DE1439258C - Modulationsanordnung fur elektromagnetische Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Modulationsanordnung für elektromagnetische Strahlung mit einem Medium mit steuerbaren optischen Eigenschaften, wobei die Strahlung insbesondere nach dem Hauptpatent 1,277,469 erzeugt wird.

Aus Proc. of the JEEE, Band51 (1963) Seiten 124 bis 131 ist die Physik der Wellenfortpflanzung in elektromagnetisch nicht linearen Medien bekannt. Es handelt sich dabei um Medien, die auf durchtretende elektromagnetische Strahlung ein von der Intensität. dieser Strahlung abhängiges Verhalten haben. In dieser Veröffentlichung sind auch die zur Auswertung des nicht-linearen Verhaltens zu beachtenden Laufzeit-Phasen-Beziehungen für eine primäre Strahlung und für die aus dieser primären Strahlung erzeugte se-„kundäre Strahlung zu entnehmen.

Aus Zeitschrift für Physik, Band 172 (1963) Seiten 163 bis 171 und aus der französischen Patentschrift 1,318,620 sind Modulationsanordnungen bekannt, bei denen in einem optischen Resonator erzeugte Laserstrahlung bezüglich ihrer Amplitude moduliert wird. Diese Modulation wird mit Hufe eines in dem Strahlengang der Laserstrahlung innerhalb des optischen Resonators angeordneten Steuerkristalls durchgeführt. Bei diesem Steuerkristall handelt es sich um ein Medium mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaf-

ίο ten, wobei es sich dabei aber um lineare, das heißt intensitätsunabhängige Eigenschaften handelt.

In einer der älteren Patentanmeldung entsprechend der nicht vorveröffentlichten Patentschrift 1,169,585 ist die optische Erzeugung von Harmonischen, von

π Schwebungen oder eines Modulationsgemisches elektromagnetischer Wellen beschrieben. Der dort gebrauchte Begriff »Modulation-« ist jedoch lediglich mit dem zur Beschreibung der hier vorliegenden Erfindung gebrauchten Begriff »Mischung« gleichzusetzen.

Er bezieht sich dort nicht auf die Modulierung einer elektromagnetischen Strahlung im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Patentschrift geht über den bereits oben erörterten Stand der Technik nicht hinaus.
In der Patentschrift 1,277,469, die auf einer mit 5 der vorliegenden Erfindung prioritätsgleichen Patentanmeldung beruht, ist eine Anordnung zur Erzeugung sekundärer elektromagnetischer Strahlung mit Hilfe eines Mediums mit nicht linearen optischen Eigenschaften beschrieben. Das Medium befindet sich dabei in einem optischen Resonator eines Lasers, in dem die zu verzerrende und/oder zu mischende pri_: märe Strahlung nach dem Prinzip der stimulierten Emission (Laserprinzip) erzeugt wird.

Auch in der vorliegenden Anmeldung wird die zu verzerrende und/oder zu mischende Strahlung als primäre Strahlung und die in dem Medium mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften durch Verzerrung und/oder Mischung erzeugte, gemäß der vorliegenden Erfindung modulierte Strahlung als sekundäre Strahlung bezeichnet.

Aufgabe dej vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, mit der unter Verwendung eines Mediums mit steuerbaren optischen Eigenschaften eine modulierte elektromagnetische Strahlung erzeugt

werden kann. ( \\

Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs angegebene Modulations anordnung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß unter Ausnutzung des optisch nicht linearen Verhaltens des .'Mediums und unter Beachtung der Laufzeit-Phasen-Beziehung in diesem Medium eine Harmonische einer eingegebenen optische Strahlung oder eine Summen- oder Differenzfrequenz zweier im Medium gemischter rrequenzen in an sich bekannter Weise erzeugt sind, und daß diese Sekundärstrahlung durch Beeinflussung dee optischen Verhaltens des Mediums mittels Einwirkens eines modulierten elektrischen oder magnetischen Feldes einer Änderung der optimalen Laufzeit-Phasenanpassung ausgesetzt ist und damit 'eine Amplitudenmodulation erfahrt.

Zum besseren Verständnis wird im folgenden erläutert, was im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einem Medium mit optisch nicht linearem Verhalten; in dem die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Verzerrung und/oder Mischung primäre elektromagnetische Strahlung anderer Frequenz oder Fre- ^quenzen möglich ist, zu verstehen ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die primäre

und/oder die sekundäre Strahlung mit ihren Frequen^: zen nicht im Frequenzbereich sichtbarer Strahlung liegen müssen und der Begriff »optisch« bezüglich des in Frage kommenden Frequenzbereiches im Sinne der Erfindung so weit gefaßt zu verstehen ist, wie op- s tische Gesetze Gültigkeit haben.

Untersuchungen haben ergeben, daß sich durch Einbringen des Mediums mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften in ein elektrisches und/oder magnetisches Feld mit steuerbarer Feldstärke in sehr vorteilhafter Weise eine Modulation der durch Verzerrung und/oder Mischung erzeugten Strahlung erreicht werden kann. Hierzu ist es jedoch notwendig, daß das Medium mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften auch eine Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Strahlung bestimmter Frequenz von der Feldstärke eines in diesem Medium wirkenden elektrischen und/oder magnetischen Feldes hat. Eine derartige Abhängigkeit ist jedoch praktisch bei allen Stoffen festzustellen, die auch die besagten nichtlinearen optischen Eigenschaften aufweisen, insbesondere bei Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) oder Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP).

Bekanntlich ist es notwendig, daß zur Erzeugung der sekundären Strahlung durch Verzerrung und/oder 2 Mischung primärer Strahlung in dem Medium mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften die primäre und die sekundäre Strahlung wenigstens angenähert aufeinander abgestimmte Fortpflanzungsgeschwindigkeit in dem Medium haben müssen, Synchronismus aufweisen. Synchronismus bedeutet, daß eine bei der Mischfrequenz ω_Μ = ω_ι ± ω₂ im Kristallmedium frei laufende Welle die Fortpflanzungskonstante ß_M - /9j ± ß₂ hat. Für den Fall der Erzeugung der η-ten Harmonischen bedeutet dies ω_Μ= η Χ ω und ßjf = nß^Dies bedeutet, daß die primäre Strahlung in bezug auf die optischen Achsen des Mediums in einem ganz bestimmten Winkel durch das Medium hindurchtreten muß, damit ein optimaler Effekt der Strahlungsumwandlung erreicht wird. In diesem Falle herrscht Synchronismus zwischen primärer und sekundärer Strahlung.

Untersuchungen hatten ergeben, daß die Einstellung dieses Winkels für das Maß der Strahlungsumwandlung mit Hilfe des nichtlinearen optischen Effektes sehr kritisch ist. Auf dieser Erkenntnis baut der, der Erfindung zugrunde liegende Gedanke auf, durch Steuerung der Laufzeit-Phasen-Beziehung die entstehende sekundäre elektromagnetische Strahlung als modulierte Strahlung zu erzeugen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird ein besonders hoher Wirkungsgrad der Erzeugung modulierter Strahlung erreicht, wenn das Medium mit dem optisch nichtlinearen Verhalten im Strahlengang eines optischen Resonators, insbesondere eines optischen Resonators eines Lasers, in dem die eine oder mehreren Primärstrahlungen durch stimulierte Emission erzeugt werden, angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist auch in der Patentschrift des obengenannten, prioritätsgleichen Patentes 1,277,469 beschrieben.

Als Medium mit nichtlinearem Verhalten haben sich KDP und ADP als besonders vorteilhaft erwiesen.

Bereits die Erzeugung sekundärer elektromagnet!- scher Strahlung gemäß der Lehre des genannten prioritätgleichen Patentes ist technisch bedeutend, weil es damit möglich geworden ist, weitgehend monochroma_; tische, intensitätsreiche, kohärente und gegebenenfalls scharf gebündelte Strahlung neuer Frequenzen zu gewinnen, für deren Erzeugung, z.B. nach dem Laserprinzip, bisher die geeigneten Mittel fehlten.

Die erfindungsgemäße Modulationsanordnung für Sekundärstrahlung, die mittels eines nichtlinearen optischen Mediums erzeugt ist, weist Vorteile gegenüber den bisher bekannten Anordnungen auf, mit denen eine in einem Maser oder Laser ohne Frequenzveränderung von primärer zu sekundärer Strahlung modulierte Strahlung erzeugt worden ist. Nach der Lehre der Erfindung wird bei einem geringeren Aufwand an Modulationsleistung ein vergleichsweise gleich hoher Modulationsgrad erreicht.

Ein elektrisches und/oder magnetisches Feld in dem Medium ändert die Eigenschaften, das heißt die Größe und die Form des Indexellipsoids des Mediums in einem derart starken Maße, daß der Synchronismus zwischen der im Medium verlaufenden primären und der sekundären Strahlung bereits bei relativ geringen Feldstärken wesentlich gestört wird. Die Wirkung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in dem Medium ist als eine Veränderung der Richtung der Einstrahlung, bezogen auf die Achsen des Kristalls, für die sich optimale Strahlungserzeugung einer bestimmten sekundären Strahlung bereits bei relativ geringen Feldstärken wesentlich gestört wird. Die Wirkung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in dem Medium ist als eine Veränderung der Richtung der Einstrahlung, bezogen auf die Achsen des Kristalls, für die sich optimale Strahlungserzeugung einer bestimmten sekundären Strahlung durch Verzerrung und/oder Mischung primärer Strahlung ergibt, aufzufassen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es bezüglich geringen Leistungsaufwandes, die Modulation in einem Medium mit den besagten Eigenschaften durchzuführen, das sich nach dem Hauptpatent, vgl. deutsche Patentschrift 1,277,469, in einem optischen Resonator befindet, in dem die primäre Strahlung nach dem Laserprinzip erzeugt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung hervor.

In Fig. 1 ist mit 1 ein KDP-Kristall, etwa in der Form eines Quaders bezeichnet Auf diesen trifft die von einem Laser ausgehende Strahlung 2 einer oder mehrerer Frequenzen in einer solchen Richtung auf, daß sie in dem nicht linearen Medium 1 in der Richtung, für die sich für die sekundäre und die primäre Strahlung Synchronismus ergibt, als Strahlung 3 verläuft. Diese Richtung ist unter anderem noch von den Frequenzen der primären und der sekundären Strahlung abhängig und wird aus dem Indexellipsoid entnommen. 4 ist die wieder aus 1 austretende primäre Strahlung. 5 deutet die Richtung der in dem Medium I erzeugten, aus 1 austretenden Strahlung an. Der Übersichtlichkeit halber ist 5 gegen 2 und 4 parallelverschoben dargestellt 7 und 8 sind Elektroden. Sie werden mit den Zuführungen 9 und 10 an den Generator 13, der die Modulationsspannung liefert, angeschlossen. Auf diese Weise kann ein der Modulationsspannung entsprechendes elektrisches Feld im Medium 1 erzeugt werden. Die Elektroden 7 und 8 können auch auf anderen, insbesondere sich gegenüberliegenden Flächen des Mediums 1, angebracht ,werden. Hierdurch kann sich unter Umständen eine günstigere Anpassung des Mediumkristalls ah die

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Quelle 13 ergeben und/oder eine höhere Modulations- mengeführt, das die Strahlung mit senkrecht aufeinail·

steilheit erreicht werden. derstehender Polarisationsebene und unterschiedlicher

Um z.B. eine Frequenzverdoppelung der modulier- Strahlungsrichtung richtungsmäßig zusammenzufasten Strahlung gegenüber der Frequenz des Modula- sen ermöglicht. Hierzu eignet sich z.B. ein Wollationsfeldes zu vermeiden, ist eine Quelle 12 vorgese- 5 ston- oder ein Rochon-Prisma. 36 ist ein Mittel, in hen, die eine einstellbare Gleichspannung liefert. Das dem die Polarisationsebene linear polarisierter Strahvon ihr im Medium 1 erzeugte Gleichfeld wird z.B. lung verschiedener Frequenzen, aber gleicher Strahlzweckmäßigerweise so groß gewählt, daß sich das richtung um verschieden große Winkel gedreht wird, elektrische Feld in seiner Richtung in dem Medium 36 ist ein optisch aktives Medium, z.B. Quarz, das in bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Modulations- 10 seiner Dicke so bemessen ist, daß die in der Strahsignals nicht umkehrt. lung 34 enthaltenen Anteile 24 und 124 entsprechend

Es sei ergänzend erwähnt, daß anstelle der Verwen- ihrer unterschiedlichen Polarisationsrichtung so durch

dung der Quelle 12 auch andere Maßnahmen zur 36 hindurchlaufen, daß die rechts von 36 verlaufende

Vermeidung einer Frequenzverdoppelung ergriffen wer- Strahlung 37 nur noch eine gemeinsame Polarisations-

den können. Zum Beispiel kann von vornherein für den 15 richtung hat, das heißt linear polarisiert ist. Die Strah-

Strahl 3, im Gegensatz zu obigen Ausführungen, eine lung 37 tritt durch 25 hindurch in das nichtlineare

von der Richtung für optimale Strahlungserzeugung Medium 1 ein. 25 ist ein Mittel, das in seiner Wir-

durch Verzerrung und/oder Mischung etwas abwei- kungsweise 125 gleicht, z.B. ebenfalls ein Wollaston-

chende Richtung gewählt werden, so daß erst bei ma- oder Rochon-Prisma ist. Durch die nichtlinearen

ximalem Modulationssignal in einer Halbwelle des 20 Eigenschaften des Mediums 1 wird eine Mischung

Modulationssignals diese optimale Richtung angenä- der von 11 sowie der von 111 verstärkten, in ihrer

hert erreicht wird. Frequenz unterschiedlichen Strahlung erreicht. Die im

In Fig. 2 befindet sich das nichtlineare Medium 1 Medium 1 als Mischprodukt erzeugte Strahlung ist

in einem optischen Resonator, insbesondere für die senkrecht zu der Strahlung 37 polarisiert und tritt /~\

primäre Strahlung. In diesem Ausführungsbeispiel ist 25 aus 25 als Strahl 38 aus der Resonatoranordnung ν *

dies ein an sich bekannter Resonator nach Art eines aus. Durch das im Medium 1 wirkende steuerbare,

Fabry-Perot-Interferometers. 21 und 22 sind Interfe- elektrische Feld wird die Verzerrung und/oder Mi-

renzspiegel, die für die Strahlung 23, die zwischen schung der in 11 und 111 erzeugten primären Strah-

ihnen zur Resonanz kommen soll, ein hohes Refle- lung im Medium 1 so beeinflußt, daß die erzeugte se-

xionsvermögen, z.B. von 98% haben. Der Abstand 30 kundäre Strahlung in ihrer Amplitude moduliert ist

der Spiegel 21 und 22 voneinander ist gerade so groß und moduliert aus der Resonatoranordnung austritt,

gewählt, daß der optische Resonator für die auf ihn Wie in der Fig. 1 sind mit 7 und 8 die Elektroden,

auftreffende Strahlung 2 hohe Durchlässigkeit hat. mit 9 und 10 die Zuführungen, mit 13 die Quelle des

Der Hin- und Herlauf der zur Resonanz kommenden Modulationssignals und mit 12 eine gegebenenfalls

Strahlung ist mit 23 bezeichnet 35 vorzusehende Quelle einer einstellbaren Gleichspan-

Die in den optischen Resonator 21, 22 eintretende nung bezeichnet.

Strahlung ist mit 2, die austretende Strahlung mit 4 Eine vereinfachte Anordnung nur zur Erzeugung bezeichnet. 27 und 28 ist die im Medium 1 erzeugte von Harmonischen ergibt sich aus dem Ausführungsund durch ein darin herrschendes elektrisches beispiel der Fig. 3, wenn man 11 oder 111 wegfallen und/oder magnetisches Modulationsfeld gemäß der 40 läßt. Die primäre Strahlung hat dann nur noch eine Erfindung modulierbare, aus dem Resonator austre- Frequenz. Für diesen Fall sind dann natürlich 22 tende Strahlung. bzw. 122 sowie auch 125 und 36 entbehrlich.

In der Anordnung des Ausführungsbeispiels der Die Modulation mit elektrischen Feldern in KDP-

Fig. 2 sind, wie in Fig. 1, Einrichtungen zur Erzeu- und ähnlichen Kristallmedien kann mit sehr hohen

gung eines elektrischen Modulationsfeldes im Medium 45 Frequenzen durchgeführt werden, da die Veränderbar-

1 vorgesehen. keit der Form des Indexellipsoids noch mit Frequen-

In der Fig. 3 befindet sich das besagte Medium 1 zen von 10⁹ bis 10¹⁰ Hz ohne weiteres möglich ist.

in einem Laserresonator. Bezüglich der Modulation der durch Verzerrung

Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im wesentli- und/oder Mischung in einem optischen Resonator erchen dem der Fig. 3 des Hauptpatents. In dem Aus- 50 zeugten Strahlung ist jedoch allgemein zu beachten, führungsbeispiel der Fig. 3 des Hauptpatents wird daß die Güte des Resonators einen wesentlichen die primäre Strahlung nach dem Laserprinzip an sich Einfluß auf die maximale Modulationsfrequenz haben in zwei optischen Resonatoren erzeugt, die jedoch kann. Die Güte des Resonators darf dann nicht so zum Teil gemeinsamen Strahlungsverlauf haben und groß gemacht werden, daß der Modulationseffekt verdaher im Sinne der Erfindung als eine Resonatoran- 55 wischt wird. Mit dem in der Fig. 3 dargestellten Ordnung anzusehen sind. Die primäre Strahlung wird Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordin dem nichtlinearen Medium 1 verzerrt und ge- nung ist es dagegen jedoch möglich, auch bei höhemischt, so daß sekundäre Strahlung mit neuen Fre- ren Frequenzen als es der Güte des Resonators entquenzen auftritt. In dem Ausführungsbeispiel der spricht, zu modulieren. In dieser Anordnung wirkt Fig. 3 der vorhegenden Zusatzanmeldung sind 11 60 der Resonator als solcher nur für die primäre Strah- und 111 die Strahlungsverstärkenden Medien. Sie be- lung. Die Anordnung der Fig. 3 ist daher besonders finden sich in den Resonatoranordnungen, die durch vorteilhaft. Die Vorteile eines hohen Maßes der Um-22 und 23 bzw. 122 und 23 gebildet werden. 22 bzw. Wandlung primärer in sekundäre Strahlung und .der 122 können insbesondere auch auf die Frequenz der einer günstigen Energiebilanz der Strahlungserzeuin 11 bzw. 111 verstärkten Strahlung abgestimmte In- 6j gung sekundärer Strahlung sind bei diesem Ausfühterferenzspiegel sein. Die von 11 bzw. 111 verstärkte rungsbeispiel der Fig. 3 vereint mit dem bereits oben- _; Strahlung ist mit^4 bzw. 124 bezeichnet. Die Strah- "genannten Vorteil, mit nur geringem Aufwand an Mo- · len 24 und 124 werden durch ein Mittel 125 zusam- "dulationsleistung die Modulation von monochromatic

scher, kohärenter und gegebenenfalls scharf gebündelt ter elektromagnetischer Strahlung nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken durchzuführen.

In einzelnen Fällen ist es vorteilhaft, die Anordnung nicht mit ebenen Reflektoren auszurüsten, sondern Anordnungen mit sphärischen Reflektoren vorzusehen, bei denen eine starke Konzentration der im Resonator verlaufenden Strahlung wenigstens an einer Stelle im Resonator auftritt. Es empfiehlt sich, das Medium mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften an dieser Stelle anzuordnen. Es ist jedoch zu beachten, daß der Öffnungswinkel der in das Medium eintretenden Strahlung nicht zu groß wird. Durch zu große Öffnungswinkel der in das Medium 1 eintretenden Strahlung wird unter anderem die Modulationsempfindlichkeit verringert, das heißt, es wird die für einen bestimmten Modulationsgrad aufzuwendende Modulationsleistung so groß, daß die oben hervorgehobenen Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung zum Teil in Frage gestellt werden. Dasselbe gilt auch fur den Fall, daß die Fokussierung der primären Strahlung in dem Medium 1, beispielsweise durch eine zwischen 25 und 1 angeordnete Sammellinse vorgenommen wird. Auch hier sollte der Öffnungswinkel der Strahlung nicht so groß gewählt werden, daß die Wirksamkeit einer die sekundäre Strahlung in 1 modulierenden Feldstärke zu stark geschwächt wird.

Für den Fall, daß die Frequenz der durch Mischung primärer Strahlung erzeugten sekundären Strahlung sehr langwellig ist, empfiehlt es sich, auch andere hier nicht hervorgehobene aber aus der Mikrowellentechnik her bekannte Methoden der Auskopplung einer in einem Medium erzeugten elektromagnetischen Strahlung anzuwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209549/129

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Modulationsanordnung für elektromagnetische Strahlung mit einem Medium mit steuerbaren optischen Eigenschaften, wobei die Strahlung insbesondere nach Patentschrift 1,277,469 erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung des optisch nicht linearen Verhaltens des Mediums (1) und unter Beachtung der Laufzeit-Phasen-Beziehung in diesem Medium eine Harmonische einer eingegebenen elektromagnetischen Strahlung oder eine Summen- oder Differenzfrequenz zweier im Medium gemischter Frequenzen in an sich bekannter Weise erzeugt sind, und daß diese Sekundärstrahlung durch Beeinflussung des optischen Verhaltens des Mediums mittels Einwirkens eines modulierten elektrischen oder magnetischen Feldes einer Änderung der optimalen Laufzeit-Phasenanpassung ausgesetzt ist und damit eine Amplitudenmodulation erfährt.

2. Modulationsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Medium in einem optischen Resonator (22, 23) befindet, der auf die eingegebene Strahlung (2 in Fi g. 2) bzw. auf die im Medium zu mischenden Frequenzen abgestimmt ist.

3. Modulationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Medium in einem optischen Resonator (22, 23; 122, 23) befindet, in dem die zu verzerrende Strahlung bzw. die Strahlungen (24, 124) der zu mischenden Frequenzen nach dem Laserprinzip erzeugt werden.

4. Modulationsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Resonator eine oder mehrere Einrichtungen (25, 125) angeordnet sind, die Strahlungen (24, 124), die in voneinander verschiedenen Polarisationsebenen schwingen, trennen.

5. Modulationsanordnung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Resonator eine Einrichtung (36) vorgesehen ist, durch welche die Polarisationsebenen zweier Strahlungen mit voneinander verschiedener Frequenz verschieden stark gedreht werden.