DE1514397C3 - Optische Verstärkerkette - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Verstärkerkette, bei der zwischen den optisch anregbaren stimulierbaren Festkörpermedien der einzelnen Verstärkerglieder optische Mittel zur konfokalen Bündelung des Signallichts mit Lochblenden in den Brennpunkten angeordnet sind.

Eine derartige Kette ist in der USA.-Patentschrift 929 922 beschrieben. Geeignete optische Mittel zeigen die deutsche Auslegeschrift 1 186 148 und die französische Patentschrift 1371533.

Das allgemeine Prinzip eines optischen Verstärkers wurde zwar in der Literatur schon hinreichend beschrieben, doch soll zum besseren Verständnis zunächst an Hand eines einfachen Beispiels nochmals

S kurz auf die Wirkungsweise eines derartigen Verstärkers eingegangen werden. Die Fig. 1 zeigt ein Dia^ gramm, in dem auf der Ordinate die Energie £ und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl η aufgetragen sind. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung für ein stimulierbares Medium mit drei Energieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus sind mit £1, £2 und £3 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 F i g. 1 mit B bezeichnet. Der Schnittpunkt dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an, welche Besetzungszahlen den einzelnen Energieniveaus zukommen.

Beim optischen Verstärker ist in der Regel ein solches stimulierbares Medium zu wählen, dessen Abstand zwischen den Energieniveaus £1 und £2 dem Produkt h -fs und dessen Abstand zwischen den Energieniveaus £1 und £3 dem Produkt h-fp entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum, fs die mittlere Signalfrequenz und fp die dem Anregungsübergang entsprechende Anregungsfrequenz sind.

Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen Drei-Niveau-Verstärker geht nun etwa wie folgt vor sich. Mittels von außen zugeführter Anregungsenergie der Frequenz fp wird die Besetzungszahl in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf £3 sich die Besetzungszahl von «3 auf «3' erhöht. Weil die Zahl der Atome in dem stimulierbaren Medium festliegt, verringert sich durch diese Quantenübergänge die Besetzung bei £1 um den gleichen Betrag. Man erreicht so, daß die Besetzungszahl des Energieniveaus £2 größer wird als die des Energieniveaus £1 (Inversion). Wird nun ein äußeres Signal mit der Frequenz fs zugeführt, so gehen Atome mit dem Energiezustand £2 in den Energiezustand £1 über. Gleichzeitig tritt auch ein gewisser Übergang von Atomen des Energiezustandes £1 in den Energiezustand £2 ein. Der Übergang von £2 nach £1 entspricht einer induzierten Emission des stimulierbaren Mediums auf der Frequenz fs, während der Übergang von £1 nach £2 einer Absorption der induzierten Signalenergie entspricht. Durch die mittels des Anregens erzwungene Besetzungsänderung des Energieniveaus £1 überwiegt jedoch die induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß insgesamt mehr Signalenergie der Frequenz fs vom stimulierbaren Medium emittiert wird als einfallende bzw. induzierende Signalenergie mit der Frequenz fs in dem stimulierbaren Medium absorbiert wird.

Durch die induzierte Emission verringert sich die Zahl der im Energieniveau El befindlichen Atome, während sich die Zahl der im Energieniveau El befindlichen Atome erhöht. Um die induzierte Emission aufrecht zu erhalten, werden mittels der von außen zugeführten Anregungsenergie der Frequenz fp Atome vom Energieniveau £1 auf das Energieniveau £3 angehoben. Vom Energieniveau £3 fallen Ato;nc durch Relaxation ohne induzierte Emission, aber υ,ν-ter Wärmeabgabe auf das Energieniveau El ab und stehen dort für eine weitere induzierte Emission

beim Übergang auf das Energieniveau El zur Verfügung. .. _ ... -/ ., ;, , -ν..:; ;· .' . '.,.,; ·.·. _:. --

Die Verstärkung nimmt im angeregten stimulierbar, ren Medium längs der optischen Achse zu. Infolgedessen können störende Sättigungserscheinungen auftreten. .,■...-■·.-■..;.. ■ > ; .^₁ ■

Diesem Nachteil wird bei einer Verstärker-Kette der einleitend geschilderten Art erfindungsgemäß dadurch wirksam begegnet, daß der Querschnitt des stimulierbaren Mediums eines jeden Verstärkergliedes « senkrecht zur optischen Achse in Einfallsrichtung des Signallichts zunimmt und die Signallichtausbreitung unter Zuhilfenahme optischer Mittel der Querschnittserweiterung angepaßt ist.

Gründliche Untersuchungen ergaben, daß hierbei *5 die Geometrie des stimulierbaren Mediums in vorteilhafter Weise der Verstärkungszunahme angepaßt werden kann, so daß kein für die Verstärkung überflüssiges Volumen angeregt werden muß. Der so ausgebildete optische Verstärker arbeitet gegenüber der *° bekannten Ausführung mit einem zylinderförmigen stimulierbaren Medium mit höherem Wirkungsgrad. Zugleich ist der Aufwand für das kostspielige stimulierbare Medium und die Kühlung niedriger.

Da die Verstärkung entsprechend der Gleichung V — έ* zunimmt - wobei α der Verstärkungskoeffizient und I die Länge des stimulierbaren Mediums sind —, wäre eine exponentiell Querschnittszunahme des stimulierbaren Mediums ideal, wenn das Signallicht der Krümmung folgen könnte. Da dies unmöglich ist, sieht die Erfindung eine Annäherung an die idealen Verhältnisse vor.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Festkörpermedien Zylinder sind, deren gemeinsame Hüllkurve einer Exponentialkurve angenähert ist.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die optischen Mittel zur Anpassung des Signallichts zwischen zwei Zylindern ein an sich bekanntes, aus zwei Konvexlinsen bestehendes konfokales System sind.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Festkörpermedien Kegelstümpfe sind, deren gemeinsame Hüllkurve einer Exponentialkurve 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 ein aus zwei Konvexlinsen bestehendes System sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn dem in Einfallsrichtung des Signallichts zuletzt liegender Kegelstumpf eine der parallelen Bündelung des Signallichts dienende Konvexlinse nachgeordnet ist.

In Weiterbildung der Erfindung können die in Ausbreitungsrichtung des Signallichts liegenden Begrenzungsflächen des stimulierbaren Mediums linsenartig gekrümmt sein, insbesondere kugel- oder paraboloidförmig.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn im Strahlengang wenigstens eine optische Richtungsleitung vorgesehen ist. Diese verhindert, daß reflektiertes Signallicht Teilstücke des stimulierbaren Mediums in rückwärtiger Richtung durchläuft und Störschwingungsmoden auslöst. Eine Verstärkerkette mit Richtungsleitungen ist aus der Zeitschrift »IBM-Technical Disclosure Bulletin«, Bd. 7, Nr. 3, August 1964, Seite 230, bekannt.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das letzte Festkörpermedium so lang gewählt ist, daß es ausgangsseitig vom ,verstärkten Signal näherungsweise gesättigt ist. Hierdurch.wird die Größe des Ausgangssignals von den Schwankungen der Anregungsenergiezufuhr unabhängig. ; ■ _;

An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. In den Figuren zeigt . τ

Fi g. 2 eine Verstärkerkette mit zylindrischen Gliedern, , ■;

Fig. 3 eine Verstärkerkette mit kegelstumpfförmigen Gliedern und

Fig. 4 eine solche mit konvexen bzw. konkaven Stirnflächen. . , .

DieFig. 2 zeigt eine Verstärkerkette, deren stimulierbares Medium aus den drei Zylindern 1, 2 und 3 besteht. Die Querschnitte dieser Zylinder nehmen in der Einfallsrichtung des Signallichtes 4 von Glied zu Glied derart zu, daß ein exponentieller Anstieg gemäß der Formel V = ef' angenähert wird. Zwischen den Gliedern 1 und 2 ist ein aus den Konvexlinsen 5 und 6 und zwischen den Gliedern 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 Linsen 5 und 6 die Lochblende 10 und am gemeinsamen Brennpunkt der Linsen 7 und 8 die Lochblende 11 angebracht.

Durch eine an sich bekannte und deshalb nicht dargestellt AnregungseinricEtung wird von wenigstens einer Anregungslichtquelle den Festkörpermedien 1, 2 und 3 Anregungsenergie zugeführt. Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende. Die Aktivator-Ionen der materialgleichen Festkörpermedien 1 bis 3 werden mittels zugeführter Anregungsenergie 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 längs der optischen Achse 9 laufenden Signallicht 4 getroffen werden. Sie senden Wellen in der Fortpflanzungsrichtung des Signallichtes aus und verstärken dieses. Zur Vermeidung einer Sättigung nimmt der Querschnitt des Zylinders 2 gegenüber dem des Zylinders 1 und des Zylinders 3 gegenüber dem des Zylinders 2 zu. Der Querschnitt des Signallichtes 4 senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung wird durch die konfokalen Linsensysteme 5, 6 und 7,8 an die Querschnitte der Festkörpermedien 1 bis 3 angepaßt. Durch die Lochblenden 10 und 11 werden störende transversale Eigenschwingungen, die nicht parallel zur optischen Achse 9 laufen, zurückgehalten. Der letzte verstärkende Zylinder 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 Anregungsenergiezufuhr, 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 Festkörpermedien 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.

Die Fig. 3 zeigt eine Verstärkerkette, deren stimulierbares Medium aus den Kegelstümpfen 12,13 und

14 besteht. Die Querschnitte der Kegelstümpfe 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 Kegelstümpfen 12 und 13 befindet sich ein System zweier Konvexlinsen 18 und 19 mit dem dazwischen liegenden Brennpunkt 20 und der zugehörigen Lochblende 25. Entsprechend ist zwischen den Kegelstümpfen 13 und 14 ein ähnliches optisches System mit den Konvexlinsen 21 und 22 sowie dem gemeinsamen Brennpunkt 23 mit der zugehörigen Lochblende 26 angeordnet. Ausgangsseitig schließt eine Konvexlinse 24 den optischen Verstärker ab. Die an sich bekannte Anregungseinrichtung mit Anregungslichtquelle wurde der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

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 Kegelstumpfes 12 kegelförmig aufgefächert. Nach dem Durchgang durch den Kegelstumpf 12 wird es durch die Konvexlinse 18 im Brennpunkt 20 gebündelt und durch die Konvexlinse 19 der Geometrie des Kegelstumpfes 13 angepaßt. Während überlicherweise als Brennpunkt der Sammelpunkt parallel einfallender Strahlen bezeichnet wird, ist der Brennpunkt 20 der Sammelpunkt kegelförmig ein- und ausfallender Lichtstrahlen. Die Wirkungsweise des Linsensystems 21, 22 ist gleichartig. Die Konvexlinse 24 dient dazu,

ίο das Signallicht 15 derart zu bündeln, daß es den optischen Verstärker parallellaufend verläßt. Die Blende 25 bewirkt, daß alle nicht scheinbar vom Brennpunkt 27 der Konkavlinse 17 ausgehenden Lichtstrahlen von Störschwingungsmoden ausgeblendet werden. Den gleichen Effekt erzielt die Lochblende 26, die alle nicht vom Brennpunkt 20 ausgehenden Störschwingungsmoden aussondert.

Die F i g. 4 zeigt eine der F i g. 3 entsprechende Verstärkerkette mit den Festkörpermedien 28,29 und

so 30. Die Funktion der Konkavlinse 17 erfüllt hier die konkav gekrümmte Stirnfläche 31 des Festkörpermediums 28. Die Konvexlinsen 18, 19, 21, 22 und 24 sind durch die konvex gekrümmten Stirnflächen 32 bis 36 funktionsmäßig ersetzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Optische Verstärkerkette, bei der zwischen den optisch anregbaren stimulierbaren Festkörpermedien der einzelnen Verstärkerglieder optische Mittel zur konfokalen Bündelung des Signallichts mit Lochblenden in den Brennpunkten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des stimulierbaren Mediums eines jeden Verstärkergliedes (1, 2, 3) senkrecht zur optischen Achse (9) in Einfallsrichtung des Signallichts (4) zunimmt und daß die Signallichtausbreitung unter Zuhilfenahme optischer Mittel der Querschnittserweiterung angepaßt ist.

2. Verstärkerkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörpermedien (1, 2, 3) Zylinder sind, deren gemeinsame Hüllkurve einer Exponentialkurve angenähert ist.

3. Verstärkerkette nach Anspruch 2, d'adurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zur Anpassung des Signallichts zwischen zwei Zylindern (1, 2) ein aus zwei Konvexlinsen (S, 6) bestehendes konfokales System ist.

4. Verstärkerkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörpermedien (12, 13, 14) Kegelstümpfe sind, deren gemeinsame Hüllkurve einer Exponentialkurve angenähert ist.

5. Verstärkerkette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig eine der Auffächerung des parallel einfallenden Signallichts dienende Konkavlinse (17) vorgesehen ist.

6. Verstärkerkette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Einfallsrichtung des Signallichts zuletzt liegenden Kegelstumpf (14) eine der parallelen Bündelung des Signallichts dienende Könvexlinse (24) nachgeordnet ist.

7. Verstärkerkette nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ausbreitung des Signallichts liegenden Begrenzungsflächen (31 bis 36) der Festkörpermedien (28, 29, 30) linsenartig gekrümmt sind, insbesondere kugel- oder paraboloidförmig.

8. Verstärkerkette nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang wenigstens eine optische Richtungsleitung vorgesehen ist.

9. Verstärkerkette nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das letzte Festkörpermedium (3, 14, 30) so lang gewählt ist, daß es ausgangsseitig vom verstärkten Signal näherungsweise gesättigt ist.