DE1295742B - Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen quantenmechanischen Sender (Maser oder Laser) für innere Modulation nach dem Prinzip der stimulierten Emission verstärkter Strahlung, aus dem nach Anspruch 15 der Patentanmeldung P 1285 073 (deutsche Auslegeschrift 1285 073) mittels modulierbarer Beeinflussung der Polarisationsebene der Strahlung (Kerreffekt oder Faradayeffekt) modulierte Strahlung ausgekoppelt werden kann, wobei mit dem Modulationsglied ein als Polarisationsweiche ausgebildetes Auskoppelglied zusammenwirkt, das so ausgebildet und so angeordnet ist, daß es denjenigen Anteil der Strahlungsenergie als modulierte Strahlung auskoppelt, der im Modulatipnsglied durch den Effekt der modulierbaren Beeinflussung der Polarisationsebene der in das Modulationsglied eintretenden Strahlungsenergie in eine Komponente der aus dem Modulationsglied wieder austretenden Strahlung umgewandelt ist, die senkrecht zu der Polarisationsebene der eingetretenen Strahlung polarisiert ist.
• Es wird eine besonders vorteilhafte und weitgehend allgemein verwendbare Anordnung zur Erzeugung modulierter stimulierter Strahlung beschrieben. Es handelt sich dabei darum, daß ein die auszusendende Strahlung modulierendes Mittel in den Strahlengang der durch das stimulierbare Medium, z. B. Rubin, hindurchtretenden, zwischen Reflexionsflächen, d. h. in dem sogenannten Resonator verlaufenden Strahlung eingeschaltet wird. Für den Fall des »Lasers« wird ein als »optischer Resonator« bezeichneter Resonator verwendet. Dabei können auch eine oder mehrere der zum Resonator gehörenden Reflexionsflächen oder -anordnungen bereits das Modulationsmittel sein. Diese Art der Modulation in einem Resonator, verbunden mit der Aussendung eines modulierten Strahles, wird mit »Innerer Auskoppel-Modulation« bezeichnet.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in Weiterbildung der Erfindung nach der Haupt patentanmeldung die Modulation mit nur einem Modulationsmittel im Strahlengang auszuführen und trotzdem die Verzerrungen in der modulierten Strahlung klein zu halten.
• Diese Aufgabe wird durch einen quantenmechanischen Sender gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Reziprokwert der Laufzeit der im Resonator verlaufenden Strahlung für einen Hin- und Her- bzw. Umlauf im Resonator sowie die ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes nicht mit Frequenzwerten des Modulationssignals übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.
• Diese spezielle Art der Auskopplung bei der Inneren Auskoppel-Modulation ermöglicht es, z. B. unter Aufwand von nur geringer Modulationsleistung einen 100%ig modulierten Strahl hoher ; Intensität aus dem Resonator auszukoppeln. Dies ist leicht einzusehen, wenn man bedenkt, daß schon bei kleiner Modulationsleistung, d. h. bei kleinem Grad der Auskopplung, auf Grund der im Resonator befindlichen hohen Intensität absolut gewertet eine hohe Intensität ausgekoppelt werden kann. Bei Modulation außerhalb des Resonators wirkt die Modulationsleistung dagegen nur auf eine gegenüber der inneren Intensität im Sender wesentlich schwächere, ausgekoppelte Strahlungsintensität. t Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann außerdem ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad des quantenmechanischen Senders erzielt werden. Unter »Gesamtwirkungsgrad« ist dabei das Verhältnis der Signalleistung des ausgekoppelten Strahles zui Strahlungsleistung ,der im Resonator erzeugten Strahlung zu verstehen.
• Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anordnung gehen aus der Beschreibung der Figur de; bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor.
• 1 ist ein stimulierbares Medium, beispielsweise ein Hin- und Herlauf der Strahlung, wie 4 angibt, zuauch die pn-übergangszone eines sogenannten »Diodenlasers«. Unter »stimulierbar« ist zu verstehen, daß in dem betreffenden Medium, dem diese Eigenschaft zukommt, durch Umbesetzung von Energietermen ein überwiegen der stimulierten Emission gegenüber der Absorption und der spontanen Emission von Strahlung bestimmter Frequenz möglich ist. Wie diese Umbesetzung erreicht wird, hängt von den jeweils zu verwendenden Medien in an sich bekannter Weise ab und ist in der Figur nicht berücksichtigt. 2 und 3 sind Reflexionsflächen, zwischen denen ein Hin- und Herlauf der Strahlung, wie 4 angibt, zustande kommt. 5 ist das Modulationsglied, das sich im Strahlengang 4 im Resonator; wie für die interne Auskoppelmodulation erforderlich, befindet. 6 ist in diesem Beispiel das Auskoppelglied, das hier eine Art Nicolsches Prisma ist. Dieses Prisma ist jedoch, wie aus der Figur ersichtlich, den Anforderungen des Beispiels entsprechend, gegenüber einem üblichen Nicol in zweckmäßiger Weise abgeändert. Die Abschrägung der einen Kante des Prismas 6 ist so ausgebildet, daß der von links in 6 eintretende Strahl senkrecht in das Prisma einfällt, wodurch der Reflexionsverlust beim Durchtritt der Strahlung durch die Grenzfläche klein gehalten wird. Das Prisma 6 ist in der Figur so angeordnet, daß die Strahlung 4 an der Kittfläche 13 total, d. h. mit einem Minimum an Verlusten, reflektiert wird. Das Prisma 6 wird in an sich bekannter Weise so angeordnet, daß nur die Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung an der Kittfläche 13 total reflektiert wird. Je nach Vorzeichen der Doppelbrechung des Materials des Prismas ist dies die in der Einfallsebene bzw. die senkrecht dazu schwingende Komponente der Strahlung 4. Durch diese spezielle Anordnung des Nicolschen Prismas wird unter anderem erreicht, daß nur linear polarisiertes Licht, und zwar mit der Schwingungsrichtung, die in 6 an 13 total reflektiert wird, in dem Resonator erzeugt werden kann. Für alle anderen Schwingungsrichtungen der Strahlung hat der Resonator eine erheblich kleinere Güte. Im Falle der Verwendung eines bereits linear polarisiertes Licht liefernden Kristalls, z. B. eines Rubinkristalls, in dem die Strahlung senkrecht zur optischen Achse verläuft, ist darauf zu achten, daß dieser Kristall passend zur Anordnung des Prismas 6 orientiert wird.
• 8 und 9 sind Elektroden, mit denen mittels der Zuleitungen 10 und 11 die vom Generator 12 gelieferte Modulationsspannung an das Modulationsglied 5 angelegt wird. Die Elektroden 8 und 9 sind so ausgebildet, daß sie für die Strahlung 4 durchlässig sind. Es empfiehlt sich auch, 3 und 8 in eine Fläche zusammenfallen zu lassen, die die Eigenschaft einer elektrisch leitenden Reflexionsfläche hat. Hierdurch wird der Weg der Strahlung von 5 über 3 nach 5 zurück, wie später noch näher ausgeführt wird, vorteilhafterweise auf ein Minimum verkürzt. Im übrigen sei erwähnt, daß es meistenteils vorteilhaft ist, die in der Figur in auseinandergezogener Anordnung dargestellten Teile mindestens teilweise dicht zusammmen, z. B. aufeinandergekittet anzuordnen: Durch das Aneinanderkitten können außerdem die an den Grenzflächen auftretenden Reflexionsverluste vermindert werden.
• Das Modulationsglied 5 ist in unserem Beispiel ein steuerbar doppelbrechender Kristall. Es sei erwähnt, daß auch andere Medien, z. B. steuerbar doppelbrechende Flüssigkeiten, wie Nitrobenzol, oder aber auch die Polarisationsrichtung der Strahlung steuerbar drehende; insbesondere nicht reziprok drehende Stoffe, verwendet werden können. Auch hierdurch wird, wie bei dem Effekt der Doppelbrechung, eine Komponente der Strahlung erzeugt, die senkrecht zur Polarisationsrichtung der im Resonator erzeugten stimulierten Strahlung 4 polarisiert ist und die gemäß der Erfindung aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Unter »nicht reziprok« ist zu verstehen, daß die Drehung der Polarisationsrichtung beim Hin- und Herlauf ,der Strahlung durch das Medium nicht aufgehoben wird.
• Für das Modulationsglied 5 eignen sich besonders Kristalle aus Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) oder Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP), die elektrisch doppelbrechend sind. Die für den feldfreien Fall gültige optische Achse der Kristalle wird vorteilhafterweise, wie noch näher behandelt, nahezu oder genau, parallel zur Strahlung 4 ausgerichtet. Die eine der a-Achsen des Kristalls wird in die Polarisationsebene der linear polarisierten Strahlung 4 gelegt. Im feldfreien Zustand wird jetzt die Strahlung 4 praktisch unbeeinflußt durch 5 und 6 zwischen 2 und 3 hin- und herlaufen. Für den Fall, daß jedoch an die Elektroden 8 und 9 eine elektrische Spannung angelegt wird, tritt auf Grund der elektrischen Doppelbrechung in 5 eine senkrecht zur Polarisationsrichtung von 4 schwingende Komponente auf, deren Intensität abhängig von der an 8 und 9 angelegten Spannung ist. Diese Komponente tritt als Strahl 7 in der erfindungsgemäß vorzusehenden Einrichtung 6 aus, 7 ist der gemäß der Erfindung moduliert aus dem Resonator austretende Anteil, der im Resonator befindlichen Strahlung, der durch die steuerbar doppelbrechende Wirkung von 5 von der im Sender verlaufenden linear polarisierten Strahlung 4 als zu 4 senkrecht polarisierte Strahlung abgetrennt wird. In der soeben beschriebenen Anordnung tritt 7 hundertprozentig moduliert aus dem Resonator aus.
• Da die auftretende elektrisch doppelbrechende Wirkung von 5 auf 4 in der angegebenen Anordnung unabhängig von der Feldrichtung in 5 ist, tritt eine Frequenzverdoppelung auf.
• Diese Frequenzverdoppelung kann vermieden werden, wenn durch eine zusätzlich an 8 und 9 angelegte Gleichspannung ein Strahl ? mit konstanter Amplitude ausgekoppelt wird. Der gleiche Effekt kann auch durch eine zusätzliche natürliche Doppelbrechung von 5 bewirkt werden. Diese zusätzliche Doppelbrechung kann man z. B. in einfacher Weise dadurch erzielen, daß die optische Achse von 5 -wie schon oben erwähnt - nicht genau mit der Richtung von 4 in 5 parallel ist. Durch diese einstellbare natürliche Doppelbrechung bzw. durch eine der Modulationswechselspannung überlagerte Gleichspannung wird bewirkt, daß die Modulation der Strahlung 7 sich als eine der mittleren Intensität von 7 überlagerte Intensitätsschwankung bemerkbar macht.
• Es empfiehlt sich, die durch die Wirkung der natürlichen bzw. durch Gleichspannung hervorgerufenen Doppelbrechung erzeugte Amplitude der ausgekoppelten Strahlung 7 so groß zu wählen, daß sie größer oder gleich der maximal vorkommenden Wechselamplitude der Modulationswechselspannung ist.
• Auf diese Weise wird ein bis zu 100 % modulierter Strahl ? aus dem Resonator ausgekoppelt, der die gleiche Frequenz wie das Modulationssignal hat.
• Besondere Bedeutung kommt der erfindungsgemäßen Anordnung für die Modulation von Strahlung mit Signalen hoher Frequenzen zu. Unter »hohen Frequenzen« sind dabei Frequenzen zu verstehen, deren entsprechende Periodendauer T klein gegen die Aufbau- bzw. Abklingzeit z der Schwingung der stimulierten Strahlung im Resonator ist, die sich bei einer durch die Modulation gegebenen Güteänderung des Resonators ergibt. Einer Modulation mit derart hohen Frequenzen kann der Sender nicht mehr oder nur noch unvollständig mit einer Schwankung seiner im Resonator enthaltenen Strahlungsenergie folgen. Eine Abschätzung ergibt, daß dies für Frequenzen gilt, deren Periodendauer T etwa um den Faktor 10 kleiner als z ist. Bei diesen hohen Frequenzen können die Verzerrungen in der Modulation der Strahlung so klein gehalten werden, daß sie z. B. für die Nachrichtentechnik tragbar sind. z läßt sich in an sich bekannter Weise einfach ermitteln.
• Die Bedeutung der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß, abgesehen von dem Auftreten geringer Modulationsverzerrungen, die jedoch ausreichend klein gehalten werden können, mit gegenüber bei externer Modulation relativ sehr kleinen Leistungen des Modulationssignals ein Modulationsgrad von 1 der aus dem Resonator ausgesandten Strahlung erreicht werden kann, und in dem hohen Gesamtwirkungsgrad.
• Für die erfindungsgemäße Anordnung gilt jedoch noch eine Bedingung, die aber in praxi keine wesentliche Einschränkung bedeutet. Durch überlegungen findet man, daß die Laufzeit der Strahlung in der Anordnung und die Frequenzen des Modulationssignals nicht aufeinander abgestimmt sein dürfen. Diese Einschränkung ergibt sich daraus, daß bei übereinstimmung des Reziprokwertes der Laufzeit mit den Frequenzen des Modulationssignals der im Resonator verlaufende Energiestrom wiederholt an der gleichen Stelle geschwächt werden würde. Dies würde, wie leicht einzusehen, zu größeren und unter Umständen unzulässigen Verzerrungen in der Modulation führen. In dem Modulationssignal dürfen daher keine Frequenzen enthalten sein, die mit dem Reziprokwert der Laufzeit der Strahlung für einen Hin- und Her-bzw. Umlauf im Resonator sowie mit den ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes übereinstimmen.
• Ein einfaches Beispiel soll dies näher erläutern. Angenommen, die Zeit für einen Umlauf der Strahlung im Resonator beträgt eine Nanosekunde. Dieser Zeit entspricht die Frequenz 1 GHz. Dann dürfen in den Modulationssignalen die Frequenz 1 GHz sowie deren ganzzahlige Vielfache nicht mit wesentlicher Intensität enthalten sein. Diese Frequenzen werden als verbotene Frequenzen bezeichnet. Das gleiche gilt auch für Frequenzen des Modulationssignals, die in der Nähe von 1 GHz bzw. den ganzzahligen Vielfachen davon liegen. Es kann dagegen beispielsweise mit Frequenzen moduliert werden, die unter 0,9 GHz und zwischen 1,1 und 1,9, 2,1 und 2,9, 3,1 und 3,9 GHz usw. liegen. Wie stark die Modulationsfrequenzen von den verbotenen Frequenzen entfernt liegen müssen, ergibt sich aus dem Grad der Auskopplung, mit dem die betreffende Modulationsfrequenz im ausgekoppelten Strahl vertreten ist, d. h. wie stark sie dämpfend auf den Resonator wirkt. Ist der betreffende Ankopplungsgrad z. B. kleiner als 2%, so genügt es, alle Frequenzen auszuschließen, die von den verbotenen Frequenzen um weniger als etwa 100% des Wertes der niedrigsten verbotenen Frequenz entfernt liegen. Dieser zu wählende Frequenzabstand gibt im übrigen auch die untere Frequenzgrenze der oben definierten hohen Frequenzen an.
• Wie leicht einzusehen ist, ist es nötig, bei hohen Modulationsfrequenzen den optischen Weg der Strahlung im Modulationsglied sowie z. B. in der Figur den Weg von 5 über 3 zurück nach 5 klein zu halten; so klein zu halten, daß die Laufzeit der Strahlung für diesen Weg z. B. weniger als ein Viertel der Periodendauer des Modulationssignals beträgt. Ohne Schwierigkeiten kann man in der Anordnung der Figur mit Frequenzen bis etwa 10 GHz modulieren.
• Bei noch höheren Frequenzen des Modulationssignals empfiehlt es sich, die erfindungsgemäße Anordnung so auszuführen, daß das Modulationsglied sich in einer Art Wanderfeld-Anordnung des Modulationssignals befindet. In dieser Wanderfeld-Anordnung laufen dann Strahlung und Modulationssignal mit wenigstens angenähert gleicher und gleichgerichteter Geschwindigkeit nebeneinander her.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Quantenmechanischer Sender (Maser oder Laser) für innere Modulation nach dem Prinzip der stimulierten Emission verstärkter Strahlung, aus dem nach Anspruch 15 der Patentanmeldung P 1285 073 (deutsche Auslegeschrift 1285 073) mittels modulierbarer Beeinflussung der Polarisationsebene der Strahlung (Kerreffekt oder Faradayeffekt) modulierte Strahlung ausgekoppelt werden kann, wobei mit dem Modulationsglied (5) ein als Polarisationsweiche ausgebildetes Auskoppelglied (6) zusammenwirkt, das so ausgebildet und so angeordnet ist, daß es denjenigen Anteil der Strahlungsenergie (4) als modulierte Strahlung (7) auskoppelt, der im Modulationsglied durch den Effekt der modulierbaren Beeinflussung der Polarisationsebene der in das Modulationsglied eintretenden Strahlungsenergie (4) in eine Komponente der aus dem Modulationsglied wieder austretenden Strahlung umgewandelt ist, die senkrecht zu der Polarisationsebene der eingetretenen Strahlung polarisiert ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Reziprokwert der Laufzeit der im Resonator verlaufenden Strahlung für einen Hin- und Her- bzw. Umlauf im Resonator sowie die ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes nicht mit Frequenzwerten des Modulationssignals übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.
2. 2. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Modulation mit sogenannten hohen Frequenzen, deren Periodendauer klein gegen die Aufbau- bzw. Abklingzeit der Schwingung der stimulierten Strahlung im Resonator ist, die Bemessung des Auskopplungsgrades klein, insbesondere kleiner als 2%, gehalten ist und daß im Modulationssignal alle Frequenzwerte ausgeschlossen sind, die weniger als etwa 10% des Reziprokwertes der Laufzeit von den ganzen Vielfachen des Reziprokwertes der Laufzeit verschieden sind.
3. 3. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied abhängig vom Modulationssignal eine die Polarisationsebene der Strahlungsenergie (4) drehende Wirkung hat.
4. 4. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied sich in einem Gleichfeld befindet, dem das Feld des Modulationssignals überlagert werden kann.
5. 5. Quantenmechanischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied im Strahlengang der Strahlungsenergie (4) so angeordnet ist, daß es bereits bei fehlendem Modulationssignal einen Strahl (7) mit konstanter Intensität auskoppelt.
6. 6. Quantenmechanischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelglied eine Art Nicolsches Prisma (Wollaston- oder Rochon- usw. -Prisma) ist.
7. 7. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Prisma eine Kante durch eine Fläche derart abgegrenzt ist, daß der in dem Prisma an der Kittstelle totalreflektierte Anteil der senkrecht in das Prisma einfallenden Strahlung senkrecht durch diese besagte Fläche aus dem Prisma austritt (s. Figur, Teil 6).