DE1489978C - Optischer Sender oder Verstarker mit einer Anordnung zur Auswahl von Eigenschwin gungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung ermöglicht auf sehr einfache Weise ' p + i bedeutet, daß sein Wellenbauch mit einem Kno-

eine wirksame Begrenzung der Längsmoden durch ten des Modus ρ an der Stelle zusammentrifft, an der

eine Modulation der räumlichen Verteilung der In- die Phasenverschiebung 90° beträgt. Wenn also eine

version der Besetzungsdichte längs der Achse des Schwingung mit dem Modus ρ vorhanden war oder

Resonators. Diese Modulation wird erreicht, indem 5 noch anhält, so hängt die Schwingung im Modus

die Existenz einer Besetzungsumkehr an einer oder p+i von dem Maß der Inversion nahe dem Ort, an

mehreren bestimmten Stellen längs der Achse des dem dieser Modus eine Phasenverschiebung von 90°

optischen Resonators verhindert wird. Auf diese aufweist, sowie von dem Übergangsquerschhitt an

Weise kann die qualitative Gestalt des Spektrums der der Stelle dieses Modus im Spektrum ab, der durch

kohärenten Strahlung verändert werden. · io die Gestalt der Fluoreszenzlinie bestimmt ist. Unter

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Auswahl normalen Bedingungen wirken diese Faktoren zuvon Eigenschwingungen ist besonders dazu geeignet, sammen, um eine Schwingung in einem dem Modus ρ in Verbindung mit Techniken zur Auswahl von benachbarten Modus sehr wahrscheinlich zu machen. Transversalmoden benutzt zu werden und kann Die Anfachung benachbarter Eigenschwingungen außerdem auch in Verbindung mit Mehrreflektoren- 15 kann jedoch verhindert werden, indem die räumliche Resonatoren benutzt werden, wenn eine extrem Verteilung der Besetzungsumkehr längs der Achse monochromatische Strahlung erzielt werden soll. An- des Resonators moduliert wird.. Wenn beispielsweise dererseits kann die erfindungsgemäße Anordnung in eine Besetzungsumkehr in der Mitte des optischen mit kohärentem Licht arbeitenden Doppler-Radarge- . Resonators verhindert wird, sind Schwingungen im raten Anwendung finden, bei denen ein Zweimoden- 20 Modus p + 1 nach oder während Schwingungen im Schema mit bestimmbarem Frequenzabstand benö- Modus ρ sehr viel unwahrscheinlicher als Schwintigt wird, das sowohl ein Ausgangssignal hoher Ener- gungen im Modus ρ + 2. In gleicher Weise kann die gie als auch ein zur Überlagerung der empfangenen Wahrscheinlichkeit von Schwingungen anderer Mo-Energie dienendes Signal liefert. den vermindert werden, indem die Besetzungsumkehr . Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Er- 25 an anderen Stellen des Resonators vermindert wird, findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung Durch die Verwendung dieses allgemeinen Prinzips der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- können Vorrichtungen konstruiert werden, die in spiele. Es zeigt hohem Maße eine Beeinflussung des Spektrums der

F i g. 1 ein Diagramm der Absolutwerte von Pha- kohärenten Strahlung gestatten.

sendifferenzen zwischen den Umhüllenden der stehen- 30 Es gibt viele- spezielle Anordnungen, die eine

den Wellen, die den Eigenschwingungen oder Mo- räumliche Modulation der Besetzungsumkehr mög-

den ρ und p + i entsprechen, als Funktion des Ortes Hch machen. Eine der einfachsten Techniken besteht

auf der Längsachse des optischen Resonators, darin, die erforderlichen Bereiche des stimulierbaren

F i g. 2 eine ,schematische Darstellung eines op- . Mediums gegen die Anregungsstrahlung abzuschir-

tischen Senders mit einer Anordnung zur Auswahl 35 men. Diese Technik wurde bei den ersten Versuchen

von Eigenschwingungen nach der Erfindung, benutzt und ist in F i g. 2 veranschaulicht.

F i g. 3 eine Tabelle zur Veranschaulichung der mit F i g. 2 zeigt einen Rubinstab 11, der .25 mm lang

dem optischen Sender nach F i g. 2 erzielten experi- ist und einen Durchmesser von 3 mm hat. Seine

mentellen Ergebnisse und Stirnflächen sind mit Silberspiegeln 13 versehen, die

F i g. 4 und 5 Darstellungen zweier weiterer Aus- 40 einen optischen Resonator 15 begrenzen. Der Reso-

führungsformen der Erfindung. . nator 15 ist in einer elliptisch-zylindrischen An-

Die Erfindung befaßt sich mit den Wirkungen einer regungskammer 17 angeordnet, in der sich eine geräumlichen Modulation des zur Anregung dienenden radlinige Xenon-Blitzlampe 19 befindet. Diese Blitz-Lichtes auf die axialen Eigenschwingungen oder lampe dient als Energiequelle zur Anregung des Sta-Moden eines optischen Senders oder Verstärkers mit 45 bes 11 in einen Zustand der Besetzungsumkehr. Bei einem stimulierbaren Medium in Gestalt eines stab- dieser Ausführungsform der Erfindung ist ein Meförmigen festen Körpers. Die allgemeinen Prinzipien, tallband 21, dessen Breite zwischen 1 und 4 mm Heauf denen die Erfindung beruht, werden am besten gen kann, in der Mitte des Stabes 11 angeordnet und durch die folgenden Betrachtungen verständlich. Es schirmt den sich unmittelbar unterhalb des Bandes sei zunächst die Eigenschwingung einer stehenden 5° 21 befindenden Abschnitt des Stabes gegen die AnWelle im optischen Resonator betrachtet. Die axiale regungsstrahlung ab, die von der Blitzlampe 19 emit-Intensitätsverteilung einer Eigenschwingung, die den tiert wird. Es können jedoch auch noch weitere Meaxialen Index ρ aufweist, ist dem Wert sin² (2 π ZlX₁) tallbänder benutzt werden, um weitere Abschnitte proportional. In diesem Ausdruck ist λ_ρ die Wellen- des Stabes 11 gegen die Anregungsstrahlung abzülänge der Strahlung mit dieser Eigenschwingung 55 schirmen. Das stimulierbare Medium wurde auf Ni- und ζ die Entfernung auf der Achse des Resonators. veaus angeregt, die bis zu etwa 15%> über dem Unter der Annahme, daß keine räumliche Relaxation Schwellenwert lagen, und es wurde das Spektrum der vorhanden ist, wird die räumliche Verteilung der Be- stimulierten kohärenten Strahlung mit Hilfe eines Setzungsumkehr der Eigenschwingung gemäß modu- Fabry-Perot-Interferometers beobachtet. Die Ergebliert. Im folgenden seien die Absolutwerte der Pha- 60 nisse sind in der Tabelle nach F i g. 3 zusammengesendifferenzen zwischen den Umhüllenden stehender faßt, welche die Spektren der-Eigenschwingungen Wellen betrachtet, die der obengenannten Eigen- zeigt, die bestimmten Metallanordnungen entsprcschwingung und den benachbarten Eigenschwingun- chen. In manchen Fällen, insbesondere bei Anwcngen mit den Indizes p±i, p+2, p±3 usw. entspre- dung komplizierterer Metallbandanordnungen, wurde chen. Die Phasendifferenzen, wenn sie als Funktion 65 auch die Existenz schwacher Moden beobachtet. Die des Ortes auf der Resonatorachse aufgetragen wer- Intensität der Eigenschwingungen wurde jedoch nicht den, haben die in Fig. I gezeigte Form. Eine Phasen- genau gemessen, und es soll die Höhe der Spektralverschiebung von 90° für einen gegebenen Modus linien in Fig. 3 nur einen groben Überblick über

die Intensität der Eigenschwingungen geben und nur die Unterscheidung zwischen starken, schwachen und sehr schwachen Linien'ermöglichen.

Die abgeschirmten Bereiche führen Verluste für die unerwünschten Eigenschwingungen und, in geringem Maße, auch für die erwünschten Eigenschwingungen ein. Verluste in den erwünschten Eigenschwingungen können jedoch vermieden werden, indem die abgeschirmten Abschnitte des stimulierbaren stabförmigen Mediums durch einen undotierten Kristall ersetzt werden. Diese Technik ist in F i g. 4 veranschaulicht. F i g. 4 zeigt einen Rubinstab 41, der mit Silberspiegeln 43 und einer undotierten Zone 45 versehen ist. Im übrigen kann die Anordnung ebenso ausgebildet sein wie die in Fig. 2 dargestellte. Im Fälle eines Rubins als stimulierbares Medium kann als geeignetes Material für die undotierte Zone 45 Saphir benutzt werden. Auf diese Weise erhält man einen zusammengesetzten Stab, der abwechselnd aus kurzen Zylinderstücken eines stimulierbaren Mediums und eines undotierten Kristalls besteht.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 5. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere stimulierbare, stabförmige Medien 51, von denen nur zwei dargestellt sind, in einem optischen Resonator angeordnet, der von den Silberspiegeln 53 begrenzt wird, die an den äußeren Stirnflächen der stabförmigen Medien 51 angebracht sind. Die Anregung kann auch hier wieder ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 erfolgen. Wie ersichtlich, ist der abgeschirmte Abschnitt der Ausführungsform nach F i g. 2 und der undotierte Bereich der Ausführungsform nach Fi g. 4 nun durch einen Zwischenraum 55 zwischen den stabförmigen Medien 51 ersetzt. Es. kann vorteilhaft sein, die inneren Stirnflächen der stabförmigen Medien 51 mit Antireflexbelägen 57 zu versehen. Andererseits kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, einige der Flächen reflektierend zu belassen oder sogar ihr Reflexionsvermögen zu erhöhen, um die Methoden der Auswahl der Eigenschwingungen nach der Erfindung mit der Technik der Mehrreflektoren-Resonatoren zu kombinieren, wie sie von D. A. Kleinmann und P. P. Kislink in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, Vol.41, S.453 (1962), und von M. Birnbaum und T. L. Stocker in der Zeitschrift »Journal of Applied

ίο Physics«, Vol. 34, S. 3414 (1963), beschrieben worden ist.

Die schwachen Eigenschwingungen, die in dem Spektrum der kohärenten Strahlung des an Hand F i g. 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles vorhanden sind, können durch die Anwendung der verbesserten Ausführungsformen der Erfindung nach den F i g. 4 und 5 eliminiert werden.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß durch die Erfindung optische Sender und Verstärker mit fest-

2f> legbaren Längsmoden geschaffen werden, deren Ausgangsspektrum qualitativ verändert werden kann, während der Zustand einfacher stehender Wellen in einem kurzen Resonator beibehalten wird.

Bei der Anwendung der Erfindung kann an Stelle von Rubin jedes feste stimulierbare Medium benutzt werden, in dem die räumliche Relaxation genügend langsam ist. Weiterhin kann auch die Art der Anregungskammer und der die Anregungsenergie liefernden Lichtquelle von den hier beschriebenen Ausführungsformen verschieden sein. Die Erfindung ist weiterhin sowohl bei Impuls- als auch bei Dauerstrichbetrieb anwendbar. Die den optischen Resonator begrenzenden Silberspiegel können durch dielektrische Reflektoren ersetzt werden, und es können Reflektoren beliebiger Art entweder an den Stirnflächen des stimulierbaren Körpers befestigt oder im Abstand von dessen Stirnflächen angebracht sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 bildet, sollen die Abstände benachbarter, verstärkend Patentansprüche: wirkender Teilbereiche in Richtung der Achse so gewählt werden, daß die Intensitätsmaxima der be-

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einer züglich ihrer Frequenz ausgewählten Strahlung gegen-Anordnung zur Auswahl von Eigenschwingungen, 5 über denjenigen anderer im Resonator möglicher dessen in einem optischen Resonator angeordne- ^ Frequenzen verstärkbarer Strahlung in so viel grötes, durch eine optische Strahlung stimulierbares ßerer Anzahl in diese Teilbereiche fallen, daß der Medium in Form eines eine Längsachse aufwei- Verstärkungsfaktor für die ausgewählte Strahlung senden festen Körpers vorliegt, in welchem sich wenigstens um etwa 3 °/o größer ist, so daß diese Abdie Energie der kohärenten Strahlung längs der io stände im wesentlichen in der Größe der halben Achse auf mehrere stehende Wellen verschiede- Wellenlänge oder ganzzahliger Vielfacher derselben ner Wellenlänge verteilen kann und der längs liegen. Nach diesem Vorschlag soll es auch noch seiner Achse mehrere aufeinanderfolgende, zur zweckmäßig sein, die Abstände zwischen den zur Verstärkung der kohärenten Strahlung geeignete, Verstärkung geeigneten Teilbereichen ebenfalls in die durch nicht strahiungsverstärkend wirkende Be- 15 Größenordnung einer halben Wellenlänge der zu verreiche voneinander getrennte Teilbereiche auf- stärkenden Strahlung zu bringen. Es ist ersichtlich, weist, deren Abstände so gewählt sind, daß für daß es relativ schwierig ist, eine Vielzahl axial hintereine der stehenden Wellen ein größerer Verstär- einander angeordneter Teilbereiche zu verwenden, kungsf aktor erzielt wird als für andere, dadurch die abwechselnd verstärkend und nicht verstärkend gekennzeichnet, daß die nicht strahlungs- so wirken und die jeweils in der Größenordnung einer verstärkenden Bereiche (21, 45, 55) an Stellen halben Wellenlänge der zu verstärkenden Strahlung vorliegen, an denen die Phasenverschiebung zwi- oder ganzzahliger Vielfacher der halben Wellenlänge sehen der stehenden Welle mit der gewünschten liegen.

Wellenlänge und der stehenden Welle mit der un- Ein weiterer Vorschlag zur Herstellung eines operwünschten Wellenlänge in der Umgebung von 35 tischen Verstärkers mit einer Anordnung zur Aus-90° liegt. wahl von Eigenschwingungen geht dahin, einen ring-

2. Optischer Sender oder Verstärker nach An- förmig ausgebildeten stimulierbaren Körper in Raspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimu- dialrichtung immer dünner und in Axialrichtung lierbare Medium (11) an den nicht strahlungs- immer schmaler zu machen. Weil diese Forderung verstärkenden Bereichen (21) zur Abschirmung 30 durch Vermindern der Stärke des den Ring bildender Anregungsstrahlung von Metallbändern um- den Materials nicht erfüllt werden kann, ohne die geben ist. Festigkeit des Ringes übermäßig zu beeinträchtigen,

3. Optischer Sender oder Verstärker nach An- wird weiter vorgeschlagen, daß der Ring aus' einem spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimu- lichtdurchlässigen Grundmaterial hergestellt und dielierbare Medium (41) aus Zylinderabschnitten zu- 35 ses Grundmaterial lediglich in einer ringförmigen sammengesetzt ist, die abwechselnd aus wirk- Zone mit aktiven Ionen angereichert wird. Bei diesamem Rubin und aus die undotierten Teilab- sem vorgeschlagenen optischen Verstärker ist daher schnitte bildenden unwirksamem Saphir (45) be- das Gebiet, in dem sich das kohärente Licht bestehen, wegt, vollständig dotiert. Für stabförmige stimu-

4. Optischer Sender oder Verstärker nach An- 40 lierbare Medien ist dieser Vorschlag praktisch unspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sti- geeignet.

mulierbare Medium (51) an den Stellen (55), an Endlich ist es bekannt, bei einem optischen Sender

denen nicht Strahlungsverstärkende Bereiche vor- oder Verstärker mit einem stabförmigen stimulierhanden sind, unterbrochen ist. baren Medium dieses Medium zum Zwecke der Aus-

45 wahl von Eigenschwingungen aus mehreren Teilen zusammenzusetzen, die aneinander anstoßen. Die ein-

zelnen Teilstücke sollen jeweils die Bedingungen

einer Fabry-Perot-Resonanz erfüllen, was zur Folge

hat, daß diejenigen Schwingungen bevorzugt werden,

50 für die in allen Teilstücken eine Fabry-Perot-Reso-

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen nanz erfüllt ist. Es handelt sich dabei um die Technik Sender oder Verstärker mit einer Anordnung zur der Mehrreflektoren-Resonatoren, die wegen der Auswahl von Eigenschwingungen, dessen in einem hohen Genauigkeit, mit der die Resonatoren angeoptischen Resonator angeordnetes, durch eine op- ordnet und an der vorgesehenen Stelle gehalten wertische Strahlung stimulierbares Medium in Form 55 den müssen, einen erheblichen technischen Aufwand eines eine Längsachse aufweisenden festen Körpers erfordern.

vorliegt, in welchem sich die Energie der kohärenten Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe

Strahlung längs der Achse auf mehrere stehende zugrunde, mit sehr einfachen Mitteln eine Auswahl Wellen verschiedener Wellenlänge verteilen kann und von Eigenschwingungen zu ermöglichen und insbeder längs seiner Achse mehrere aufeinanderfolgende, 60 sondere ein sprunghaftes Wechseln zwischen verzur Verstärkung der kohärenten Strahlung geeignete, schiedenen Eigenschwingungen zu unterdrücken,
durch nicht strahiungsverstärkend wirkende Bereiche Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

voneinander getrennte Teilbereiche aufweist, deren gelöst, daß die nicht Strahlungsverstärkenden Bereiche Abstände so gewählt sind, daß für eine der stehenden an Stellen vorliegen, an denen die Phasenverschie-Wcllen ein größerer Verstärkungsfaktor erzielt wird 65 bung zwischen der' stehenden Welle mit der geals für andere. wünschten Wellenlänge und der stehenden Welle mit

Bei einem solchen optischen Sender oder Verstär- der unerwünschten Wellenlänge in der Umgebung ker, der den Gegenstand eines früheren Vorschlages von 90° Hegt.