DE1439486C3 - Optische Sendeanordnung - Google Patents

Description

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optischer Nachverstärker über ein konfokales Lin- Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das optische

sensystem mit Blende nachgeschaltet ist, wird diese System derart ausgebildet ist, daß eine Bündelung

Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur und im Bedarfsfall eine Vergrößerung des Querschnitts

zusätzlichen Unterdrückung unerwünschter Eigen- des Signallichtes erfolgt.

schwingungen das stimulierbare Medium des opti- 5 Für die praktische Ausführung des Erfindungs-

schen Senders mit kleinem Volumen und die nach- gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn das optische

geschalteten stimulierbaren Medien eines oder meh- System zur Ausblendung der peripheren kohärenten

rerer Nachverstärker mit großem Volumen ausge- Strahlung aus einer Bikonkavlinse und einer Bikon-

bildet sind. vexlinse besteht, denen eine Blende zugeordnet ist.

Zwar sind schon aus Oszillator und Nachverstärker io Derartige optische Systeme sind an sich bekannt,

oder aus mehreren in Kette geschalteten Verstärkern Vorteilhaft ist weiter, daß das optische System

bestehende Anordnungen bekannt, jedoch haben bei derart ausgebildet ist, daß das über dem Querschnitt

diesen alle stimulierbaren Medien ein großes VoIu- mit unterschiedlicher Intensität auftretende kohärente

men, so daß viele Frequenzbänder erzeugt Signallicht nach dem Durchgang durch das optische

werden. 15 System über seinem Querschnitt nahezu gleiche Inten-

Für die praktische Ausführung ist es vorteilhaft, sität aufweist. Das aus dem vorgesehenen Oszillator

wenn das stimulierbare Medium des optischen Senders austretende Signallicht weist in der Strahlmitte näm-

von extremer Kürze und die nachgeschalteten stimu- lieh eine höhere Intensität auf. Eine Harmonisierung

lierbaren Medien von entsprechend größerer Länge der Intensitätsverteilung durch ein optisches System ausgebildet sind. 20 schafft für die Verstärkung im Nachverstärker günsti-

Eingehende Untersuchungen führten zu der Er- gere Voraussetzungen.

kenntnis, daß zumindest mit Festkörpern wie Rubin Zweckmäßig wird die Anordnung so ausgeführt, eine genügend hohe Verstärkung für optische Oszilla- daß der oder die optischen Nach verstärker durch toren bereits mit Längen von einigen Millimetern jeweils einen optischen Resonator mit stark durcherreicht werden kann. Dabei wird vorteilhafterweise 25 lässigen Spiegeln rückgekoppelt sind. Bei Reflexionsdie Verringerung der Linienbreite mit fallender Tem- koeffizienten der Spiegel von beispielsweise 30% peratur, der der Verstärkungskoeffizient umgekehrt läuft das kohärente Signallicht einige Male im optiproportional ist, ausgenutzt. Es wurden beispielsweise sehen Resonator hin und her, wobei der Verstärker bei einem optischen Sender (Oszillator) mit einem nahezu kritisch gemacht werden kann. Der Verstärker 2 mm langen Rubinstab als stimulierbarem Medium 30 kann weiter mit einer äußeren Rückkopplung verbei 77⁰K Schwingungen mit nicht wesentlich höherer sehen werden.

Anregungsenergie als längere Stäbe erfordern, erzeugt. Es ist auch daran gedacht, zur Verstärkung eine

Da sich bei Rubin die Fluoreszenzbandbreite bei Kette von Verstärkern zu wählen, zwischen denen

77°K auf etwa 6 GHz erniedrigt, ist nur noch eine vorzugsweise optische Systeme zur Bündelung, zur

axiale Eigenschwingung existenzfähig, da ihre Fre- 35 Ausscheidung von Störeigenschwingungen oder zur

quenzabstände bei einem 2 mm langen Oszillator Änderung der Intensitätsverteilung des Signallichtes

Af = 42,5 GHz betragen. Aus dem Verhältnis von vorgesehen sind.

Fluoreszenzbandbreite zum Frequenzabstand ist er- In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfin-

sichtlich, daß bei merklich höheren Temperaturen dung ist vorgesehen, daß die stimulierbaren Medien

noch der gleiche Effekt erzielbar ist. 4° von optischem Sender und Verstärker materialgleich

Die bei hoher Verstärkung nicht zu vermeidenden sind und sich vorzugsweise auf gleicher Temperatur

transversalen Eigenschwingungen haben eine geringe befinden, um gleiche Arbeitspunkte in den Verstär-

Intensität und können, da sie andere Richtungen als kungskennlinien zu erhalten.

die axialen Eigenschwingungen haben, durch geo- Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das stimulierbare

metrische Mittel ausgeschieden werden. 45 Medium anisotrop ist oder wenn seine Anisotropie

Die Leistungsabgabe eines solchen geometrisch durch elektrische, magnetische oder mechanische

kurzen Oszillators liegt nach den durchgeführten Unter- Felder erzeugt oder verstärkt ist, und wenn die Achsen

suchungen bei etwa 100 W für alle Eigenschwingungen. der Anisotropie in einer Kette von stimulierbaren

Durch die geringe Länge des Oszillators wird der Medien gleichgerichtet sind. Die Anisotropie der

Einfluß von Inhomogenitäten des stimulierbaren 50 stimulierbaren Medien ist eine wichtige Eigenschaft,

Mediums vorteilhafterweise entscheidend verringert, die in die Verstärkung und den Wirkungsgrad der

so daß der Wirkungsgrad für axiale Eigenschwin- Anordnung eingeht.

gungen mit kleinerer Länge weniger abnimmt, als Die stimulierbaren Medien der Anordnungen beursprünglich erwartet wurde. finden sich in einer oder mehreren Anregungsein-Auf Grund dieser Erkenntnisse ist erfindungsgemäß 55 richtungen und werden durch eine oder mehrere in der Molekularverstärkeranordnung vorgesehen, Anregungslichtquellen mit Energie versorgt. Derdaß der optische Sender einen optischen Resonator artige Anregungseinrichtungen wurden beispielsweise mit einem teildurchlässigen und einem vollständig in der Zeitschrift »Applied Optics«, Bd. 3, Nr. 2, reflektierenden Spiegel enthält, der an der Außenseite Februar 1964 auf den S. 259 bis 265, in dem Artikel der Anordnung liegt. 60 »Exf ocal Pumping of Optical Masers in Elliptical

Die ausgesonderte axiale Eigenschwingung des Mirrors«, ausführlich beschrieben. In Anordnungen

Oszillators wird in einem optischen Verstärker weiter mit mehreren Anregungslichtquellen ist eine auch

verstärkt. Zur Ausschaltung transversaler Eigen- zeitlich differenzierte kontinuierliche und/oder ge-

schwingungen kann der Abstand zwischen Oszillator pulste Energiezufuhr zu den einzelnen stimulierbaren

und Verstärker so groß gewählt werden, daß ihr 65 Medien oder nur bestimmten Bereichen von ihnen

Licht nicht mehr auf die Eingangsöffnung des Ver- möglich.

stärkers fällt. Dies kann ebenfalls durch optische Ergänzend kann in der Anordnung im kohärenten

Systeme bewirkt werden. Strahlengang mindestens eine der Entkopplung die-

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nende optische Richtungsleitung oder ein der Ent- F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Sendean-

kopplung dienendes optisches Dämpfungsglied vor- Ordnung und

gesehen sein. Diese Entkopplungsglieder können so- F i g. 2 ein optisches System zur Veränderung wohl zwischen dem Oszillator und dem Verstärker der Signalstrahlungs-Intensitätsverteilung.
als auch zwischen den Verstärkern angeordnet sein 5 Die F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der und verhüten die Rückwirkung reflektierten Lichtes erfindungsgemäßen Sendeanordnung. Die Signalauf die Eigenschwingungen des im Strahlengang vor- lichterzeugung erfolgt in einem Oszillator, dessen ausgehend angeordneten optischen Resonators. extrem kleiner Fabry-Perot-Resonator aus dem sti-

Eine optische Richtungsleitung besteht beispiels- mulierbaren Medium 1, dem vollständig reflektierenweise aus einem zwischen zwei Polarisatoren ange- io den Spiegel 2 und dem teildurchlässigen Spiegel 3 ordneten Bleiglas, in dem unter dem Einfluß eines besteht. Längs der optischen Achse 4 ist nachsteuerbaren Magnetfeldes eine Faraday-Drehung der folgend ein konfokales System zweier Konvex-Polarisationsebene erfolgt, so daß die hin- und rück- linsen 5 und 6 angeordnet, deren gemeinsamer Brennlaufenden Wellen unterschiedlich gedreht werden und punkt 7 von einer Blende 8 umgeben ist. Im Strahleneine Unterdrückung der in einer anderen Polari- 15 gang liegt anschließend ein optisches Dämpfungssationsebene rücklaufenden Welle erfolgen kann. glied 9, dem ein Nachverstärker folgt, dessen stimu-TJm die Drehung der Polarisationsebene der optischen lierbares Medium 10 sich in einem Fabry-Perot-Richtungsleitung für den Hinweg zu kompensieren, Resonator befindet, der durch die teildurchlässigen kann der Winkel zwischen den Anisotropieachsen Spiegel 11 und 12 begrenzt ist.

der durch die Richtungsleitung entkoppelten stimulier- 20 Zur Energieversorgung sind weiter in an sich bebaren Medien entsprechend eingestellt werden. kannter Weise zwei Anregungseinrichtungen erforder-

Ein einfaches regelbares Dämpfungsglied ist ein lieh, die das Licht zweier Anregungslichtquellen auf

Graukeil, der durch Verschieben quer zur optischen die stimulierbaren Medien 1 und 10 übertragen. Die

Achse unterschiedlich Licht absorbiert. Die Ent- Darstellung dieser Einrichtungen, der erforderlichen

kopplung erfolgt, da das auf dem Hinweg gedämpfte 25 Halterungen und der Stromversorgung wurde aus

und dann nur teilweise reflektierte Licht auf dem Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Rückweg erneut gedämpft wird. Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende.

Außerdem kann mit Vorteil in dem optischen Re- Werden die Atome des stimulierbaren Mediums 1

sonator wenigstens eines optischen Nachverstärkers mittels zugeführter Anregungsenergie bis zur Inver-

eine Einrichtung zur wahlweisen Unterbrechung der 30 sion angeregt, so fallen sie nach kurzer Zeit unter

kohärenten Strahlung des Signallichtes vorgesehen Aussendung von inkohärenten Wellen in Form von

sein, der beispielsweise aus einer Kerrzelle zwischen Lichtwellen in ihren Ruhezustand zurück. Die längs

Polarisatoren oder anderen ähnlich wirkenden An- der optischen Achse 4 sich ausbreitenden Wellen

Ordnungen besteht. Bei der Öffnung des beispiels- treffen auf den Spiegel 2 oder 3 und laufen wieder

weise periodisch gepulsten Schalters wird ein Riesen- 35 zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in den angeregten

impuls ausgelöst, da während der Zeit der Schalter- Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen der-

schließung durch das Anregen des stimulierbaren selben Frequenz und Phase aus, so daß ein sich

Mediums hohe Inversionswerte erreicht wurden. Der verstärkender Wellenzug entsteht. Infolge der extre-

Riesenimpuls hat die Lichtfrequenz des Oszillators, men Kleinheit des Resonators ist nur eine axiale

und durch den hohen Energieverbrauch kommen im 4° Eigenschwingung existent. Durch den teildurch-

Verstärker keine anderen Eigenschwingungen zur lässigen Spiegel 3 tritt nahezu parallele Strahlung aus,

Ausbildung. die im Brennpunkt 7 der Linsen 5 und 6 fokussiert

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfin- wird. Im Oszillator entstandene störende transversale

dungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß in ihr Eigenschwingungen laufen nicht parallel zur optischen

mindestens eine Modulationsvorrichtung angeordnet 45 Achse 4 und werden an der Blende 8 aufgehalten,

ist, wobei die Anisotropieachsen von beispielsweise Nach dem konfokalen Linsensystem 5, 6 durchläuft

Oszillator und Verstärker so angeordnet sein kön- die Strahlung das optische Dämpfungsglied 9. Am

nen, daß der Modulator keinen Diskriminator be- Spiegel 11 reflektierte Strahlung wird beim Rückweg

nötigt. durch das Dämpfungsglied so geschwächt, daß sie

Neben der Einfügung bekannter Lichtmodulatoren 50 im Oszillator 1, 2, 3 keine Störungen hervorruft,

kann eine Modulation beispielsweise über die Dre- Das durch den stark durchlässigen Spiegel 11 in den

hung der Polarisationsebene der Richtungsleitung oder Nachverstärker 10 eindringende Signallicht wird einige

durch Drehung der Anisotropieachse eines stimulier- Male zwischen den Spiegeln 11 und 12 reflektiert,

baren Mediums durch äußere Felder erfolgen. wobei sich der beim Oszillator beschriebene Vorgang

Der Verstärker kann so ausgelegt werden, daß er 55 der Verstärkung wiederholt, bis es durch den schwach

durch das verstärkte Signal wesentlich gesättigt wird verspiegelten Reflektor 12 die Anordnung verläßt,

und daher die Ausgangsamplituden von Betriebs- Ist das stimulierbare Medium 10 Rubin, so ist der

großen unabhängig sind. Unabhängig von der Lei- Verstärker bei einer Länge von 60 mm mit 30 dB

stungsabgabe treten nur axiale Eigenschwingungen schwingungssicher.

auf, die für eine Übertragung über größere Strecken 60 Die F i g. 2 zeigt ein optisches System, das für

verwendbar sind. Im Gegensatz dazu nimmt bei den die Einfügung in die erfindungsgemäße optische

bekannten Verstärkern bei einer Erhöhung der Ver- Sendeanordnung vorgesehen ist. Eingangsseitig für

Stärkung durch kräftigeres Anregen die Leistung der das Signallicht befindet sich eine Konkavlinse 13,

axialen Eigenschwingungen nur wenig zu, weil immer der eine Konvexlinse 14 und eine Blende 15 längs der

mehr Energie für transversale Eigenschwingungen 65 optischen Achse 4 folgt,

verbraucht wird. Das optische System hat folgende Wirkungsweise:

An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Das aus dem Oszillator 1, 2, 3 austretende Signallicht

Erfindung nachstehend näher erläutert. hat über seinem Querschnitt einen Intensitätsverlauf,

der an der optischen Achse 4 ein flaches Maximum hat
und nach außen hin abfällt. Durch die Konkavlinse
wird das Signallicht zerstreut und durch die nachfolgende Konvexlinse 14 wieder parallel gebündelt.
Die Blende 15 sondert aus der Strahlung den inneren

Bereich des flachen Maximums aus, so daß die austretende Strahlung über ihrem Querschnitt eine bäherungsweise konstante Intensität aufweist, die ner Nachverstärker 10 11, 12 vorteilhaft verardeitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1 2 weisen Unterbrechung der kohärenten Strahlung Patentansprüche: des Signallichtes vorgesehen ist 11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in ihr

1. Optische Sendeanordnung für kohärente 5 mindestens eine Modulationsvorrichtung ange-Strahlung aus optisch angeregten stabförmigen ordnet ist.

stimulierbaren Medien, bei welcher einem opti- ■■■'■.

sehen Sender in Baueinheit mindestens ein opti- :

scher Nachverstärker über ein konfokales Linsensystem mit Blende nachgeschaltet ist, dadurch io

gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen

Unterdrückung unerwünschter Eigenschwingungen das stimulierbare Medium (1) des optischen
Senders mit kleinem Volumen und die nachgeschalteten stimulierbaren Medien (10) eines oder 15

mehrerer Nachverstärker mit großem Volumen Die Erfindung betrifft eine optische Sendeanordnung

ausgebildet sind. für kohärente Strahlung aus optisch angeregten stab-

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- förmigen stimulierbaren Medien, bei welcher einem kennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (1) optischen Sender in Baueinheit mindestens ein optides optischen Senders von extremer Kürze und 20 scher Nachverstärker über ein konfokales Linsendie nachgeschalteten stimulierbaren Medien (10) system mit Blende nachgeschaltet ist.

von entsprechend größerer Länge ausgebildet Ein optischer Resonator des Fabry-Perot-Typs,

sind. bei dem das stimulierbare Medium zwischen zwei Qj

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch planparallel gegenüberstehenden Spiegeln angeordnet gekennzeichnet, daß der optische Sender (1 bis 3) 25 ist, hat für ebene Wellen in Achsenrichtung, sogenannte einen optischen Resonator (2, 3) mit einem teil- axiale Eigenschwingungen, eine hohe Güte. Der durchlässigen Spiegel (3) und einem vollständig Frequenzabstand Af dieser Eigenschwingungen bereflektierenden Spiegel (2) enthält, der an der trägt, wenn die Spiegel unmittelbar an das stimulier-

Außenseite der Anordnung liegt. , _x, ,. _Λ, 2.In , . ,. _T . .

. _k , UAU1JJ1 bare Medium grenzen Af = —, wobei c die Licht-

4. Anordnung nach Anspruch I, dadurch ge- 30 ^{6 J} c '

kennzeichnet, daß das optische System derart geschwindigkeit, / der Spiegelabstand und π der ausgebildet ist, daß eine Bündelung und im Be- Brechungsindex des stimulierbaren Mediums sind, darfsfall eine Vergrößerung des Querschnitts des Wenn Af kleiner als die Linienbreite des stimulier-Signallichtes erfolgt. baren Mediums ist, können in einem optischen Sender

5. Anordnung nach Anspruch I, dadurch ge- 35 für kohärente Strahlung gleichzeitig mehrere Eigenkennzeichnet, daß das optische System (13 bis 15) schwingungen existent sein, was für die meisten Anzur Ausblendung der peripheren kohärenten Wendungen sehr störend ist. Bei Festkörpersendern Strahlung aus einer Bikonkavlinse (13) und einer können infolge der hohen Linienbreite hunderte von Bikonvexlinse (14) besteht, denen eine Blende (15) axialen Eigenschwingungen in Resonatoren von einigen zugeordnet ist. 40 Zentimetern Länge auftreten. Neben den axialen

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- Eigenschwingungen existieren bei genügend hoher kennzeichnet, daß der oder die optischen Nach- Verstärkung in geringerer Intensität auch transversale verstärker (10) durch jeweils einen optischen Re- Eigenschwingungen, bei denen das Signallicht unter sonator mit stark durchlässigen Spiegeln rückge- einem kleinen Winkel zur Normalen auf die Spiegel r koppelt sind. 45 auftrifft. V

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch Bei einer Fluoreszenzbandbreite von 2 Ä bei gekennzeichnet, daß die stimulierbaren Medien Zimmertemperatur und einer Grundwellenlänge von von optischem Sender und Nachverstärkern mate- 6940 Ä entspricht die Fluoreszenzbandbreite einer Verrialgleich sind. Stärkungsbandbreite von 120 GHz. In einem üblichen

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 50 Rubinsender von 8 cm Länge mit einem Brechungs-6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das stimu- index 1,76 entstehen also gleichzeitig etwa 120 äquilierbare Medium anisotrop ist oder daß seine distante Frequenzen mit einem Frequenzabstand Anisotropie durch elektrische, magnetische oder Af ^ 1 GHz.

mechanische Felder erzeugt oder verstärkt ist Berücksichtigt man, daß zwischen zwei axialen

und daß die Achsen der Anisotropie in einer 55 Eigenschwingungen unter Umständen noch die Fre-

Kette von stimulierbaren Medien (1, 10) gleich- quenzen zahlreicher transversaler Eigenschwingungen

gerichtet sind. liegen, so ergibt sich, daß die bekannten optischen

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Sender ein Frequenzgemisch liefern, das für feinere Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im nachrichtentechnische Zwecke unbrauchbar ist.
kohärenten Strahlengang des Signallichts minde- 60 Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe stens eine der Entkopplung dienende optische besteht vor allem darin, eine optische Sendeanord-Richtungsleitung oder ein der Entkopplung die- nung zu realisieren, die bei relativ hoher Ausgangsnendes optisches Dämpfungsglied (9) vorgese- leistung nur ein einziges oder einige wenige schmale hen ist. Frequenzbänder liefert.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden 65 Ausgehend von einer optischen Sendeanordnung Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im für kohärente Strahlung aus optisch angeregten staboptischen Resonator wenigstens eines optischen förmigen stimulierbaren Medien, bei welcher einem Nachverstärkers (10) eine Einrichtung zur wahl- optischen Sender in Baueinheit mindestens ein