas- glas mit 2 Gewichtsprozent Neodym, wie sie beispielsentladungsröhre sich nachteilig auf die versilberten weise für die Herstellung der Faser 26 verwendet reflektierenden Enden auswirkt. Falls bei einer beson- wird, enthält die folgenden Bestandteile: deren Ausbildung das stabförmige stimulierbare

Medium in bezug auf die Gasentladungsblitzlampe 50 Siliciumdioxyd (SiO₂) 237,6 Einheiten

oder -lampen so angeordnet ist daß nur ein sehr Kaliumcarbonat (K₂CO₃ ■ 1,5H₂O) 107,8 Einheiten kleiner Teil des Zündlichtes auf die Endreflektoren . /U V, \ * · u ·

auftrifft, so werden die eben beschriebenen Enden- Banumcarbonat (BaCO₃) 68,1 Einheiten

schutzkappen unter Umständen nicht benötigt. Bariumnitrat (Ba(NO₈)₂) 40,8 Einheiten

Die Abmessungen der öffnung 36 a macht man, 55 Bariumhydroxyd

wie aus der Zeichnung deutlich wird, mindestens so (Ba(OH)₂ · 8 H₂O) 49,4 Einheiten

groß, daß eine Sammellinse, beispielsweise die Linse . . , ,_, . . _ _. ,.

38, die gleichachsig mit der Faser 26 angeordnet ist, Antimonoxyd (Sb₂O₃) 4,0 Einheiten

auf das Faserende so fokussiert werden kann, daß Neodymoxyd (Nd₂O₃) 10,0 Einheiten

sie im wesentlichen sämtliche von der Faser emit- 60

tierte Strahlungen sammeln und die gesammelte Das Glas wurde in der Weise zubereitet, daß die

Strahlung auf eine zweite Linse oder ein Objektiv 40 in einem Tontiegel befindliche Masse in einen elekrichten kann, von wo die Strahlung dann nach einer trischen Kugelofen eingebracht wurde, unter Vergeeigneten Einrichtung, beispielsweise einem Detek- Wendung einer Füllzeit von 2 Stunden bei einer tor 42, gelenkt wird. Als Detektoreinrichtung kann 65 Temperatur von ungefähr 1430° C und anschließenman einen Sekundärelektronenvervielfacher mit der Erhöhung der Temperatur der Schmelze auf ungeeinem geeigneten Infrarotfilter 44 im Strahlengang fähr 1450° C und ungefähr lstündigem Rühren soverwenden. wie anschließendem Erniedrigen der Temperatur des

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Glases auf ungefähr 1395° C, auf der die Masse samen Dotierungsstoffen geringfügig variiert werden, dann ungefähr 5 Stunden lang gehalten wurde, um Bei dem obengenannten Bariumkronglas mit 2% anschließend vergossen zu werden. Das Gewicht der Neodym beträgt die Brechungszahl 1,5427 und der obengenannten Masse betrug 0,4536 kg, wobei natür- Zerstreuungswert 59,4.

lieh die günstigste Temperatur für das Vergießen von 5 Wohl zu beachten ist, daß die Grundgläser, denen der Größe bzw. dem Gewicht der Gußmasse ab- der aktivierende Stoff zugesetzt werden soll, nichthängt. Keine besondere Atmosphäre wurde im Ofen absorbierend und nichtstreuend für die Wellenlängen, benötigt. welche die verwendeten Ionen anregen und für die

Die aus diesem Ansatz errechnete gewichtsprozen- Wellenlänge, bei der stimulierte Emission stattfindet, tuale Zusammensetzung an Oxyden ist wie folgt: io sein sollen.

Neodym wurde bereits als wirksamer Stoff für die

Siliciumdioxyd (SiO₂) 57,4% Faser oder das Kernglas 26, und zwar in dreiwertiger

Kaliumoxyd (K₂O) 14,9% Form, genannt; andere geeignete Stoffe sind Cer³+,

T5o™,v.,w.„i fi3orrt OA -so/ Praseoydm³+, Neodym³+, Samarium²+, Samarium³+,

Banumoxyd (BaO) 24,3 ο ^ _Europii_m2+;_Europi_um3+₅ Terbium³+ Dyprosium³+!

Antimonoxyd (Sb₂O₃) 1,0% Holmium³+, Erbium³+, Thulium³+, Ytterbium³+,

Neodymoxyd (Nd₂O₃) 2,4% Uran³+. Bei diesen Stoffen, mit Ausnahme des Urans,

handelt es sich um Elemente aus der Gruppe der

Diese Prozentsätze stellen eine sehr gute An- Seltenen Erden. Diese wirksamen Stoffe können entnäherung an diejenigen Werte dar, die sich auf Grund ao weder einzeln oder in verschiedenen Kombinationen einer chemischen Analyse dieses Glases ergaben. im Grundglas verwendet werden.

Mit einer Neodymkonzentration von 0,1 Gewichts- Ein wichtiger Vorteil, der sich aus der Verwen-

prozent in einem ähnlichen Bariumkronglas wurde dung einer Umhüllung 28 auf dem Faserkern 26 erunter Verwendung der Gasentladungslampe (FT 524) gibt, wurde bereits erwähnt, soll jedoch hier noch mit einer auf 5 kV aufgeladenen Kondensatorbatterie as einmal wiederholt werden. Um ein schwingungsvon 320 \J? die annähernd untere Grenze für die fähiges Gebilde zu erhalten, ist ein optischer Resona-Stimulation erreicht. tor mit hohem ß-Wert erforderlich, und zu diesem

Für eine andere Gruppe von Gläsern mit unter- Zweck muß man durch geeignete Mittel dafür sorschiedlichen Konzentrationen wurde gefunden, daß gen, daß die Voraussetzungen geschaffen werden, bei einer Nd₂0₃-Konzentration von 10% eine Ver- 30 daß sich gut definierte stehende Wellen über minkürzung der Lebensdauer der Fluoreszenzemission destens einen Teil des Querschnitts ausbilden. Da sich auftrat, was das Vorhandensein einer gewissen Kon- eine einzelne unumhüllte Glasprobe hoher optischer zentrationsdämpfung anzeigt. Güte, die frei ist von Schlieren, nur schwer herstel-

Es beträgt daher die obere Konzentrationsgrenze len läßt, ist es einfacher, eine Faser kleinen Querdes Neodyms im Bariumkronglas für die Erfindung 35 Schnitts mit einer Umhüllung größerer Dicke und in der Größenordnung von etwa 30%. Andererseits kleinerer Brechungszahl zu verwenden und dadurch liegt bei Verwendung eines optischen Systems hohen die optischen Eigenschaften im Sinne eines optischen Wirkungsgrades die untere Grenze der Neodym- Resonators mit hohem β zu erreichen. Auch ist es konzentration bei 0,10% oder sogar noch darunter. möglich, auf diese Weise den früher erwähnten Ober-Unter optimalen Bedingungen ergibt sogar eine 40 flächenwellen-Schwingungszustand mit hohen Güte-Neodymkonzentration von 0,01 Gewichtsprozent werten zu erhalten. Da ferner die Faser gegenüber noch Stimulation. Es ist daher anzunehmen, daß der der Umhüllung einen verhältnismäßig kleinen Quernutzbare Bereich der Neodymkonzentration zwischen schnitt hat, ist, wenn die Umhüllung damit verträgden Grenzen von 0,1 und ungefähr 30 Gewichts- lieh ist, derart, daß sich eine Grenzfläche hoher prozent liegt. 45 optischer Güte ergibt, die Wahrscheinlichkeit größer,

Während man einen guten Wirkungsgrad mit daß die gesamte Länge der Faser in kohärente Bariumkronglas mit Neodym erhält, sind an sich die Schwingungen übergeht, so daß die Kohärenzeigenmeisten Silikatgläser geeignet. Als weiteres Beispiel schäften des emittierten Strahles verbessert werden, eines derartigen Silikatglases sei das von der Während Stimulation mit einer umhüllten Faser

American Optical Company hergestellte und unter 50 von 380 μπι Faserdurchmesser, wie zuvor erwähnt, dem Handelsnahmen »AO Crown« vertriebene erhalten wurde, kann man eine Faser noch kleineren Natronkalkglas, dem gleiche Mengen an Neodym als Durchmessers verwenden und dadurch einen Zustand wirksames Material zugesetzt sind, erwähnt. Ein wei- erreichen, bei dem lediglich eine oder einige wenige teres Glas von gutem ß-Wert bei Zusatz von Neodym deutlich unterscheidbare Ausbreitungsschwingungsist lSgewichtsprozentiges Bleiglas. Weitere Beispiele 55 formen aus den oben erörterten Gründen möglich von geeigneten anorganischen Gläsern mit Zusatz sind. So kann man z. B. einen Faserdurchmesser von von Neodym oder anderweitigen wirksamen Stof- nur 5 μΐη mit einer Umhüllung aus Glas niedrigerer fen, die auf ihre Quantenausbeute untersucht wur- Brechungszahl und einer Dicke von nur 1 μπι verwenden, sind Gläser auf Oxydbasis, wie Aluminium- den. Die obere Genze der Dicke einer derartigen Umzinkphosphat, Natriumborat, 15%iges Bleisilikat, 60 hüllung ist nicht kritisch; jedoch soll die Dicke nicht Bleisilikat hoher Brechungszahl, Borsilikatgläser so groß sein, daß das Anregungslicht merklich gehohen Siliciumdioxydgehaltes sowie glasiges Germa- dämpft wird.

natglas. Auch Gläser auf Fluoridbasis, beispielsweise Die Bedingungen für die Ausbildung von stimu-

Berylliumfluorid, können verwendet werden. Die lierter Schwingung im sichtbaren und Infrarot-Brechungszahlen und die Dispersionswerte der oben- 65 bereich des Spektrums sind fest gegeben. Die Grundgenannten anorganischen Grundgläser sind an sich Voraussetzungen sind jedoch, daß der wirksame Stoff fest gegeben und im Handel eingeführt, können je- zu fluoreszieren in der Lage ist und daß eine Umdoch durch Zugabe von bestimmten Mengen an wirk- kehrung in der Besetzung zwischen den beiden ver-

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schiedenen Energieniveaus, zwischen denen Fluores- entladungslampe von der in F i g. 1 gezeigten Art ist zenzemission auftritt, stattfindet. Um die letztge- die Emission pulsierend. Man muß daher, um einen nannte Voraussetzung im Falle eines stimulierbaren ungedämpften stimulierten Schwingungsbetrieb zu er-Glasmediums zu erfüllen, muß dafür gesorgt wer- reichen, eine Dauerlichtquelle ausreichender Intensiden, daß auch eine ziemlich starke Absorption der 5 tat und mit guter optischer Kopplung zum Einbringen

eingestrahlten Energie stattfindet, damit die Licht- des Lichtes in das stimulierbare Medium verwenden,

quelle eine Anregung ausüben kann. Beim ungedämpften Schwingungsbetrieb können

Während verschiedene Seltene Erden erwähnt wor- Vorkehrungen erforderlich sein, um die Wärme abden sind, wird bezüglich einer ausführlicheren Unter- zuleiten, da ein übermäßiger Temperaturanstieg zu suchung der Energieniveaus derartiger Stoffe auf den io einer Beeinträchtigung der gewünschten optischen Aufsatz von D. S. McClure, »Electronic Spectra of Wirkung führen kann. Bei Absorption in Gelb wer-Molecules of Ions in Crystals«, Teil II in »Solid den 40% der Energie innerhalb des dotierten Glas-State Physics«, Nr. 9, S. 399 (1959), verwiesen. Zu- Stabes in Wärme umgesetzt; bei Absorption im gleich wird auf die in Fig. 9 angegebenen Energie- Ultraviolett bei 3500A werden ungefähr 70% der niveaus für das 3wertige Neodymion Nd³+ hinge- 15 Lichtenergie in Wärme übergeführt,
wiesen. Man sieht aus diesen Angaben, daß der Glasstab

Die Verwendung von organischen Gläsern als keinen zu großen Durchmesser haben darf. Ist der

Grundmedium wurde bereits erwähnt. Als organische Stab zu dick, so gelangt die Lichtenergie nicht ins

Gläser eignen sich handelsübliche Kunststoffe, wie Zentrum des Stabes, sondern wird vorher absorbiert.

z. B. Methylmethacrylat (Plexiglas), Acrylharze und »o Ferner kann es geschehen, daß beim Betrieb mit

Vinylchloride, die bei Zimmertemperatur in Feststoff- ungedämpften Schwingungen übermäßige Wärme,

form vorliegen, sowie Zucker, der zwecks Zerstörung die nicht ausreichend abgeleitet wird, entsteht. Es ist

des kristallinen Gefüges geschmolzen und dann abge- daher erwünscht, den Durchmesser der Glasfaser,

kühlt wird, so daß man ein Glas erhält. Ferner sind gleichgültig, ob umhüllt oder nicht, klein zu machen,

geeignete Gläser, die bei Zimmertemperatur flüssig «5 um das Verhältnis Oberfläche zu Volumen der Faser

sind und daher durch Abkühlen in den Glaszustand zu verbessern. Bei einer umhüllten Faser kann der

gebracht und beispielsweise mit Hilfe von flüssigem dotierte Glasstab einen sehr kleinen Querschnitt

Stickstoff, flüssigem Helium od. dgl. auf tiefen Tem- haben, wobei jedoch wegen der Umhüllung der

peraturen gehalten werden müssen. Als Beispiel hier- Durchmesser der gesamten Einheit ausreichend groß

für sei auf ungefähr 77° K abgekühlter Äther- 30 sein kann, um eine bequeme Handhabung zu ermög-

Isopentan-Alkohol genannt. Die Brechungszahlen liehen.

sowie die Zerstreuungswerte der obengenannten In F i g. 9 ist ein Energieniveaudiagramm für das

organischen Gläser sind ebenfalls bekannte Größen. 3wertige Neodymion Nd⁸+ gezeigt.

Die Seltenen Erden können in die genannten Dieses Energieniveaudiagramm gilt für Lanthanorganischen Gläser entweder in Form von freien 35 chlorid, das mit kleinen Mengen von Neodym dotiert Ionen oder in Form von im Glas gelösten Verbin- ist. Obwohl sich das Diagramm auf das Chlorid düngen des wirksamen Stoffes, beispielsweise Neodym- bezieht, sind die Werte für das Neodymglas im acetat, Neodymchlorid oder eines Neodymchelats, wesentlichen die gleichen,
eingebracht werden. Die Energie wird von dem in F i g. 9 bei 120 ange-

Bei der Wahl der Lichtquelle, beispielsweise der 4° deuteten Grundniveau durch die Linien aa und bb Gasentladungslampe 14 in Fig. 1 sind sowohl die auf höhere Atomniveaus, und zwar hauptsächlich auf Emissionseigenschaften als auch die erreichbaren die D- und L-Niveaus, wie durch die Horizontalintensitäten zu beachten. Die Einrichtung läßt sich linien 122 und 124 angedeutet, angehoben. Zu mit um so größerem Gesamtwirkungsgrad betreiben, diesem Zeitpunkt sind die Atome des Stoffes in hochje mehr die Energie der Lichtquelle in den Absorp- 45 angeregtem Zustand. Sie geben dann einen Teil der tionsbanden oder -gebieten des verwendeten wirk- Energie in Form von Wärme ab, indem sie auf ein bei samen Stoffs konzentriert ist. Das Absorptions- 126 angedeutetes Niveau/? niederer Energie fallen Spektrum für Neodym³+ ist in Fig. 10 angegeben, oder einen nichtstrahlenden Übergang nach diesem und man sieht, daß eine starke Absorptionsbande im Niveau vollziehen. Der Übergang von diesem gelben Bereich bei 5800 A vorhanden ist. Ferner 50 Energieniveau nach den drei niedrigeren Niveaus X, treten Absorptionsbanden bei 5300 A, bei 3550 A Y und Z, angedeutet durch die Linien cc, da und im ultravioletten Bereich sowie mehrere in der Nähe ee, ist von starken Emissionen begleitet,
von Infrarot auf. Um die Glasfaser zu stimulieren, In F i g. 8 ist ein Emissionsspektrum, wie es mit muß eine ausreichende Menge dieses Lichtes absor- und ohne des Neodyms im Glas erhalten wird, durch biert werden, um eine Umkehrung der Besetzung 55 die gestrichelte Linie AA bzw. die ausgezogene Linie im stimulierbaren Medium hervorzurufen. Man muß BB angedeutet. In diesem Diagramm sind die reladaher eine Lichtquelle verwenden, die eine aus- tiven Intensitäten von 0 bis 10 auf der Vertikalreichende Energie in den Absorptionsbanden oder achse und die Wellenlängen (in Nanometer) in der -gebieten des stimulierbaren Mediums aufweist. Horizontalachse aufgetragen.

Eine Quecksilberdampflampe eignet sich gut für 60 Da die Querschnittsgröße der Glasfaser extrem

diesen Zweck, da sie eine starke Emissionslinse bei klein sein kann, obwohl zusätzlich eine Hülle aus

5790A aufweist. Oder aber man kann eine Natrium- Klarglas geringerer Brechungszahl und allerdings

dampflampe verwenden, da sie starke Linien bei sehr geringer Dicke verwendet wird, ist es möglich,

5890A aufweist. Ferner kann man einen Kohle- eine Vielzahl von derartigen Fasern in dicht gebün-

lichtbogen verwenden, dessen Elektroden mit dem 65 delter Form so zusammenzubauen, daß diese Fasern

Neodym oder der Seltenen Erde, deren Spektrallinien in Phase betrieben werden können. In einem solchen

mit den Absorptionsbanden des stimulierbaren Me- Falle sind die senkrecht zur Längsachse verlaufenden

diums zusammenfallen, dotiert sind. Bei einer Gas- Stirnflächen an den beiden Enden des so gebildeten

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Vielfaserbündels geschliffen und poliert. Die beiden dotierten Glasfaser eindringt, ist es möglich, die wirk-

Stirnflächen des Bündels werden sodann versilbert samen Neodymionen in die Hülle einzubauen und

oder mit einem anderweitigen hochreflektierenden den Kern aus nicht dotiertem Klarglas zu machen.

Belag versehen, wobei wie im Falle des Stabes 12 in Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich eine

F i g. 1 einer dieser Reflexbeläge teilreflektierend 5 gewisse Schwingungsformauswahl für diejenigen

ist und eine solche Dicke hat, daß sich eine Licht- Eigenschwingungen, deren Felder am meisten in die

übertragung von ungefähr 2% ergibt. Hülle eindringen und die in der Hülle anzuregen sind.

In F i g. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform In F i g. 5 ist bei 70 eine andere Ausführungsform einer optischen Verstärkeranordnung 46 gezeigt, mit gezeigt, die als optischer Sender wirkt. Der ähnlich einem dotierten Glasstab 48, die der in F i g. 1 und 2 io wie in F i g. 4 ausgebildete dünne, lange, flexible gezeigten insofern ähnlich ist, als sie ebenfalls aus dotierte Glasstab 72 aus Fasern mit einer Klarglasdünnen langen Fasern aus Glas mit einer Glashülle hülle niedrigerer Brechungszahl ist ähnlich wie bei niedrigerer Brechungszahl besteht und reflektierende der vorherigen Ausführungsform auf ein transparen-Stirnflächen 48 α und 48 b von der im Zusammenhang tes Zylinderrohr 74 aufgewickelt. Dieses Rohr ist wie mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Art hat. Wenn daher 15 zuvor konzentrisch zur Gasentladungslampe76 angeeine Zufuhr anregender Strahlungsenergie innerhalb ordnet, und die Anordnung ist so getroffen, daß eine des so gebildeten optischen Resonators stattfindet, stimulierte Emission vom einen Ende der Fasern zum wird Licht durch die Stirnfläche 48 b mit dem zu anderen, wie durch den Pfeil 78 angedeutet, bewirkt 2% durchlässigen Belag hindurch übertragen und in wird. Jedoch ist in diesem Falle die Stirnfläche am ein bei 50 angedeutetes optisches System geleitet. 20 nichtübertragenden Ende 80 der Fasern wie in

Bei dieser Ausführungsform sind mehrere, Fig. 1 optisch fein bearbeitet und mit einem mit parallelgespeiste Gasentladungslampen 52, die im Kappe versehenen reflektierenden Belag überzogen. Abstand voneinander um das stabförmige Medium Wegen der großen Länge kann viel Energie in den 48 herum angeordnet sind, verwendet und außerhalb Fasern aufgespeichert werden, der Gasentladungslampen und konzentrisch ist ein as Wenngleich dies aus Gründen der Übersichtlichmetallischer Reflektor 54 zum Konzentrieren des keit nicht gezeigt, kann bei den Anordnungen nach Lichtes auf den Glasfaserkern angeordnet. Da der F i g. 4 und 5 ein äußerer konzentrischer Reflektor Reflektor 54 aus Metall ist, kann man die Leitung 56 für das Anregungslicht verwendet werden, der ähnfür die zündende Hochspannung unmittelbar an den lieh angeordnet ist und die gleiche lichtkonzentrie-Reflektor anschließen. Die Energie wird der Batterie 30 rende Funktion ausübt wie der Reflektor 54 in der parallelgeschalteter Gasentladungslampen 52 über Anordnung nach Fig. 3. Leiter 58 zugeleitet. Eine andere Ausführungsform eines optischen

In Fig. 4 ist eine andersartige Ausführungsform Resonators ist in Fig. 6 gezeigt. In diesem Falle liegt 58 gezeigt, die für den Betrieb als optischer Relais- das stimulierbare Medium im Form eines hohlzylinverstärker gedacht ist. Bei dieser Anordnung ist kon- 35 drischen dünnen, langen Rohres 82 aus dotiertem zentrisch um die Lichtquelle 60 ein transparentes .Glas vor. Ein Kern aus klarem Natronkalkglas 84 ist zylindrisches Rohr 62 angeordnet, um das eine innerhalb dieses hohlzylindrischen Rohres 82 in dünne, lange biegsame Faser als optisches Verstärker- gutem optischem Kontakt damit angeordnet, und ein element 64 gewickelt ist. Die Faser 64 besteht aus ähnliches Glas bildet eine äußere Hülle 86. Sowohl einem stimulierbaren Glasfaserkern und einer Klar- 40 der Kern 84 als auch die äußere Hülle 86 haben eine .glashülle niedrigerer Brechungszahl, die somit aus niedrigere Brechungszahl als das dotierte Glasden früher erörterten Gründen Hohlleiterwellen medium 82. Die beiden Stirnflächen an den Enden liefert. Das stimulierbare Fasermedium 64 hat eine dieser koxialen Glasfasern sind optisch fein bearbeisolche Länge und solche Querschnittsabmessungen, tet, so daß sie parallel zueinander verlaufen, und, daß es sich ohne weiteres mit einer großen Anzahl 45 wie bei 88 und 90 angedeutet, mit einer reflektieren-Windungen um das Rohr 62 wickeln läßt. Die An- den Schicht, beispielsweise aus Silber, überzogen, Ordnung ist so ausgebildet, daß, wenn die Lichtquelle wobei jedoch der eine dieser beiden Überzüge eine 60 Energie während der Übertragung eines optischen Lichttransmission von ungefähr 2%, ähnlich wie in Signals durch das stimulierbare Medium 64 von Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben, liefert, einem zum anderen Ende, wie durch den Pfeil 65 50 In F i g. 7 ist eine optische Verbindungsleitung 92 angedeutet, liefert, diese Energie in solcher Weise in Faserform gezeigt, die innerhalb einer äußeren absorbiert wird, daß im wendeiförmigen Medium 64 Schutzhülle 94 angeordnet ist und längs der mit AbEnergie aufgestaut und stimuliert emittiert wird, so stand jeweils ein optischer Verstärker, wie bei 96 daß das optische Signal beim Durchlaufen der Faser angedeutet, zur Verstärkung des sich in der Leitung vom Eingangsende zum Ausgangsende 66 verstärkt 55 92 entsprechend dem Pfeil 97 ausbreitenden optiwird. Bei einer derartigen Anordnung wird das Signal sehen Signals vorgesehen sein kann. Bei dieser Anin seiner Intensität um beispielsweise einen Betrag Ordnung kann die Dämpfung eines derartigen Signals verstärkt, der ausreicht, um die Dämpfung aufzu- bei Übertragung über ausgedehnte Strecken minimal heben, die das optische Signal bei der Übertragung klein gehalten werden. Die anregenden Lichtquellen über eine große Länge einer klaren Faser vor Er- 60 98 sind schematisch im Verstärkergehäuse 96 angereichen des Eingangsendes erfährt. Wie ersichtlich, deutet, und die in diesem Gehäuse angeordnete Vertritt das anregende Licht in die Faser durch deren Stärkeranordnung kann ohne weiteres in der oben Seitenwandungen ein, und die Erhöhung der Signal- beschriebenen Weise ausgebildet sein, derart, daß das stärke ist eine Folge der Absorption dieser Energie die Leitung 92 durchsetzende optische Signal ver- und der das Signal stimulierten Emission auf Grund 65 stärkt wird.

von Hohlleiterwellenausbreitung. Einen für stimulierte Emission dotierten Stab,

Da die Feldverteilung in einer Hohlleiterschwin- ähnlich demjenigen der F i g. 6, kann man erhalten,

gungsform, wie oben erklärt, auch in die Hülle der indem man eine einzelne dotierte Faser 130 kleinen

Durchmessers exzentrisch zur Glashülle 132 anordnet, wie in Fig. 11 gezeigt. Sowohl die in Fig. 11 als auch die in F i g. 6 gezeigten geometrischen Ausbildungen sind für solche Einrichtungen von Bedeutung, bei denen das anregende Licht in den Stab durch dessen Stirnfläche aus im wesentlichen sämtlichen Richtungen eintritt. Der Hauptvorteil dieser Ausbildung bei endseitig eintretendem Anregungslicht besteht darin, daß die Schrägstrahlen, die sich im Inneren längs des Stabes ausbreiten, leichter durch das stimulierbare Medium abgefangen werden, als es der Fall wäre, wenn das stimulierbare Medium in der Mitte des Stabes angeordnet wäre. Die Ermittlung der genauen Lage der dotierten Faser 130 relativ zur Achse des Hüllstabes 132 sowie ihrer relativen Querabmessungen sind eine Sache ausführlicher konstruktiver Überlegungen, je nachdem, welche Endresultate gewünscht werden.

Abgesehen von der Verwendung von anregenden Lichtquellen, die starke Linien in den gleichen »o Wellenlängenbereichen aufweisen, in denen das Neodym oder der sonstige Aktivatorstoff die Lichtenergie absorbiert, kann man auch ein fluoreszierendes Material, das an sich weniger geeignete Wellenlängenbereiche des anregenden Lichtes in die gewünschten, für die Anregung besser geeigneten Wellenlängenbereiche umsetzt, in den Festkörper einbauen oder in der Nähe anordnen. Beispielsweise befindet sich der größte Teil der Intensität einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe im Ultraviolettbereich. Bringt man das erwähnte fluoreszierende Material in unmittelbarer Nähe einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe an, so daß es das stimulierbare Medium bestrahlt, und verwendet man zu diesem Zweck ein fluoreszierendes Material, das die Eigenschaft hat, daß es nach Absorption von Ultraviolettlicht mit hoher Ausbeute im Gelb fluoresziert, so erhält man damit ein geeignetes anregendes Lichtsystem mit Fluoreszenzwandlereigenschaften. Für derartige fluoreszente Materialien kann man beispielsweise Uranylverbindungen enthaltende Gläser sowie verschiedene handelsübliche fluoreszente Kunststoffe verwenden.

Geeignete in stimulierbare Gläser oder Verbindungen eingebaute Stoffe der eben genannten Art können die Eigenschaft haben, daß die Absorption der anregenden Lichtenergie über das andere Material stattfindet und anschließend eine Energieübertragung auf das eigentliche Aktivatorion stattfindet, ohne die Notwendigkeit einer direkten Absorption der emittierten Lichtenergie der anregenden Lichtquelle durch die als stimulierbarer Aktivator vorgesehene Seltene Erde. Baut man beispielsweise Uran und Samarium in Calciumoxyd ein, so wird ein Teil des Lichtes durch das Uranion absorbiert, und es findet eine nichtstrahlende Energieübertragung auf das Samariumion statt. Ein weiteres Beispiel für einen derartigen Vorgang ist die Absorption von Licht durch den Liganden eines Chelates und die anschließende nichtstrahlende Energieübertragung auf ein Seltenes Erdion mit sich ergebender stimulierter Emission.

Claims

Patentansprüche:

1. Stimulierbares Festkörpermedium für optische Sender oder Verstärker (Laser), bestehend aus einem dotierten, transparenten, dielektrischen Stab, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium ein organisches oder anorganisches Glas in nichtkristallinem glasigem Zustand ist und mindestens ein Aktivatorion eingebaut enthält.

2. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivatorion ein Ion der Seltenen Erden oder des Urans dient.

3. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivator ein Ion der nachfolgenden Ionengruppen dient: Cer⁸⁺, Praseodym³+, Neodym³+, Samarium²+, Samarium³+, Europium²+, Europium³+, Terbium³+, Dyprosium³+, Holmium³+, Erbium³+, Thulium»+, Ytterbium³+, Uran³+, und zwar entweder allein oder in Kombination mit einem Ion oder mehreren Ionen dieser Gruppe.

4. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivatorion Neodym³+ in einer Menge von ungefähr 2 Gewichtsprozent seines Oxyds in Bariumkronglas eingebettet verwendet ist.

5. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganisches Glas Bariumkronglas, Natronkalkglas, Gläser auf der Basis von Aluminium-Zink-Phosphat oder Natriumborat, 15°/o Bleisilikatglas, hochbrechendes Bleisilikatglas, Borosilikatglas mit hohem Silikatgehalt, glasiges Germanat enthaltendes Glas oder Fluoridglas verwendet wird.

6. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Glasmedium einen Stab bzw. Kern oder eine Kernfaser (26) bildet und in gut optischem Kontakt in einer Glashülle (28) eingebettet ist und die Glashülle für das stimulierte Licht einen niedrigeren Brechungskoeffizienten hat.

7. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Stab bzw. Kern oder die Kernfaser (130) parallel zur Achse der Glashülle (132), jedoch in bezug auf die Achse versetzt angeordnet ist.

8. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungskoeffizient des den Stab bzw. Kern oder die Kernfaser (26) umgebenden Glases (28) für eine oder mehrere Wellenlängen des Anregungslichtes höher als der Brechungskoeffizient des die Kernfaser bildenden stimulierbaren Mediums (26) ist.

9. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 6 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen Resonator begrenzenden Stirnflächen an den Enden der stimulierbaren Kernfaser optisch fein bearbeitet sind und im wesentlichen senkrecht zur Faserachse verlaufen und mit reflektierendem Material (30) beschichtet sind.

10. StimuUerbares Festkörpermedium nach Anspruch 6 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als dünne flexible Faser ausgebildet ist.

11. Stimulierbares Festkörpermedium nach An-

sprach 6 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den stimulierbaren Kern bzw. die Kernfaser (26) umschließende Hülle (28) aus einem anorganischen oder organischen Glas besteht.

12. Stimulierbares Festkörpermedium, bestehend aus einem stimulierbaren Kern oder einer Kernfaser mit einer umgebenden Glashülle nach Anspruch 6 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in an sich be- ίο kannter Weise wendelförmig ausgebildete Festkörper (64) axial eine stabförmig ausgebildete Anregungslichtquelle (60) umgibt.

13. Optischer Verstärker nach Ansprach 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal (65) dem einen Ende des wendelförmig ausgebildeten Festkörpers (64) zugeführt wird und das verstärkte Signal dem anderen Ende (66) entnommen wird.

14. Anordnung nach Ansprach 13, dadurch ao gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl optischer Verstärker (96) mit wendelförmig angeordneten

stimulierbaren Festkörpermedien (58) als Relaisverstärker eines Lichtkabels (92) wirken.

15. Stimulierbares Festkörpermedium nach Ansprach 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine rohrförmige stimulierbare Glashülle (82) in gutem optischem Kontakt eine Glasfaser (84) umschließt, die für das stimulierte Licht einen niedrigeren Brechungskoeffizienten hat.

16. Stimulierbares Festkörpermedium nach Ansprach 15, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige stimulierbare Glashülle (82) von einer weiteren Glashülle (86) umschlossen ist, die für das stimulierte Licht einen niedrigeren Brechungskoeffizienten hat.

17. Stimulierbares Festkörpermedium nach Ansprach 6 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl stimulierbarer, von einer Glashülle von geringerem Brechungskoeffizienten umgebener dünner Kernfasern zu einem Bündel vereinigt, vorzugsweise zusammengeschmolzen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen