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Molekularveratärker mit Modenselektion Die Erfindung betrifft einen
Molekularveratärker fier im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen, bestehend
aus einem Resonator mit einen für die Molekuiarverstärkung aktiven Material und
wenigstens zwei prismenförmigen Reflektoren, deren jeder einen Prismenwinkel von
90o hat, einer Auskoppelvorrichtung und vorzugsweise auch einer Einkoppelvorrichtung
für das Signallicht, einer Einrichtung zur Zuführung der Pumpenergie und einer im
Strahlungsweg zwischen den Reflektoren angeordneten Selektionsvorrichtung, die nur
solche Schwingungen passieren läßt, deren Ausbreitungsriohtung näherungsweise
mit der optischen Achse des Resonators zusammenfällt.
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Das allgemeine Prinzip eines Molekularverstärkers wurde zwar in der
Literatur schon hinreichend beschrieben, doch soll zum besseren Verständnis
zunächst anhand eines einfachen Beispiels noohmals kurz auf die Wirkungsweise eines
derartigen Verstärkers eingegangen werden. Die Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem
auf der Ordinate die Energie B und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl
n aufgetragen sind. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung
für ein aktives Material mit drei Z.ergieniveaus. Die einzelnen Naergieniveaus sind
mit B1, B2 und B3 bezeichnet. Ihre Besetzung - darunter wird die Anzahl. der jeweiligen
Atome mit diesem Energiezustand verstanden - ist im
thermischen
Gleichgewicht so, daß die höheren Energieniveaus weniger besetzt sind als die tieferen
Energieniveaus. Die Verteilung entspricht einer Boltzmann-Verteilung und ist in
der Fig. 1 mit B bezeichnet. Der Schnittpunkt dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus
gibt an, welche Ber setzungszahlen den einzelnen@Energieniveaus zukommen.
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Beim optischen Molekularverstärker ist in der Regel ein solches aktives
Material zu wählen, dessen Abstand zwischen den Energieniveaus E1 und E2 dem Produkt
h . fs und dessen Abstand zwischen den Energieniveaus E1 und E3 dem Produkt
h # fp entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum, f. die mittlere Signalfrequenz
und fp die dem PumpUbergang entsprechende Pumpfrequenz sind.
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Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen Drei-Niveau, Kolekularveratärker
geht nun etwa wie folgt vor sich: Mittels von außen zugeführter 2umpenergie wird
die Besetzungszahl in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, das
auf B3 sich die Besetzungszahl von n3 auf n' 3 erhöht. Weil die Zahl der Atome in
dem aktiven Material festliegt, verringert sich durch diese Quantenübergänge die
Besetzung bei 31 um den gleichen Betrag. Die Besetzung geht also für E1 zurück
von n1 auf n' 1 . Die Inversion den Niveaupaares E1/"2 wird noch erheblich verbessert,
wenn die den thermischen Aus-.gleich der einzelnen Energieniveaus untereinander
bestimmende Relazatienszeit für das Niveaupaar E3 /E2 wesentlich kleiner ist als
für das Niveaupaar E 2/E1. Man erreicht so, daß die Besetzungszahl des Energieniveaus
E2 größer wird als die den Energieniveaus E1 (Inversion). Wird nun ein äußeres Signal
mit der Frequenz fs iugeführt, so gehen Atome mit dem Euergiezustand E2 in den Energiezustand
E1 über. Gleichzeitigtritt such eine gewisse Transportierung von Atomen den
Energiezustanäee
E1 in den Energiezustand E2 ein. Der Ubergang von E2 nach Ei entspricht einer induzierten
Emission des aktiven Materials auf der Frequenz fug während der Übergang
von Ei nach E2 einer Absorption der induzierenden Signalenergie entspricht. Durch
die mittels des Pumpens erzwungene Besetzung der Energieniveaus E1 und E2 überwiegt
jedoch die induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß insgesamt mehr Signalenergie
der Frequenz fs vom aktiven Material emittiert wird als einfallende bzw. indn zierende
Signalenergie mit der Frequenz f0 in dem aktiven Material absorbiert wird.
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Das Drei-Niveau-System ist nur eines der möglichen Systeme, nach dem
Molekularverstärker arbeiten können. Es gibt auch Systeme mit beispielsweise vier
und mehr Niveaus, auf deren Erläuterung zur Vereinfaohung hier nicht näher eingegangen
werden soll, da sie analog arbeiten.
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Während im Nikrowellenbereich Energiequellen, deren Gemmtenergie die
gleiche Frequenz und die gleiche Phase haben, mit auereichender Leistung zur Verfügung
stehen, ließen sich liohtwellen einer derartigen Gesamtenergie bisher nicht
herstellen: Infolgedessen erfolgen auch die durch Lichtenergie angeregten
Quantenübergänge nicht gleiohphasig. Die Synchronisation der Emission der Atome
im Gebiet der Licht- und Wärmewellen kann nun dadurch erfolgen, daB
das aktive Material mit für die Zwecke der Verstärkung geeigneten QuantenübergKugen,
beispielsweise ein Rubin-Einkristall, zu einem Stab zugeschnitten wird, dessen
Enden mit hoher Präzision eben geschliffen und mit einer nur teilweise reflektieren-den
und damit teilweise durchlässigen Silberschicht bedeckt sind. 1%rden
die Atome dieses Stabs mittels zugeführter Finnpenergie
bis zur Inversion angeregt, so fallen sie nach
kurzer
Zeit unter Aussendung von allen möglichen inkohärenten Wellen in ihren Ruhezustand
zurück. Einige Wellen jedoch, die längs der Achse des Kristalls laufen, treffen
auf die reflektierenden Endflächen und laufen wieder zurück. Sie lösen auf dem Rückweg
in den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen, derselben Frequenz
und auch Phase aus, so daß ein sich verstärkender lf%llenzug entsteht, der von der
gegenüberliegenden Silberschicht teils durchgelassen, teils zurückgeworfen wird
und sich bei lau-Fender Zuführung von Pumpenergie weiter verstärkt. Bei richtiger
Ausführung der reflektierenden Wände entsteht eine stehende Welle, die bei
ausreichender@Pumpleistung durch die durchlässigen Wände Energie nach. außen.abgeben
kann. Die auf diese Weise entstehenden Wellen sind stark gebündelt, de, nur die
Energie, die genau längs der Kristallachse läuft, eine Aussicht auf senkrechte Reflexion
an den Enden und damit auf Verstärkung hat. Neben den in Achsrichtung
dem Stabes angeregten Dichtwellen vor Signalfrequenz werden
auch noch
viele Weitere hichtwelien durch Streuung oder Beugung an den. Endflächen
des Stabes angeregt.
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Es sind optische Molekulasverstärker mit derartigen optischen Resonatoren
bekannt, bei denen entweder innerhalb oder außer-
halb von ebenen oder
gekrümmten Wänden bzw. Spiegeln zur Modenselektion optische Systeme angeordnet
sind, die beispielarei®e aus einem konfokalen System aus zwei
Konvexlinsen mit einer Lochblende bestehen.
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Molekularverstärker, deren Resonanzräume durch äußere Spiegel begrenzt
werden, müssen sehr genau auf eine gemeinsame Achse ausgerichtet
werden, was mit Schwierigkeiten verbun-
den ist. Geringere .Anforderungen
an die Justierung stellen 90o-2rismen als Reflektoren, da bei ihnen jeder
durch die
Basis auffallende liohtatrahl unterzweimaliger
Totalreflesion und seitlicher Versetzung parallel zur Einfallsrichtung
reflektiert wird, so daß die Basen der 72rismen nicht exakt
senkrecht zur optischen Achse den Resonators angeordnet nein müssen.
Mit 90o-Frismen ausgerüstete optische
Molekularveratärker sind bekannt.
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».Prismen als Reflektoren haben weiter den Vorteil,
daß die
Strahlung nahezu 100 %ig zurückgeworfen wird, während
der
Retallspiegel einen Reflexionskoeffizienten von etwa 90 g6 und
der dielektrieohe Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von etwa
99 % hat, was eine sohädliohe Erwärmung der Reflek-
toren
und Verluste zur Folge hat.
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Prismenreflektoren haben jedoch; den Nachteil, daß mit ihnen
ausgerUatete Kolekalarverstärker eine zu geringe Moden-
selektion
haben. $e können sich nämlich nicht nur stehende
Bellen zwischen
den Reflektoren ausbilden, die senkrecht
$u den Prismenbasen verlaufen,
sondern auch solche, deren
Strahlenriohtungen zu den 2rismenbanen
geneigt sind* Es
ergibt sich somit ein anderes Problem der Modenselektion
als bei optischen Resonatoren mit einer optischen Achse.
Bei einem bekannten optischen Kolekularveratärker mit
prismenförmigen
Reflektoren ist deswegen im Strahlengang des optischen Resonators
ein Ubry-Perot-Filter angeordnet.
Die der Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe besteht darin,
einen Nolekularverstä,rker
mit 1>rismenreflektoren zu reali-
sieren, bei dem mit einfacheren
Mitteln eine Modenselektion erfolgt.
Diese Aufgabe wird bei
einem Molekulsrverstärker für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene
Wellen, be-
stehend aus einem Resonator mit einen für
die Molekular-
verstärkung aktiven Material und wenigstens zwei priemenförmigen
Reflektoren, deren jeder einen 1Prismenxingel von 9®o hat,
einer Auskoppelvorriohtung und vorzugsweise auch einer Einkoppelvorriohtung
für das Signallicht, einer Einrichtung zur Zuführung der fumpenergie und
einer im Strahlungsweg zwischen den Reflektoren angeordneten Selektionovorriohtung,
die nur solche Schwingungen passieren
läßt$ deren Ausbreitungsrichtung
näherungeweiee mit der
optischen Achse des Reeonators zusammenfällt, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, saß die Selektionsvorriohtung au
einem im Rückkopplungsweg
zwischen einem Reflektor und den aktiven Material angeordneten,
kosfokalen System aus
zwei gonverlinaen besteht, bei dem in der Nähe
des gemein-
samen Brennpunkten der beiden Konvealineen
eine Lochblende vorgesehen isst, deren Zentrum ton
der längsaohse des aktiven Materials durchdrungen wird.
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Durch
diese loohblende
laufen ungehindert
alle Strahlen,
die im Resonator außerhalb
des kosfokalen
Systeme parallel
zur optischen
Achse verlaufen, während
die
Strahlen,
die
dort zur optischen
Achse geneigt
liegen#
durch
die Blende
überwiegend zurückgehalten werden, wodurch
dieser
Sohwingungsbode eo gedämpft wird, saß
er unter
den Sohwellxert
ab-
sinkt.
In Weiterbildung
der Erfindung.ist daran gedacht,
das
kosfokale linsensystem hinsichtlich
der Brennweiten
der
linsen
so veräohieden auszubilden,
saß der ausgeleuchtete Querschnitt
des Refläktore größer
ist als der ausgeleuchtete
| Querschnitt des aktiven Materials. Dadurch wird die
Be- |
| lastung der Prismen herabgesetzt und die Apertur
auch |
| größerer Prismen besser aasnutzbar. |
| Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird |
| einer der als 90o-Prisma ausgebildeten Reflektoren durch |
| ein größeres 90o-Prisma so ergänzt, daß das*kleinere |
| Prisma mit ieiner brechenden Kante oder Spitze in. eine |
| prismenförnige Ausnehmung des größeren Prismas hinein- |
| ragt, die so angeordnet ist, daß ihre Basis eine parallele |
| Ebene zur Basis des größeren Prismas bildet, und außer- |
| dem zwischen beiden Prismen ein Spalt, vorzugsweise
mit |
| einer Breite, die näherungsxeise einer Lichtwellenlänge |
| entspricht, vorgesehen.-Daduroh wird die Totalreflexion |
| am Prisma aufgehoben und ein Teil des Lichts
dringt parallel |
| zur Resoaatoraohse durch das Prismensgetem nach außen. |
| Durch Variation der Spaltbreite kann der Auskopplungsgrad |
| verändert werden. |
| Es ist war bereits bekannt, zur Auskoppluh.g
des Signallichts |
| Irin Prisma vorzusehen, du nur durch einen schmalen Spalt |
| von optisehea Resonator getrennt ist, jedoch besteht dieser |
| lediglich aas einem aktiven Material, an dessen Begrenzungs- |
| flächen Aae pignallicht unter Totalreflexion umläuft. |
| Ergänzend )wenn dabei die Spaltbreite vorzugsweise in
der |
| GröSenerdaeiner Liohtwilleniänge im Takte einer meodu- |
| latiota tterbar geweht werden. Dies ist s.B. in
der |
| Reist »4gi.ioh, f8 die zur Reflexion, Aaskopplung
untl No- |
| dalation Ueatudi Prismenanordnang mit ihrem beweglichen
. |
| feil au einem Sohwinaer aus piesoelektrisohen Material, |
| bebe Q"i, angeordnet ins, dem äber seine Anregungs- |
| ilektrodea Energie sugefWrt wird. Der störende Iuftvrider- |
stand kann dabei dadurch vermieden werden, daß die Priamenanordnung
im Vakuum angeordnet ist.
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Vorteilhaft werde. weiterhin das aktive Material und/oder die Vorrichtung
zur Modenaelektion jeweils nur zwischen zwei gegenüberliegenden Hälften der Priamenreflektoren
angeordnet. Dadurch können in 'einfacher Weise EingrifL6 in den Rückkopplungsmechanismus
vorgenommen werden, in dem z.B. weitere optische Blemente,wie eine optische Ri'ohtungeleitung,
ein optischer Schalter oder eine Polarisator in den zwei Lichtwegen zwischen den
2riamenreflektoren eingefügt werden.
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Zwar ist es bereits bekannt, ein optisches Ventil innerhalb eines
optischen Reaonatora anzuordnen, jedoch handelt es sich um keinen mit Mitteln zur
Modenselektion ausgerüsteten.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn in den Priamenreflektoren Auenehmungsn
dergestalt vorgesehen werden, daß die lichtstrahlen, die-parallel zur Priamenbasia
laufen, eich atreokenweise außerhalb des Prismenmediuma fortpflanzen. Dadurch werden
die Verluste im Prisma herabgesetzt. Außerdem kann mit Vorteil der Re®onator auch
so ausgeführt werden, daß die Pri®menreflektoren von der brechenden Kante oder Spitze
senkrecht zur Basis zwischen beiden Lichtwegen geteilt und .auseinandergerückt angeordnet
sind. Man erhält auf diese Weise vor allem genügend Raum für die .
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in den Strahlengang einzuschaltenden optischen Elemente. Dir
900 -Prismen können sowohl als Regelprismen. als auch als eckige Prismen
ausgebildet ®ein und das aktive Material
ist zusammen mit
der Pumpliehtquelle.in einer Beleuchtungseinrichtung anzuordnen, die zur
Erzielung eines guten Wirkungsgrades die Lichtquelle möglichst vollständig in das
aktive Material abbildet.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
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Die Fig. 2 zeigt den Strahlengang in einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Resonator für einen Molekularverstärker. Der Resonator besteht aus einem aktiven
Material 1, zwei begrenzende 90o-gegelprismen 2 und 3, einem konfokalen System,
bestehend aus zwei Konvexlinsen 4 und 5 und einer Blende 6, die symmetrisch
zur optischen Achse 7 angeordnet sind. Bei dem Resonator sind die Ein- und Auskoppelvorrichtung,
die Einrichtung für die 2umpenergiezufuhr, das
Gehäuse und die Befestigungselemente,
der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Die Wirkungsweise dieses Resonators kann man sich wie folgt vorstellen.
Werden die Atome des aktiven Materials 1 mittels zugeführtet Pumpenergie
bis zur Inversion angeregt, so fallen sie nach kurzer Zeit unter Aussendung
von inkohärenten Wellen in Form von Lichtstrahlen in ihren Ruhezustand zurück. Die
längs der optischen Achse 7 des Resonators-sich ausbreitenden Wellen treffen auf
die totalreflektierenden 90o Kegelprismen 2 und 3 und laufen wieder zurück. Sie
lösen auf dem Rückweg in den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen
derselben Frequenz und auch Phase aus, so daß ein sich verstärkender Wellenzug entsteht,
der sich bei laufender Zuführung von Pumpenergie weiter verstärkt und über eine
Auskoppelvorrichtung Energie
nach außen abgeben kann. Die längs
der optischen-Achse 7 laufenden Dichtstrahlen werden innerhalb des konfokalen
linsensystem®.4, 5 im Brennpunkt 8 gebündelt, der von der Blende 6 umgeben ist.
Diese Blende 6 hat einen solchen lochdurcbaesser, daß düs längs. der optischen Achse
7 verlaufende Strahlenbündel nicht behindert wird.
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Infolge der Eigenschaft der 90o-Prismen, auch geneigt zur optischen
Achse 7 einfallende lichtetrahlen parallel .zu. reflektieren, könnten sich beim
Fehlen des konfokalen linsensystems 4, g mit der Blende 6 auch zur optischen Achse
7 geneigte Strahlenbündel zu stehenden Wellen anderer Schwingungsmoden ausbilden.
In der dargestellten Anordnung werden sie jedoch durch die Blende 6 ausgeschaltet.
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Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung, die sich von der nach der Fig. 2
nur durch die Art des konfokalen Linsensystems unterscheidet. Die gonvexlinse 3
ist gegen eine Konvexlinse 9 größerer Brennweite so ausgewechselt worden, daß ein
gemeinsamer Brennpunkt 10 entsteht, um den die Blende 6 angeordnet ist.
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In der Wirkungsweise ist hierdurch insofern. eine Änderung eingetreten.,
als ein größerer Querschnitt des Prismas 3 ausgeleuchtet wird. Das hat eine Reduzierung
der Flächen-_belastung des Prismas zur folge. Zwischen dem Prisma 2 und dem aktiven
Material 1 könnte mit Vorteil zum gleichen Zweck ein weiteres konfokaleg Linsensystem
vorgesehen worden. Die Au®führung®formen nach den Fig. 2 und 3 können j e nach dem
Vorhandensein von Ein- und Auskoppelvorrichttingen als Verstärker oder Oszillatoren
arbeiten.
Die Fig. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte
Ausführungsform für den Prismenreflektor eines Molekularverstärkera
mit
einer erfindungsgemäßen Modenselektionaeinrichtung, die mit
Hilfe
einer Ergänzung gleichzeitig als Auskoppelvorrichtung ausgebildet
ist. Der 2rismenreflektor besteht aus einem
90o Kegelprisma 3, dem
ein rotationssymmetrischer Prismen-
körper 11 so zugeordnet ist,
daß zwischen beiden Teilen ein
Luftspalt 12 einer Breite verbleibt, die
in der Größenordnung einer Lichtwellenlänge liegt. Durch eine an sich
bekannte und deshalb nicht dargestellte Haltevorrichtung
werden beide
Teile in ihrer gegenseitigen Lage fixiert. Dieser Prismen-
reflektor
arbeitet wie folgt: Wie bereits beschrieben,
bilden sich im Reaonator
Wellenzüge aus, die in das Prisma 3
senkrecht zu seiner Basis eindringen.
Ein Lichtstrahl trifft
auf den Kegelmantel des Prismas 3
in Punkt 13. Ein Teil
des Strahls wird reflektiert und läuft
parallel zur Prismenbasis $u den in bezug auf die Symmetrielinie
7 gegenüber-
liegenden Punkt 14 des Kegelmantels. Der andere Teil
des
Strahls durchdringt den Kegelmantel und verläßt das
Priamensystem parallel zur optischen Achse 7. Dar im Prisma 3 ver-
bliebene
Strahl wird zu einem Teil am Punkt 14 erneut
reflektiert und verläßt
das Prisma 3 parallel zur optischen
Achse 7 in der Zeichenebene
der Fig. 4 nach links in Richtung Resonator. Zum anderen Teil
durchdringt er in Punkt 14
den Kegelmantel des Prismas
3, läuft zum Punkt 15 den
äußeren Kegelmantels des Prismenkörpers
11 und wird dort
so reflektiert, daß er den Molekularverstärker
parallel
zur optischen Achse 7 in der Zeiohenebene
der Fig. 4 nach rechts verläßt. Der Anteil der ausgekoppelten
Dichtmenge kann durch Verändern der Breite den Spaltes 12 reguliert
worden.
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Die fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung
eines
Resonators, bei der wie in der Fig. 2 das aktive Material
1,
das konfokale linsensystem 4, 5 und die Blende 6 um die
optische Achse 7 angeordnet sind. Die Prismen 16 und 17 sind jedoch so groß gewählt,
daß das Strahlenbündel, welches das aktive Material 1 durchläuft, nur auf die oberen
Prismenhälften trifft und nach der Totalreflexion seinen Weg längs der Achse 18
am aktiven Material 1 vorbei nimmt. Im Zuge der Achse 18 kann eine optische Richtungsleitung
19 eingebaut sein, die die Ausbreitung der Lichtwellen nur in einer Richtung gestattet.
Anstelle der Richtungsleitung können auch andere optische Elemente, wie z.B. ein
optischer Schalter in den@Strahlengang eingeschaltet werden.
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Die Fig. 6.zeigt eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach
der Fig. 3, bei der das Prisma 16 durch zwei kleine Prismensegmente 20 und das Prisma
17 durch ein Prisma 21 mit einer Ausnehmung ersetzt sind. Beide Möglichkeiten bieten
-eine Verkürzung des Lichtweges im Prismenmedium und damit eine Herabsetzung der
Verluste. Die Ausführung mit den Prismen 20 ermöglicht es außerdem, die optischen
Achsen 7 und 18 weiter auseinanderzurücken ohne den Prismenaufwand wesentlich zu
erhöhen.
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Zum praktischen Betrieb eines Molekularverstärkers mit einem der dargestellten
Resonatoren sind in bekannter Weise eine Einkoppel- und Auskoppeleinrichtung, eine
Beleuchtungseinrichtung, eine Pumplichtquelle und die erforderlichen Halterungselemente
vorzusehen. Diese Anordnungen sind beispielsweise in der Zeitschrift "Applied Optica",
Vol.-3, Nr. 2, Feb. 1964, S. 259-265 ausführlich beschrieben.