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Molekularverstärker Die Erfindung betrifft einen Holekularverstärker
zur Durchgangsverstärkung für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen,
bestehend aus einem für die kolekularverstärkung aktiven Material, einer Beleuchtungseinrichtung
zur Zuführung der Pumpenergie sowie einer Einkoppelvorrichtung un.d einer Auskoppelvorrichtung
für das Signallicht.
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Das allgemeine Prinzip eines kolekularverstärkers wurde zwar in der
Literatur schon. hinreichend beschrieben, doch soll zum besseren Verständnis zunächst
anhand eines einfachen. Beispiels nochmals kurz auf die Wirkungsweise eines derartigen.
Verstärkers eingegangen werden. Die Zig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Ordinate
die Energie L und auf der Abszisse die sogenann.te Besetzungszahl n aufgetragen
sind. Das Diagranm enthält die Darstellung der Energieverteilung für ein aktives
Material mit drei L'nergieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus sind mit E1,32 und
E3 bezeichnet. Ihre Besetzung - darunter wird die Anzahl der jeweiligen xtome
mit diesem Energiezustand verstanden - ist im thermischen Gleichgewicht so, daß
die höheren Energieniveaus weniger besetzt sind als die tieferen Energieniveaus,
Die derteilung entspricht einer Boltzmann-Verteilung ist in der iig. 1 mit B bezeichnet.
Der Schnittpunkt dieser
| Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an., welche |
| Besetzungszahlen den. einzelnen 3nergieniveäus zukommen. |
| Beim optischen kolekularverstärker ist in der Regel ein sol- |
| ches aktives @Taterial zu wählen, dessen Abstand zwischen den |
| Energieniveaus E1 und L2 dem Produkt h # fs und dessen Ilsb- |
| stand zwischen den Energieniveaus :L1 und E3 dem °rodukt |
| h # fp entspricht, worin h das 2lancksche Wirkungsquantum, |
| fs die mittlere Signalfrequenz und fp die dem 2umpüaergang |
| entsprechende fumpfreq uenz sind. |
| Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen I)rei-Iiiveau= |
| IYIolekularverstärker geht nun etwa wie folgt vor sich. . |
| Tdittels von außen zugeführter 2umpenergje der Frequenz -fp |
| wird die Besetzungszahl in. den einzelnen Einergieniveaus |
| geändert, und zwar derart, däß auf 23 sich die Desetzangs- |
| zahl von n3 auf n31 erhöht. geil die Zahl, der Atome. in dem |
| aktiven Material festliegt, verringert sich durch diese |
| Quantenübergänge die Besetzung bei E1 um den gleichen Be- |
| trag. Die Besetzung geht also für E1 zurück von ',hl 'auf t11
' |
| Diesen -Torgang nennt man Invertierung, weil im |
| zum Ausgangszustand sich jetzt mehr Atome angeregt im1 |
| höheren Energieniveau E2 befinden, als Atome auf' de@@; fn.er;ie'@` |
| niveau .L1 vorhanden sind. Die Inversion des iiiveaupaaxes
:L1/22 |
| wird noch. erheblich verbessert, wenn die den thermisc@.en.@'Aüs- |
| gleich der einzelnen Finergieniveaus'untereinander bestimmende° |
| Aelaxationszeit für das Niveaupaar E3/E2 wesentlich kleiner |
| ist als für das Ziveaupaar E2/E1. Man erreicht so, daß die |
| Besetzungszahl des Energieniveaus E2 größer'w'ird als die des |
| Energieniveaus E1 (Inversion). Wird'nun eia äußeres Signal |
| mit der Frequenz fs zugeführt, so gehen Atome mit dem Ener- |
| giezustand :i'#J2 in den. Energiezustand E1 über. Gleic'Zzeitig |
| tritt auch eine gewisse Transportierung von Atomen des Ener- |
| giezustandes E1 in den. Energiezustand E2 ein. Der Übergang
von |
| :22 nach E1 entspricht einer induzierten. Emission. des aktiven |
Materials auf der Frequenz fs, während der Übergang von E1 nach
E2 einer Absorption der induzierten Signalenergie entspricht. Durch die mittels
des Pumpens erzwungene Besetzungsänderung des Energieniveaus E1 überwiegt jedoch
die induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß insgesamt mehr Signalenergie
der Frequenz fs vom aktiven Material emittiert wird als einfallende bzw. induzierende
Signalenergie mit der Frequenz.fs in dem aktiven Material absorbiert wird. Durch
die induzierte Emission verringert sich die Zahl der im Energieniveau E2 befindlichenAtome,
während sich die Zahl der im Energieniveau E1 befindlichen Atome erhöht. Um die
induzierte Emission aufrecht zu erhalten, werden mittels der von außen zugeführten
2umpenergie der Frequenz fp Atome vom Energieniveau E1
auf das Energieniveau
E3 angehoben. Vom Energieniveau E3 fallen Atome durch Relaaation ohne induzierte
Emission,
aber unter Wärmeabgabe auf das Energieniveau E2 ab und stehen dort
für eine weitere induzierte Emission beim Übergang auf das Energieniveau E1 zur
Verfügung.
| Das Drei-Niveau-System ist nur einen der möglichen Systeme, |
| nach dem Mol®kularveretärker arbeiten können. Es gibt
auch |
| Systeme mit beispielsweise vier und mehr Niveaus, auf
deren |
| Erläuterung zur Vereinfachung hier nic?t näher eingegangen |
| werden soll, da sie analog arbeiten. |
| Während im Mikrowellenbereich Energiequellen, deren
Gesamt- |
| energie die gleiche Frequenz und die
gleiche Phase haben, |
| mit ausreichender Leistung zur VerfUgung stehen, lassen
sich |
| Ziohtwellen einer derartigen Gesamtenergie bisher nicht |
| herstellen. Infolsedeasen erfolgen auch die durch licht- |
| euer4ie sasore4$ea oaanloat'ber49nse nicht gleiohpharig. |
| Die iraohronieation der ßeinnion der Atome im
Gebiet der |
licht- und Wärmewellen kann nun dadurch erfolgen, daB das aktive
Material mit für die Zwecke der Verstärkung geeigneten Quantenübergängen, beispielsweise
ein Hubin-Einkristall, zu einem Stab zugeschnitten wird, dessen Enden mit hoher
Präzision eben geschliffen und mit einer nur teilweise reflektierenden und damit
teilweise durchlässigen Silberschicht bedeckt sind. Werden die Atome dieses Stabes
.mittels zugeführter 2umpenergie bis zur Inversion angeregt, so fallen sie nach
kurzer Zeit unter Aussendung wn 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 Wellenzug entsteht, der von der
gegenüberliegenden Silberschicht teils durchgelassen, teils zurückgeworfen wird
und sich bei laufender Zuführung von 2umpenergie 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.
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Die auf diese Weise entstehenden Wellen sind stark gebündelt, da 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
des Stabes angeregten Lichtwellen von Signalfrequenz werden auch noch viele weitere
Lichtwellen durch Streuung oder Beugung an den Endflächen des Stabes angeregt.
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Neben optischen Resonatoren mit ebenen Spiegeln sind weiter solche
mit sphärischen Spiegeln bekannt die such aktive Materialien einer von der Stabform
abweichenden testalt enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen. von
Molekularverstärkern sind die aktiven Materialien derartig geformt, daß das Signallicht
unter Totalreflexion an den Außenwänden umlaufen kann. Bekannt sind beispielsweise
ringförmig oder quaderförmig gestaltete Materialien: Weiter sind optische Molekularverstärker
bekannt, deren aktives Material eine zylinderförmige Ausdehnung hat, die nur der
Durchgangsverstärkung dienen und keinen optischen Resonator enthalten. Der Erzielung
einer hohen Durchgangsverstärkung dient auch die bekannte Kettenschaltung zweier
gleicher Diodenlichtverstärker.
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Die Zuführung der rumpenergie erfolgt in Beleuchtungseinrichtungen,
bei denen das licht der Pumpliehtquelle mittels eines Spiegelsystems möglichst vollständig
auf das aktive Material übertragen wird.
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Bekannt ist eine Anordnung, bei der ein elliptisch-zylindrischer Hohlspiegel
Verwendung findet, längs dessen einer Brennknie die 2umplichtquelle und längs dessen
anderer Brennlinie das aktive Material angeordnet sind. Weiter sind Beleuchtungseinrichtungen
beschrieben wordenf bei denen der Hohlspiegel als Rotationsellipsoid ausgebildet
ist, in. dessen Brennpunkten oder in denen eifokal die fumplichtquelle und das aktive
Material vorgesehen sind.
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Die Verstärkung nimmt-im angeregten aktiven Material längs der Resanatorachse
zu. Infolgedessen können störende Sättigungserscheinungen auftreten:.
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Diesem Nachteil wird bei. einem Mlekularveratärker zur Durchgangsverstärkung
für im Bereich der optischen Prequenzen gelegene
Wellen, bestehend
aus einem für die Molekularverstärkun.g aktiven Material, einer Beleuchtungseinrichtung
zur Zuführung der Pumpenergie sowie einer Einkoppelvorrichtung und einer Auskoppelvorrichtung
für das Signallicht erfindungsgemäß dadurch wirksam begegnet, daß der Querschnitt
des aktiven Materials senkrecht zur Resonatorachse in Einfallsrichtung des Signallichtes
zunimmt, und daß die Signallichtausbreitung unter Zuhilfenahme optischer Mittel
der Querschnittserweiterung angepaßt ist.
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Gründliche Untersuchungen ergaben, daß hierbei die Geometrie des aktiven
Materials in vorteilhafter Weise der Verstärkungszunahme angepaßt werden kann, so
daß kein für die Verstärkung überflüssiges Volumen gepumpt werden muß. Der so ausgebildete
Kolekularverstärker arbeitet gegenüber der bekannten Ausführung mit einem zylinderförmigen
aktiven Material mit höherem Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist der Aufwand für das
kostspielige aktive Material und die Kühlung niedriger.
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Da die Verstärkung entsprechend der Gleichung Y = eDc 1 zunimmt -
wobei cK der Verstärkungskoeffizient und 1 die hänge. des aktiven Materials sind
-, wäre eine exponentielle Queraehnittszunahme des aktiven Materials ideal, wenn
das Signallicht der Krümmung folgen könnte. Da dien unmöglich ist, sieht die Erfindung
eine Annäherung an die idealen Verhältnisse vor.
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Vorteilhaft besteht das aktive Material aus längs der Resonatorachse
hintereinander angeordneten Teilstücken.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Teilstücke
Zylinder sind, deren gemeinsame Füllkurve einer Exponentialkurve angenähert ist.
Dabei
ist es von Vorteil, wenn die optischen Mittel zur Anpassung des Signallichts zwischen
zwei Zylinderstücken des aktiven Materials ein an sich bekanntes, aus zwei Konvexlinsen
bestehendes konfokales System sind.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß
die Seilstücke Kegelstümpfe sind, deren gemeinsame Hüllkurve einer 3xponentialkurve
angenähert ist. Vorteilhaft ist dabei, wenn eingangsseitig eine der Auffächerung
des parallel einfallenden Signallichts dienende Konkavlinse vorgesehen ist. Vorteilhaft
ist weiterhin, wenn die optischen Mittel zur Anpassung des Signallichts zwischen
zwei Kegelstümpfen des-aktiven Materials ein aus zwei Konvexlinssn bestehendes System
sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn dem in Einfallsrichtung des Signallichts zuletzt
liegenden Teilstück des aktiven Materials eine der parallelen Bündelung des Signallichts
dienende Konvexlinse nachgeordnet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung können die in Ausbreitungsrichtung
des Signallichts liegenden Begrenzungsflächen des aktiven Materials linsenartig
gekrümmt sein, inbesondere kugel- oder paxaboloidförmig.
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Von besonderem Vorteil'ist es, wenn der Ausscheidung von Störschwingungsmoden
dienende Blenden vorgesehen sind. Dadurch werden Störschwingungsmoden ausgeblendet,
die einen anderen Strahlengang aufweisen als der Signalmode. Vorteilhaft ist es
weiterhin, wenn im Strahlengang wenigstens eine optische Richtungsleitung vorgesehen
ist. Diese verhindert, daß reflektierten Signallicht Teilstüoke des aktiven Materials
in rückwärtiger Richtung durchläuft und Störschwingungsmoden auslöst.
Von
besonderem Vorteil ist es, wenn das letzte Teilstück des aktiven Materials so lang
gewählt ist, daß es ausgangsseitig vom verstärkten Signal näherungsweise gesättigt
ist. Hierdurch wird die Größe des Ausgangssignals von den Schwankungen der Pumpenergiezufuhr
unabhängig.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher
erläutert.
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Die Fig. 2 zeit einen Molekularverstärker, dessen aktives Material
aus den drei Teilstücken 1, 2 und 3 besteht. Die Querschnitte dieser Teilstücke
nehmen in der Einfallsrichtung des Signallichtes 4 von Stück zu Stück derart zu,
daß ein exponentieller Anstieg gemäß der Formel V = e cx 1 angenähert wird. Zwischen.
den Teilen 1 und 2 ist ein aus den Konvexlinsen 5 und 6 und zwischen den Teilen
2 und 3 ein aus'den Konvexlinsen 7 und 8 bestehendes konfokales System angeordnet.
In Ebenen senkrecht zur optischen Achse 9 sind am gemeinsamen Brennpunkt der Zinsen
5 und 6 die Lochblende 10 und am gemeinsamen Brennpunkt der Linsen 7 und 8 die Lochblende
11 angebracht.
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Durch eine an sich bekannte und deshalb nicht dargestellte Beleuchtungseinrichtung
wird von wenigstens einer 2umplichtquelle dem aktiven Material 1, 2 und 3
Pumpenergie zugeführt. Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende. Die Atome der
materialgleichen aktiven. Materialien,1 bis 3 werden mittels zugeführter Pumpenergie
bis zu möglichst hohen Inversionswerten angeregt. Nach kurzer Zeit fallen sie unter
Aussendung von allen möglichen inkohärenten Wellen. in ihren Ruhezustand zurück.
Eine Ausnahme bilden dabei diejenigen Atome, die von dem länge der optischen Achse
9 laufenden Signallicht 4 getroffen werden. Sie senden Wellen in der Portpflanzungsrichtung
des Signallichtes aus und verstärken dieses. Zur Vermeidung
einer
Sättigung nimmt der Querschnitt des Teilstückes 2 gegenüber dem des Teilstückes
1 und des Teilstückes 3 gegenüber dem des Teilstückes 2 zu. Der Querschnitt des
Signallichtes 4 senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung wird durch die konfokalen Linsensysteme
5, 6 und 7, 8 an die Querschnitte der aktiven Materialien 1 bis 3 angepaßt. Durch
die Lochblenden 10 und 11 werden störende transversale Schwingungsmoden, die nicht
parallel zur optischen Achse 9 laufen, zurückgehalten. Das letzte verstärkende Teilstück
3 ist so lang ausgeführt, daß in ihm eine Sättigung auftritt. Dadurch wird erreicht,
daß die Amplitude des austretenden verstärkten Signallichtes 4 von den Schwankungen
der Betriebsgrößen, wie die 2umpenergiezufuhr, unabhängig wird. Der gesättigte Bereich
setzt erst dann ein, wenn der Signal-Rauschabstand bereits so hoch ist, daß das
im gesättigten Bereich erzeugte Rauschen. nicht mehr störend in Erscheinung tritt.
Ergänzend ist daran gedacht, zwischen den aktiven Materialien 1 bis 3 optische Richtungsleitungen
vorzusehen, die die Fortpflanzung reflektierten Lichtes entgegen der Ausbreitungsrichtung
des Signallichtes und die Möglichkeit des Entstehens dadurch hervorgerufener Störschwingungsmoden
unterbinden.
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Die Fig. 3 zeigt einen Molekularverstärker, dessen aktives Material
aus den Teilstücken 12, 13 und 14 besteht. Die Querschnitte der Teilstücke erweitern
sich in der Einfallsrichtung des Signallichtes 15 derart konisch, daß die gemeinsame
Hüllkurve angenähert exponentiell ansteigt. Eingangsseitig ist konzentrisch zur
optischen Achse 16 eine Konkavlinse 17 angeordnet. Zwischen den aktiven Materialien
12 und 13 befindet sich ein System zweier Konvexlinsen 18 und 19 mit dem dazwischen
liegenden Brennpunkt 20,
Zwischen den aktiven Materialien 13 und
14 ist ein ähnliches optisches System mit den. Konvexlinsen 21 und 22 sowie dem
gemeinsamen Brennpunkt 23 angeordnet. Ausgangsseitig schließt eine Konvexlinse 24
den Verstärker ab. Zwischen den aktiven Materialien sind weiter die Kochblenden
25 und 26 vorgesehen. Die an sich bekannte Beleuchtungseinrichtung mit Pumplichtquelle
wurde der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung gleicht bis auf den Strahlengang des
Signallichtes der in der Fig. 2 dargestellten. Durch die Konkavlinse 17 wird das
Signallicht 15 zur Anpassung an die Geometrie des aktiven Materials 12 kegelförmig
aufgefächert. Nach dem Durchgang durch das aktive Material 12 wird es durch die
Konvexlinse 18 im Brennpunkt 20 gebündelt und durch die Konvexlinse 19 der kegelförmigen
Geometrie des aktiven Materials 13 angepaßt. Während üblioherweise als Brennpunkt
der Sammelpunkt parallel einfallender Strahlen bezeichnet wird, ist der Brennpunkt
20 der Sammelpunkt kegelförmig ein- und ausfallender Lichtstrahlen. Die Wirkungsweise
des Linsensysteme 21, 22 ist gleich. Die Konvexlinse 24 dient dazu, das Signallicht
15 derart zu bündeln, daß es den Verstärker parallellaufend verläBt. Die Blende
25 bewirkt, daß alle nicht scheinbar vom Brennpunkt 27 der Konkavlinse 17. ausgehenden
1ichtstrahlen von Störschwingungsmoden ausgeblendet werden. ,Den gleichen Effekt
erzielt die Lochblende 26, die alle nicht vom Brennpunkt 20 ausgehenden Störschwingungsmoden
aussondert.
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Die Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 entsprechende Molekularverstärkeranordnung
mit den aktiven Materialien 28, 29 und 30. Die Funktion der Konkavlinse 17 erfüllt
hier die konkav gekrümmte
Stirnfläche 31 des aktiven Materials
28. Die Konvexlinsen 18, 19, 21, 22 und 2¢ sind durch die konvex gekrümmten Stirnflächen
32 bis 36 funktionsmäßig ersetzt.