DE1514087C - Optical transmitter - Google Patents
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen dium 10 dargestellt. Der von einer schraubenförmigen Sender mit Steuerung des Gütefaktors seines opti- Entladungsblitzlampe 11 umgeben ist, die aus einer sehen Resonators (ß-Schaltung), bei dem in Abhän- passenden Energiequelle 12 gespeist wird. Die den gigkeit von dem vom stimulierbaren Medium aus- optischen Resonator begrenzenden Endspiegel 13 gehenden Licht ein innerhalb des optischen Resona- 5 und 14 dienen der Rückkopplung des optischen Sentors angeordneter Absorber ausbleichbar ist, der bei ders. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Unterbrechung des Lichteinfalls wieder in den im sind diese Spiegel zu 100% bzw. 85°/o reflektierend, wesentlichen lichtundurchlässigen Zustand in rever- Eine Lichtsteuereinrichtung gemäß der Erfindung hat sibler Weise zurückfällt, und der die für die Auf- hier die Form einer Quarzquelle 15, in der eine speicherung eines höheren Energiebetrages im stimu- io chemische Substanz 16 eingeschlossen ist. Bei diesem lierbaren Medium erforderliche Zeitverzögerung be- Ausführungsbeispiel besteht die chemische Substanz wirkt. 16 beispielsweise aus einem umkehrbar bleichfähigen Ein solcher optischer Sender ist bereits bekannt organischen Farbstoff, wie in Methylalkohol ge-(vgl. IBM-Journal of Research and Development, löstem Kryptocyanin. Die Konzentration des Krypto-Bd. 8, Nr. 2, April 1964, S. 182 bis 184). Bei dem 15 eyanins kann in der Größenanordung von 1015 Molebekannten optischen Sender werden Phthalzyanin- küle pro cm3 Methylalkohol in einer Zelle von 1 cm moleküle in Lösung als Absorber verwendet. Phthal- Länge sein.The invention relates to an optical medium 10 shown. Which is surrounded by a helical transmitter with control of the quality factor of its optical discharge flash lamp 11, which is made up of a resonator (β-circuit), in which a suitable energy source 12 is fed in dependent. The light emanating from the end mirror 13 limiting the stimulable medium, the optical resonator within the optical resonator 5 and 14 are used for feedback of the optical sensor arranged absorber can be bleached, which can be bleached in the case of the embodiment shown here, interruption of the incident light In the im these mirrors are 100% or 85% reflective, essentially opaque state in reverse Storage of a higher amount of energy in the stimu- io chemical substance 16 is included. In the case of this lubricatable medium, the time delay is required when the chemical substance is active. 16 for example from a reversibly bleachable. Such an optical transmitter is already known organic dye, such as kryptocyanine dissolved in methyl alcohol (cf. IBM Journal of Research and Development. The concentration of crypto-Vol. 8, No. 2, April 1964 , Pp. 182 to 184). With the 15 eyanins, in the range of 10 15 moles known optical transmitters, phthalocyanine molecules per cm 3 of methyl alcohol in a cell with 1 cm molecules in solution are used as absorbers. Be phthalic length.
cyaninfarben haben jedoch im angeregten Zustand Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das stimu-cyanine colors, however, in the excited state. In this embodiment, the stimu-
eine verhältnismäßig lange Lebensdauer, weswegen lierbare Medium 10 aus einem Rubinkristall vona relatively long lifespan, which is why lable medium 10 made of a ruby crystal from
die Q-Schaltung bei Verwendung eines solchen Ab- 20 etwa 10 cm Länge und etwa 9,5 mm Durchmesser,the Q-circuit when using such an ab- 20 about 10 cm in length and about 9.5 mm in diameter,
sorbers vergleichsweise langsam stattfindet. dotiert mit 0,05 Gewichtsprozent Chrom. Die durchsorbers takes place comparatively slowly. doped with 0.05 percent by weight chromium. By
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Cr3+ bestimmte Wellenlänge der stimulierten Emis-The invention is based on the object of defining a certain wavelength of the stimulated emission in Cr 3+
einem optischen Sender der eingangs genannten Art sion B dieses optischen Senders beträgt 6943 Ä; beian optical transmitter of the type mentioned sion B of this optical transmitter is 6943 Å; at
eine ganz besonders schnelle Steuerung des Güte- dieser Wellenlänge bietet das Kryptocyanin einena particularly fast control of the quality - this wavelength is offered by the cryptocyanine
faktors seines optischen Resonators zu ermöglichen 25 großen Absorptionsquerschnitt dar. Die Zelle istfactor of its optical resonator to enable 25 large absorption cross-section. The cell is
und auf diese Weise einen kurzzeitigen Laser- somit praktisch dunkel oder undurchsichtig und ver-and in this way a short-term laser - thus practically dark or opaque and
strahlungsimpuls (Riesen-Impuls) von ganz beson- hindert jegliche stimulierte Emission in dem opti-radiation impulse (giant impulse) of very special- prevents any stimulated emission in the optimal
ders hohem Energiegehalt zu ermöglichen, der bei- sehen Resonator während des anfänglichen AnregensThis high energy content to enable the two resonators during the initial excitation
spielsweise zur Entfernungsmessung geeignet ist. des stimulierbaren Mediums.for example, is suitable for distance measurement. of the stimulable medium.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch 30 Bei Nichtvorhandensein der Lichtsteuerzelle 15 ergelöst, daß der Absorber aus einer reversibel bleich- gibt ein Schwellenwert von etwa 900 Joule eine baren Lösung von Kryptocyanin mit einem für die kohärente Ausstrahlung. Bei Anordnung der Licht-Wellenlänge der stimulierten Emission hohen Ab- Steuerzelle in dem optischen Resonator ist eine Einsorptionsquerschnitt besteht. gangsenergie von etwa 3000 Joule erforderlich, umAccording to the invention, this object is achieved by 30 If the light control cell 15 is not present, that the absorber from a reversible bleach gives a threshold of about 900 joules a bar solution of cryptocyanine with one for the coherent radiance. When arranging the light wavelength the stimulated emission high Ab control cell in the optical resonator is an absorption cross section consists. output energy of about 3000 joules is required
Vorzugsweise wird dabei in Methylalkohol ge- 35 Laser-Riesenimpulse von etwa 20 MW Spitzen-35 Giant laser pulses of around 20 MW peak
löstes Kryptocyanin als Absorber verwendet. leistung zu erzeugen.dissolved cryptocyanine is used as an absorber. to generate power.
Kryptocyanin hat eine ganz besonders kurze Die Art und Weise, in welcher die Lichtsteuerzelle »Erholungszeit«, welche eine außerordentlich kurze 15 von Fig. 1 die Auslösung verzögert, bis ein Dauer des Schaltvorganges ermöglicht. Mit anderen außergewöhnlich hoher Energiebetrag in dem stimu-Worten: Die Rückfallzeit für die angeregten Mole- 40 lierbaren Medium aufgestaut ist, und die Art und küle in deren ursprünglichen inerten Zustand, d. h. Weise, in der diese Energie dann freigegeben wird, aus dem lichtdurchlässigen in den lichtundurchlässi- läßt sich an Hand von F i g. 2 noch besser verstehen, gen Zustand, ist ganz außerordentlich kurz. Sie liegt In F i g. 2 ist ein Kurvenbild gezeigt, dessen Ordibeispielsweise in der Größenordnung von 10~10 s. nate 17 qualitativ das Maß der Lichtdurchlässigkeit Diese Schaltzeit ist um mindestens eine volle Größen- 45 oder Durchsichtigkeit der organischen Farbe in der Ordnung günstiger im Vergleich zu den in Lösung Zelle 15 von F i g. 1 und dessen untere, gestrichelte befindlichen Phthalcyaninmolekülen des bekannten Abszisse 18 das Maß des Lichtstromes einer Lichtoptischen Senders. quelle veranschaulicht, die linear und getrennt von Kryptocyanin has a particularly short The way in which the light control cell "recovery time", which is an extraordinarily short 15 from FIG. 1, delays the triggering until a duration of the switching process is possible. With another exceptionally high amount of energy in the stimu-words: the fallback time for the excited mole- 40 lable medium is pent up, and the kind and küle in their original inert state, ie the way in which this energy is then released from the translucent in the opaque can be seen on the basis of FIG. 2 understand even better, gen state, is extremely short. It is in FIG. 2 shows a graph, the order of which is, for example, in the order of magnitude of 10 ~ 10 s. Nate 17 qualitatively the measure of the light transmission This switching time is at least one full size or transparency of the organic color in the order more favorable compared to the solution cell 15 of FIG. 1 and its lower, dashed phthalcyanine molecules of the known abscissa 18 the measure of the luminous flux of a light-optical transmitter. source illustrates that linear and separate from
Die Folge davon ist, daß ein kurzzeitiger Laser- dem Laser von F i g. 1 variiert werden kann. Die ge-The consequence of this is that a short-term laser- the laser from FIG. 1 can be varied. The GE-
strahlungsimpuls von außergewöhnlich hohem Ener- 50 strichelte Kurve 19 ist mit Bezug auf die Ordinate 17Radiation pulse of exceptionally high energy 50 dashed curve 19 is with reference to the ordinate 17
giegehalt zustande gebracht werden kann, der bei- und die Abszisse 18 gezeichnet und veranschaulichtEnergy content can be brought about, the at- and the abscissa 18 drawn and illustrated
spielsweise zur Entfernungsmessung in einem Radar- qualitativ das Maß der Durchlässigkeit der Zelle 15For example, to measure the distance in a radar, qualitatively the degree of permeability of the cell 15
system, bei dem die Laserenergie nutzbar gemacht entsprechend eines sich gleichmäßig von Null bis zusystem in which the laser energy is harnessed according to an evenly distributed from zero to
ist, mit sehr gutem Erfolg brauchbar ist. einem Maximalwert ändernden Lichtstromes.is usable with very good success. a maximum value of changing luminous flux.
Außerdem hat Kryptocyanin auch besonders gute 55 Wie dargestellt, wird die Lichtdurchlässigkeit derIn addition, cryptocyanine also has particularly good 55 As shown, the light transmission of the
Löslichkeitseigenschaften im Vergleich zu Phthal- Zelle zunächst größer, wenn die in Lösung befind-Solubility properties compared to phthalic cells are initially greater when the
cyanin. Eine Kryptocyaninlösung ist stabiler und liehen Moleküle durch das einfallende Licht ange-cyanine. A cryptocyanine solution is more stable and molecules are borne by the incident light.
daher auch in dieser Hinsicht vorteilhafter als Phthal- regt werden. Die Geschwindigkeit der Änderung dertherefore, in this respect too, it is more advantageous than phthalate stimulation. The speed of change in
cyaninlösungen. Lichtdurchlässigkeit mit der Zeit ist zunächst relativcyanine solutions. Light transmission over time is initially relative
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der 60 langsam und nimmt dann zu, so daß sich eine etwaIn the following the invention with reference to the 60 slowly and then increases, so that an approximately
Zeichnung beispielsweise näher erläutert. S-förmige Kurve ergibt, die nach dem Zustand derDrawing explained in more detail, for example. S-shaped curve that follows the state of the
Fig. 1 zeigt eine sehr schematische Darstellung Lichtdurchlässigkeit hin asymptotisch verläuft,
eines Riesenimpuls-Lasers mit einer Lichtsteucrein- Die Abszisse 20 stellt die Zeit und die voll gerichtung
gemäß der Erfindung; zeichnete Kurve die LichtdurchlässigkeitsänderungFig. 1 shows a very schematic representation of light transmission running asymptotically,
a giant pulse laser with a Lichtsteucrein- The abscissa 20 represents the time and the full direction according to the invention; plotted curve the change in transmittance
Fig. 2 zeigt eine qualitative Darstellung der Cha- 65 der Zelle 15 bei Einbau in das Riesenimpuls-Laser-Fig. 2 shows a qualitative representation of the character 65 of the cell 15 when installed in the giant pulse laser
rakteristik der Lichtsteuereinrichtung zur Erläuterung system gemäß Fig. 1 dar. In diesem Falle wird dieCharacteristic of the light control device for explaining the system shown in FIG. 1. In this case, the
der Arbeitsweise der Einrichtung von Fi g. 1. Lichtintensität nicht gleichmäßig erhöht; vielmehrthe operation of the establishment of Fig. 1. Light intensity not increased evenly; much more
In Fig. 1 ist ein Kristall als stimulierbares Me- befindet sich, wenn die optische Anregung eine Be-In Fig. 1 a crystal is located as a stimulable measurement when the optical excitation is a
Setzungsumkehr in dem stimulierbaren Medium 10 bewirkt, praktisch kein Licht in dem optischen Resonator. Somit bleibt die Zelle praktisch dunkel oder undurchsichtig, wie dies durch den anfänglichen horizontalen Teil 21 der voll ausgezeichneten Kurve angedeutet wird. Es kann eine geringe Lichtundurchlässigkeit vorhanden sein, wodurch eine schwache Neigung der Linie 21 in Richtung auf die Durchlässigkeit hin bewirkt wird.Reversal of settlement in the stimulable medium 10 causes practically no light in the optical resonator. Thus, the cell remains practically dark or opaque, as was the case with the initial one horizontal part 21 of the fully distinguished curve is indicated. It can have a low level of opacity be present, creating a slight incline of the line 21 towards the permeability is effected.
Zu einer gegebenen Zeit Tl, wenn eine beträchtliche Energiemenge durch das stimulierbare Medium absorbiert ist, wird eine erste Auslösung kohärenter Quanten eingeleitet. Die Zelle 21 ist nicht so undurchsichtig, daß nicht doch eine gewisse Rückkopplung zwischen den Endspiegeln 13 und 14 stattfinden könnte. Diese Rückkopplung vergrößert jeden kleinen aus der Zelle 15 einfallenden Lichtbetrag erheblich, mit dem Ergebnis, daß eine rapide Anregung und Sättigung der Absorbermoleküle der Zelle auf eine zweite Energiestufe stattfindet. Wenn diese zweite Energiestufe eine Belegungszunahme erfährt, wird die Zelle durchsichtiger, und diese vergrößerte Durchsichtigkeit gestattet sofort eine verstärkte Auslösung der in dem stimulierbaren Medium gespeicherten Energie, so daß es dadurch zu einer weiteren Ausbleichung des Absorbers und einer weiteren Zunahme des einfallenden Lichtes kommt. Die Kombination von Zelle und stimulierbarem Medium hat somit den Chrarakter einer Rückkopplung, so daß ein äußerst rasches Schalten von einem praktisch undurchsichtigen auf einen praktischen durchsichtigen Zustand der Zelle die Folge ist, wie dies bei 22 und 23 bzw. zwischen den Zeitpunkten T1 und T 2 angegeben ist.At a given time T1, when a considerable amount of energy is absorbed by the stimulable medium, a first release of coherent quanta is initiated. The cell 21 is not so opaque that some feedback between the end mirrors 13 and 14 cannot take place. This feedback increases any small amount of light incident from the cell 15 considerably, with the result that a rapid excitation and saturation of the absorber molecules of the cell to a second energy level takes place. When this second energy level experiences an increase in occupancy, the cell becomes more transparent, and this increased transparency immediately allows an increased release of the energy stored in the stimulable medium, so that this leads to a further bleaching of the absorber and a further increase in the incident light. The combination of cell and stimulable medium thus has the character of a feedback, so that an extremely rapid switching from a practically opaque to a practically transparent state of the cell is the result, as is the case with 22 and 23 or between times T1 and T 2 is specified.
Wenn die Moleküle in der Zelle »gebleicht« bzw. alle auf der Stufe der Anregung angelangt sind, kann die stimulierte Strahlungsemission in dem optischen Resonator in gleicher Weise stattfinden, wie wenn die Zelle 15 mit der Folge der Freigabe eines Riesenimpulses überhaupt nicht vorhanden wäre.When the molecules in the cell have been "bleached" or have all reached the stage of excitation, can the stimulated emission of radiation take place in the optical resonator in the same way as when the cell 15 would not be present at all with the consequence of the release of a giant pulse.
Beim Aufhören des optischen Anregungsimpulses bzw. eine kurze Zeitspanne später beim Aufhören des Riesenimpulses kehrt die Zelle wieder in ihren normalen, im Dunklen undurchsichtigen Zustand zurück, wie durch die Linie 24 angedeutet wird.When the optical excitation pulse stops or a short period of time later when it stops the giant impulse returns the cell to its normal, opaque, dark state, as indicated by line 24.
Ist der Anregungsimpuls von längerer Dauer, so kann das stimulierbare Medium erneut eine Besetzungsumkehr aufbauen und noch einen, gegebenenfalls sogar mehrere Riesenimpulse während eines einzigen Anregungsimpulses aufbauen, wobei die Zelle, wie beschrieben, selbsttätig auf das einfallende Licht anspricht, um abwechselnd die Auslösung der gespeicherten Energie zu verzögern und um auf diese Weise die Ausbildung von Riesenimpulsen zu ermöglichen. If the excitation pulse is of longer duration, the stimulable medium can again reverse the population and one more, possibly even several giant impulses during one build up a single excitation pulse, with the cell, as described, automatically responding to the incident Light responds to alternately delay the release of the stored energy and to act on it Way to enable the formation of giant impulses.
Wenn die Konzentration des Kryptocyanins in der Zelle 15 vermindert wird, so ist weniger einfallendes Licht erforderlich, um den Zustand der Zelle aus dem Zustand der Lichtundurchlässigkeit in den der Durchlässigkeit zu bringen; dadurch können für eine gegebene optische Anregungsimpulsbreite noch mehr Riesenimpulse für jeden Anregungsimpuls erzeugt werden. Praktisch nimmt, wenn die Konzentration noch weiter vermindert wird, die Zahl der Riesenimpulse in ihrer Wiederholungsfrequenz zu, bis ein Punkt erreicht wird, bei dem nur noch eine übliche kohärente Ausstrahlung stattfindet.If the concentration of cryptocyanine in cell 15 is decreased, there will be less incident Light required to change the state of the cell from the state of opacity to that of the Bring permeability; as a result, even more can be used for a given optical excitation pulse width Giant pulses are generated for each excitation pulse. Conveniently takes when the focus is still further reduced, the number of giant pulses in their repetition frequency to until one Point is reached at which only a usual coherent broadcast takes place.
Bei dem speziellen in F i g. 1 beschriebenen System wurde gefunden, daß bei annähernd 100 Riesenimpulsvorgängen praktisch keine VerschlechterungIn the particular one shown in FIG. The system described in Fig. 1 has been found to result in approximately 100 giant pulse events practically no deterioration
ίο der bleichbaren Farbe auftrat, weder visuell noch spektrophotometrisch. Ferner ergab eine Messung des Weitfeldmusters des Strahls B keine erheblichen Differenzen zwischen der Riesenimpuls- und der gewöhnlichen Arbeitsweise; es ergaben sich bei beiden Arbeitsweisen Strahlungswinkel von 5 · 10~3 Radian. Weiterhin stellte sich heraus, daß die Spektrallinienbreite der kohärenten Emission faktisch schmaler ist, als es normalerweise bei der gewöhnlichen kohärenten Strahlung der Fall ist, und daß sie auch schmaler ist, als es je zuvor mit Riesenimpuls-Lasers erreicht wurde.ίο the bleachable color appeared, neither visually nor spectrophotometrically. Furthermore, a measurement of the wide-field pattern of beam B did not reveal any significant differences between the giant pulse and normal operation; Both modes of operation resulted in radiation angles of 5 · 10 -3 radians. Furthermore, it has been found that the spectral line width of the coherent emission is in fact narrower than is normally the case with ordinary coherent radiation and that it is also narrower than has ever been achieved with giant pulse lasers.
Bei der hier als Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung war das System noch nicht optimalisiert, um die höchstmöglichen Leistungen oder die am meisten erwünschten Impulsbreiten zu erhalten. Die dargestellten Figuren sollen, wie schon gesagt, lediglich an einem Beispiel die Erfindung erläutern.In the arrangement described here as an exemplary embodiment, the system was not yet optimized, to get the highest possible performances or the most desirable pulse widths. the As already mentioned, the figures shown are intended to explain the invention using only one example.
Der Betrag der Farbkonzentration und die Weglänge des optischen Resonators können je nach dem Verstärkungsgrad des stimulierbaren Kristallmediums und dem Q-Wert des optischen Resonators gewählt werden, um Werte des Produkts aus Zellenlänge und Absorptionskoeffizienten zwischen 0,01 und 100 zu erhalten.The amount of color concentration and the path length of the optical resonator can vary depending on the Gain of the stimulable crystal medium and the Q-value of the optical resonator selected to give values of the product of cell length and absorption coefficient between 0.01 and 100 receive.
Es können verschiedene Glieder der Familie der Cyaninfarbstoffe gewählt werden, um bei speziellen gewünschten Wellenlängen eine Absorption stattfinden zu lassen. Es ist anzunehmen, daß viele andere Familien oder Gruppen von Farbstoffen ein ähnliches Verhalten wie die Cyaninfarben aufweisen.Different members of the family of cyanine dyes can be chosen to be used in special cases to allow absorption to take place at the desired wavelengths. It can be assumed that many others Families or groups of dyes behave similarly to the cyanines.
Claims (2)
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