DE1514411C3 - Optischer Sender - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender (Laser) zur Erzeugung gepulster optischer Signalstrahlung, bei dem das mit einer Vorrichtung zur Zuführung von optischer Anregungsenergie versehene stimulierbare Medium in einem mit nur einer Auskoppelvorrichtung versehenen optischen Resonator, insbesondere in einem Fabry-Perot-Resonator, angeordnet ist, der zusätzlich einen reversiblen sättigbaren Absorber enthält, dem eine der wenigstens teilweisen Sättigung des Absorbers dienende Steuerlichtquelle, die über einen Lichtweg auf den Absorber einwirkt, zugeordnet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die zur Auslösung der optischen Signalstrahlung das Steuerlicht für den Absorber freigeben.

Ein derartiger optischer Sender ist aus der Zeitschrift »IEEE Spectrum«, Band 2, Nr. 3, März 1965, S. 181 bis 195, F i g. 20, bekannt.

Aus dem »IBM Journal of Research and Development«, Band 8, Nr. 4, September 1964, S. 471 bis 475, sind weiter Laseranordnungen bekannt, bei denen mit der Signalstrahlung eines Lasers die eines anderen Lasers ausgesetzt werden kann. Im optischen Resonator eines der beschriebenen Laser befindet sich ein Absorber, dem jedoch keine Steuerlichtquelle zugeordnet ist.

Eine Steuerlichtquelle fehlt ebenfalls dem Absorber des optischen Senders nach der »Zeitschrift für Naturforschung«, Band 19a, Nr. 7/8, 1964, S. 1019 und 1020.

Neben den optisch angeregten Sendern sind Halbleiter-Sender für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen bekannt, bei denen die Lichterzeugung und -verstärkung längs eines pn-Überganges in einem optischen Resonator erfolgt. Die Anregungsenergie wird dem Halbleiter-Sender aus einer der p- und η-Schicht anliegenden Gleichstromquelle zugeführt. Der optische Halbleiter-Sender zeichnet sich dadurch aus, daß wegen der kleinen Resonatorabmessungen Einschwingzeiten unter 10-¹Os möglich sind.

Sättigbare Absorber sind zur Erzeugung sogenannter Riesenimpulse in die optischen Resonatoren zur wahlweisen Unterbrechung und öffnung des Strahlenganges eingeführt worden. Bei kontinuierlicher Anregungsenergiezufuhr wird das stimulierbare Medium während der Strahlengangunterbrechung zu hohen Inversionswerten angeregt, was bei der öffnung des Strahlenganges beim Anschwingen des Senders die Auslösung eines Riesenimpulses zur Folge hat. Es sind derartige breitbandige Absorber bekannt, deren Wirkung auf einer Sättigung der Absorption in Gläsern oder Flüssiggkeiten beruht. Sie sind in ihrer Anfangsabsorption so gewählt, daß der Sender gerade noch anschwingen kann und den Absorber anschließend durch die selbsterzeugte Signalstrahlung vollständig sättigt. Nach Abgabe des Riesenimpulses bricht die Verstärkung zusammen, und der Absorber regeneriert sich durch Relaxation.

Es wurde auch bereits ein optischer Sender mit Mitteln zur Steuerung des Gütefaktors des optischen Resonators vorgeschlagen (DT-PS 1 202 900), innerhalb dessen im Strahlungsweg ein Körper aus fotochromem Glas angeordnet ist, das im Licht an Transparenz gewinnt. Da zur Verminderung der Transparenz das Licht eines kürzerwelligen steuernden Strahles erforderlich ist, handelt es sich jedoch um keinen selbstregenerierenden Absorber.

Ein anderer Vorschlag (DT-PS 1 220 055) betrifft eine Halbleiterdiode, deren Übergangsbereich in einer ersten Richtung für eine Lichtverstärkung in einer zweiten diese kreuzenden Richtung für die erzeugung induzierter Emission derart ausgebildet ist, daß ein in der ersten Richtung ^zugeführtes Lichtsignal die Erzeugung des Lichts in der zweiten Richtung unterdrückt. Demgegenüber betrifft die Erfindung einen optischen Sender, bei dem nicht das stimulierbare Medium, sondern ein selbstregenerierender sättigbarer Absorber von einem Steuerlicht angestrahlt wird. Damit entfällt eine zusätzliche thermische Belastung des stimulierbaren Mediums.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht unter anderem darin, einen optischen Sender zur Erzeugung gepulster optischer Signalstrahlung zu realisieren, mit dem logische Funktionen wie eine Gatterfunktion durchführbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Sender der einleitend geschilderten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in ein und demselben optischen Resonator der Absorber aus mehreren im Signalstrahlengang angeordneten Teilabsorbern besteht, deren jedem eine eigene Steuerlichtquelle zugeordnet ist.

Zwar ist aus dem »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 7, Nr. 3, August 1964, S. 230, bereits ein optischer Sender mit mehreren Absorbern bekannt, jedoch dienen diese als Isolatoren zwischen den einzelnen Stufen für Durchgangsverstärkung, und es sind ihnen keine Steuerlichtquellen zugeordnet.

Ein solcher Absorber hat einen hohen Schaltwirkungsgrad, wenn der Absorptionswirkungsquerschnitt seiner einzelnen Atome sehr hoch ist, weil dabei bei zunächst ausreichender Absorption eine geringe Anzahl von durch das Steuerlicht erzeugten Absorptionsprozessen die Sättigung auslöst. Für die Sperrwirkung bei niedriger Quantendichte ist nur die Dicke der Absorptionsschicht, für die Zahl der Absorptionsprozesse bis zur Erreichung der Durchlässigkeit auch das Volumen des absorbierenden Materials wesentlich. Zur Erzielung eines wirkungsvollen Schaltprozcsses soll daher der Querschnitt des Lichtstrahls in dem Absorbermaterial möglichst klein sein.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn für den Ab-

sorber ein auf der Signalfrequenz selektiv sättigbares Material, wie beispielsweise das auf der Rubinlinie selektiv sättigbare Filterblaugrün, vorgesehen ist.

Eigene spektroskopische Untersuchungen haben gezeigt, daß zahlreiche organische Farbstoffe durch Licht genügend hoher Leistung in ihrer Absorption selektiv sättigbar sind, wodurch die Absorption verschwindet. Dabei erstreckt sich die Sättigung nur über den vom Licht eingenommenen schmalen Spektralbereich des Gesamtabsorptionsbereiches und die unmittelbare Umgebung des Lichtbereiches, nicht über die ganze spektrale Breite der Absorptionslinie. Geeignete Farbstoffe sind Brilliantkresylblau, Malachitgrün, Wasserblau, Azur II, Brilliantgrün, Anilinblau, Eriochromschwarz, Sudanschwarz B, Janus- grün, Methylengrün, Nachtblau, Naphtolblau, Naphtolgrün, Filterblaugrün, Toluidingrün, Toluidinblau, Eriochromschwarz T, Nilblauchlorid oder andere aus diesen Stoffen durch Substitution gewonnene Farbstoffe. Alle Farben können in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelöst werden.

Für die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist es sinnvoll, wenn ein Absorbermaterial vorgesehen ist, dessen Regenerationszeit nach seiner Sättigung groß gegen die Einschwingzeit des optischen Resonators ist.

Unter der Einschwingzeit des Resonators ist dabei die Zeit zu verstehen, die nach dem Einschalten des Senders durch Sättigung des Absorbers vergeht, bis der Sender mit konstanter Quantenzahl läuft. Der Einschwingvorgang führt im Oszillator zu einem Überschwingen der Verstärkung unter den Gleichgewichtswert. Unter dem Einfluß der Anregungsleistung pendelt der Laser in den Gleichgewichtswert ein. Dabei bilden sich in der Quantenzahl Relaxationsschwingungen aus, die allmählich abklingen. Ist die Regenerationszeit des Filters sehr klein gegen die Einschwingzeit des Resonators, dann sperrt der Absorber den Resonator nach dem ersten Überschwingen wieder. Dadurch wirkt der Sender als Einzelimpulsgenerator und ist mit einem steuerbaren Sperrschwinger vergleichbar. Die Dimensionierung ist so zu wählen, daß nach dem ersten Impuls der Quantenfluß unter den Sättigungswert für den Absorber absinkt.

Ist die Regenerationszeit des Filters groß gegen die Einschwingzeit des Resonators gewählt, dann kommt der Sender nach einmaligem Aussteuern ins Gleichgewichts, und seine Signalstrahlung sättigt den Absorber dauernd. Der Sender wird durch das Steuersignal eingeschaltet und bleibt in diesem Zustand.

Der optische Sender leistet viel mehr als ein elektrischer Impulsverstärker. Er liefert die zusätzlichen Informationen Kohärenz, Richtung, Polarisation, von denen Kohärenz und Richtung sehr hohe Informationsinhalte besitzen. Alle diese Eigenschaften können durch zusätzliche Maßnahmen gesteuert werden. Außerdem kann der optische Sender die optische Signalfrequenz übertragen; dies ist ebenfalls eine Information hoher Bitzahl. Bei Rubin sind beispielsweise mit sättigbaren Absorbern mindestens 200 Frequenzen unterscheidbar, während in stimulierbaren Halbleitermaterialien die vergleichbare Zahl 10 000 ist. Beim Aufbau einer logischen Schaltung sind im optimalen Fall alle Informationen zu bcnutzen.

In Weiterbildung der Erfindung kann ein Absorber vorgesehen sein, dessen Anfangsabsorptionswert durch Veränderung der Lage des Absorbers im Signalstrahlengang des optischen Resonators veränderbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Absorbermaterial in einer Zeile enthalten, deren von der Signalstrahlung durchsetzte Begrenzungsflächen wenigstens annähernd planparallel sind und bei der die Zelle um eine senkrecht zur Signalstrahlungsachse liegende Achse drehbar ist.

Vorteilhaft kann dabei die Absorberzelle mit einer zweiten absorbierenden oder nicht absorbierenden Zelle mit näherungsweise gleichen Brechwert in der Winkelstellung zur optischen Achse so gekoppelt sein, daß die optische Weglänge beider Zellen zusammen wenigstens in einem gewissen Winkelbereich annähernd konstant ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist als Absorbermaterial eine in einer Zelle enthaltene Flüssigkeit vorgesehen und ist durch Änderung der Lage und Form der Zelle die Weglänge der Signalstrahlung in der Flüssigkeit einstellbar.

Vorteilhaft ist dabei, wenn im Signalstrahlungsweg der Absorberzelle eine zweite Zelle (Ausgleichzelle) mit näherungsweise gleichem Brechwert zugeordnet ist, deren Lage und/oder Form derart in Abhängigkeit von Lage und/oder Form der Absorberzelle veränderbar ist, daß die optische Wellenlänge beider Zellen zusammen wenigstens näherungsweise konstant ist. ""

Ergänzend können dabei zwar der stets vollständigen Zellenfüllung dienende Vorratsbehälter vorgesehen sein.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zwei keilförmige Körper aus einem Absorbermaterial unterschiedlicher Absorption zu einem Quader vereinigt, wobei der Quader in einer zur Signalstrahlungsachse geneigten Ebene verschiebbar angeordnet ist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die von der Signalstrahlung durchsetzten Zellenwände entspiegelt sind oder wenn die von der Signalstrahlung durchsetzten Begrenzungsflächen des Absorbers und/oder der Ausgleichszelle zur Signalstrahlungsachse unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind.

Durch beide Ausführungsformen werden unerwünschte Reflexionen unterbunden.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine der Einstellung der Anfangsabsorption dienende Vorrichtung vorgesehen, deren Regelkriterium eine aus der durchgelassenen Signalstrahlung abgeleitete Größe ist.

Vorteilhaft kann weiter eine der Einstellung der Anfangsabsorption dienende zustäzliche, den Absorber beleuchtende und vorzugsweise in der Strahlungsintensität regelbare Lichtquelle vorgesehen sein.

Für verschiedene Anwendungsfälle ist. es zweckmäßig, wenn eine der Veränderung der Frequenzlage von Absorptionslinien dienende Vorrichtung zur Änderung der Temperatur oder zur Erzeugung elektrischer oder magnetischer Felder im Absorber vorgesehen wird.

Im Zusammenhang mit der Ausführung selektiv sättigbarer Absorber ist daran gedacht, Absorbermaterialien mit Mehrniveausystemen vorzusehen, in denen die selektive Absorption eines Übergangs durch Bestrahlen durch die Steuerlichtquclle in einen anderen Übergang geändert wird.

Der Sender kann bei einer Frequenz gesteuert wer-

den und liefert das Signal bei einer anderen Frequenz. Es kann langwelliges in kurzwelliges Licht umgesetzt werden und umgekehrt. In Mehrniveausystemen kann erreicht werden, daß die Absorption mit wachsender Stsuerleistung zunimmt. Evident ist dies, wenn die Steuerstrahlung an einem Niveaupaar anregt und der Absorptionsübergang nur eines der Niveaus enthält.

Vorteilhaft ist weiter, wenn eine Vorrichtung zur zickzackförmigen Führung des Steuerlichts im Absorber zwischen vorzugsweise parallel gegenüberstehend angeordneten Spiegeln vorgesehen ist.

Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn eine der Einspeisung des Steuerlichts parallel zur Signalstrahlungsachse dienende Polarisationsweiche vorgesehen ist.

Sowohl die zickzackförmige Führung des Steuerlichts durch den Absorber als auch die Polarisationsweiche dient zur mehrmaligen Zuführung des Steuerlichts zum Absorber und damit der Verbesserung des Wirkungsgrades.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das stimulierbare Medium wenigstens teilweise dem Signalstrahlungsweg mehrerer getrennter optischer Resonatoren zugehört.

Das stimulierbare Medium kann dabei den Resonatoren vollständig gemeinsam sein, oder wenigstens ein Resonator hat außer dem gemeinsamen stimulierbaren Medium noch für ihn verfügbares Medium.

Die Verstärkungswerte jedes Resonators hängen im ersten Fall bei der Verwendung zweier Resonatoren mit symmetrischem stimulierbaren Medium beispielsweise davon ab, ob der andere an oder aus ist. Ist das stimulierbare Medium bezüglich der Resonatorachsen unsymmetrisch, können sämtliche Verstärkungen ungleich sein. Es kann nur einer der Resonatoren schwingen. Wenn beide Absorber geöffnet sind, schwingt der Resonator höherer Güte. Im zweiten Fall können die nicht gemeinsamen Teile im nicht verstärkenden Zustand Verstärkung speichern.

Mit derartigen Bauteilen lassen sich Einrichtungen sehr komplizierter und vielfältiger Funktion, wie ausschaltbare Impulsverstärker, bistabile Multivibratoren und Schieberegister verwirklichen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn als stimulierbares Medium ein an eine Gleichstromquelle angeschlossener lichtemissionsfähiger pn-übergang aus Halbleitermaterial vorgesehen ist.

Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn optische Bündelungsmittel, wie Konvexlinsen, für die Signalstrahlung und/oder das Steuerlicht vorgesehen sind, die die Signalstrahlung und/oder das Steuerlicht im Absorber auf einen kleineren Querschnitt konzentrieren als den der Signalstrahlung im stimulierbaren Medium.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn im Signalstrahlungsweg Mittel wie Linsen und Blenden zur Unterdrückung störender Schwingungsmoden der Signalstrahlung vorgesehen sind.

Von besonderem Vorteil ist die wenigstens teilweise Ausbildung als integrierte Schaltung.

Bei der Verwendung von stimulierbaren Halbleiter-Materialien sind Impulszeiten unter 10~¹⁰s erreichbar, d. h., daß die Impulse in Luft eine Länge von weniger als 3 cm haben. Damit können einfache Spiegelsysteme als Impulsverzögerungsleitungen verwendet werden. Die Abmessungen eines stimulierbaren Halbleiterbauteils liegen im Vergleich dazu unter 1 mm³. Diese Werte prädestinieren die erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Zusammenfassung in integrierten Schaltungen.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen bekannten optischen Resonator mit stimulierbarem Medium und selektiv sättigbarem Absorber;

F i g. 2 zeigt die Transmission des Absorbers über der Frequenz;

ίο F i g. 3 und 4 zeigen Verläufe des Steuerlichtimpulses, der Transmission, der Verstärkung und des ausgelösten Signalstrahlungsimpulses über der Zeit;

F i g. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Gatteranordnung;

F i g. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Schieberegister; Fig. 7 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele selektiv sättigbarer Absorber;

F i g. 11 zeigt einen optischen Resonator im Bereich des Absorbers nach Fig."10;

F i g. 12 und 13 zeigen Termsysteme eines Drei-Niveau-Absorbermaterials ;
Fig. 14 und 15 zeigen optische Sender;
Fig. 16 zeigt eine Gatterschaltung, und
Fig. 17 zeigt die Gatterschaltung nach Fig. 16 in integrierter Bauweise.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Einrichtung zur impulsweisen Erzeugung elektrischer Signalschwingungen mit im Bereich optischer Wellen gelegener Frequenz. Im optischen Resonator, der durch den vollreflektierenden Spiegel 1 und den teildurchlässigen Spiegel 2 begrenzt wird, befindet sich als stimulierbares Medium ein Rubinstab 3 und ein selektiv sättigbarer Absorber 4 mit dem Farbstoff Filterblaugrün. Es ist eine Anregungsvorrichtung, die die Lichtenergie einer Anregungslichtquelle auf den Rubinstab 3 überträgt, vorgesehen, aber der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Von der Anregungslichtquelle wird Anregungslicht der Frequenz f_p in das stimulierbare Medium 3 eingestrahlt. Dadurch erhöht sich die Besetzungszahl eines höheren Energieniveaus, während die auf einem niedrigeren Energieniveau abnimmt, und es wird eine Invertierung erreicht. Nun würde der aus dem stimulierbaren Medium 3 und den Spiegeln 1 und 2 gebildete optische Resonator anschwingen, wenn nicht der Absorber 4 den Strahlendurchgang im Resonator sperrte. Wird jetzt der Absorber 4 von einer Steuerlichtquelle mit einer Frequenz f_sl angestrahlt, so werden Elektronen aus einem niederen Energiezustand auf ein höheres Energieniveau angehoben, wodurch der Absorptionswert sinkt und die Transmission steigt. Nach der Zufuhr einer bestimmten Steuerlichtenergiemenge kann der Sender anschwingen und sättigt durch seine eigene Emission die Absorption vollständig.

Bei einem Zwei-Niveau-Absorber ist die Frequenz des Steuerlichts f_st gleich der Frequenz der im Sender erzeugten Signalstrahlung /_s. Als Steuerlicht des gezeigten Senders kann daher die Signalstrahlung eines zweiten gleichartigen Senders dienen.

Ist die Oszillatorschwelle durch die Erhöhung der Absorbertransmission mittels des Steuerlichts überschritten, so treffen einige von angeregten Atomen ausgehende und längs der Resonatorachse laufende Wellen nach der Durchdringung des Absorbers 4 auf den Spiegel 2 und laufen wieder zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in den angeregten Atomen des stimu-

409 585/279

lierbaren Mediums 3, die die durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und auch Phase aus, so daß ein sich verstärkender Wellenzug entsteht, der an dem Spiegel 1 reflektiert wird und unter erneuter Verstärkung zum Spiegel 2 zurückläuft. Dort wird er teils zurückgeworfen, teils nach außen abgegeben. Da das stimulierbare Medium 3 während der Sperrzeit durch den Absorber 4 zu hohen Inversionswerten angeregt wurde, bildet sich ein steiler Impulsanstieg aus.

Durch die sich ausbildende Lichtlawine werden im Absorber 4 weitere Atome vom niederen Energieniveau in das höhere Energieniveau angehoben, bis Sättigung eintritt, wenn alle Atome angeregt sind. Jetzt ist die Absorption verschwunden. Das Steuerlicht, welches das Anschwingen des Senders bewirkte, ist jetzt überflüssig geworden.

Das verwendete Absorbermaterial Filterblaugrün, das in einem Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohol gelöst ist und sich in einer optisch durchlässigen Zelle befindet, hat die Eigenschaft der selektiven Sättigung. Das heißt, daß die Sättigung nur in einem schmalen Spektralbereich auftritt. Die F i g. 2 zeigt die Transmission T des Absorbers 4 über der Frequenz /. Die Transmissionskurve 5 zeigt einen breiten Sperrbereich. Wird jetzt ein selektives Steuerlicht f_sl6 ausreichender Energie in das Absorbermaterial 4 eingestrahlt, so steigt die Transmission bei dieser Frequenz bis zu ihrem Maximalwert. Da nur die um den Bereich Af liegenden Atome einer mittleren Energie h ■ f_st gesättigt sein müssen, weist der ■ Absorber 4 einen hohen Wirkungsgrad auf.

Bei Ausgestaltung für höchste Empfindlichkeit ist eine Aussteuerung des Senders mit wenigen Lichtquanten möglich. In dieser Ausführungsform kann die Anordnung als Quantenzähler, d. h. als empfindliches Meßgerät für optische Strahlung verwendet werden.

Wird ein Absorbermaterial gewählt, dessen Regenerationszeit oder Relaxationszeit r nach einer Sättigung klein gegen die Einschwingzeit t₀ des Senders ist, so erhält man eine als steuerbarer Impulsgenerator bezeichnete Variante. Die Einschwingzeit /₀ ist die Zeit, die nach einem Einschalten des Senders durch Sättigung des Absorbers vergeht, bis er mit konstanter Quantenzahl läuft. Die Fi g. 3 zeigt über der Zeit / den Verlauf des Steuerlichtimpulses 7, der Transmission 8, der Verstärkung 9 und des ausgelösten Signalstrahlungsimpulses 10. Der Steuerlichtimpuls 7 bewirkt eine selektive Sättigung des Absorbers 4 und damit einen impulsmäßigen Anstieg der Transmission 8. Der Einschwingvorgang führt im Sender zu einem Überschwingen der Verstärkung 9 unter den Gleichgewichtswert 11. Da τ <^ t₀ gewählt wurde, sperrt der Absorber den Resonator nach dem ersten Überschwingen wieder. Der Sender gibt einen Einzelsignalstrahlungsimpuls ab. Die Dimensionierung ist so zu wählen, daß nach dem ersten Impuls der Quantenfluß unter den Sättigungswert für den Absorber sinkt.

Wird ein Absorbermaterial gewählt, dessen Regenerationszeit τ nach einer Sättigung groß gegen die Einschwingzeit /₀ des Oszillators ist, so erhält man eine als steuerbare Kippstufe bezeichnete Ausführungsform. Die Fi g. 4 gibt eine Darstellung des Verlaufs des Steuerlichtimpulses 12, der Transmission 13, der Verstärkung 14 und der ausgelösten Signalstrahlung 15. Der Steuerlichtimpuls 12 bewirkt eine selektive Sättigung des Absorbers 4. Da dessen Regenerationszeit groß ist, bleibt die hohe Transmission 13 längere Zeit erhalten. Der Einschwingvorgang führt im Sender zu einem Überschwingen der Verstärkung 14 unter den Gleichgewichtswert 16. Unter dem Einfluß der Anregungsleistung pendelt der Sender in den Gleichgewichtswert ein. Seine Signalstrahlung 15 sättigt den Absorber dauernd. Durch den Steuerlichtimpuls 12 wird der Sender eingeschaltet und strahlt

ίο kontinuierlich Signalstrahlung ab.

Für Festkörpersender liegt die Einschwingzeit r₀ typischerweise zwischen 10 μβ und oo, für Gassender bei 1 ,us und für Halbleitersender bei 10~⁹s und darunter.

Die Regenerationszeiten τ von sättigbaren absorbierenden Farbstoffen lassen sich allein durch die Wahl des Lösungsmittels für den gleichen Farbstoff in weiten Grenzen variieren. Die Regenerationszeiten τ liegen im Bereich von 10~¹³ s bis 10~⁶ s.

Die F i g. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Gätteranordnung. Der optische Resonator besteht aus einem vollreflektierenden Spiegel 17, einem selektiv sättigbaren Absorber 18, einem stimulierbaren Medium 19 (Rubin), einem weiteren selektiv sättigbaren Absorber 20 und einem teildurchlässigen Spiegel 21. Dem stimulierbaren Medium 19 ist eine nicht dargestellte Anregungslichtquelle zugeordnet.

Die Wirkungsweise entspricht der in der F i g. 1 dargestellten Einrichtung. Der Absorber besteht aus einem Teil 18 und einem Teil 20, denen getrenntes Steuerlicht f_{st 1} und f_{st 2} zugeführt ist. Es ist die Ausführung eines UND-Gatters und eines ODER-Gatters möglich. Ist V die Verstärkung pro Durchgang, R die mittlere Reflexion der Spiegel 17, 21 und T die Transmission, so gilt für das UND-Gatter

VR>\ VRT₁₈T_2O<1 VRT_i8<l VRT₂₀ < 1 und für das ODER-Gatter

VR

VRT₁J₂₀

VRT

₁₈

VRT

₂₀

Das Koinzidenzgatter schwingt an, wenn beide Absorber 18 und 20 gleichzeitig gesättigt werden; das ODER-Gatter schwingt an, wenn nur jeweils einer der beiden Absorber gesättigt wird. Eine Erweiterung auf mehrere Gattereingänge ist möglich.

Die Erfindung ist auch für Einrichtungen mit zwei Resonatoren geeignet, deren Achsen sich im stimulierbaren Medium kreuzen.

Die F i g. 6 zeigt ein Schieberegister mit drei Resonatoren. Der erste Resonator enthält einen teildurchlässigen Spiegel 22, einen ersten Absorber 23, ein stimulierbares Medium 24, einen zweiten Absorber 25 und einen vollreflektierenden Spiegel 26. Der zweite Resonator besteht aus einem teildurchlässigen Spiegel 27, einem ersten Absorber 28, dem stimulierbaren Medium 24, einem zweiten Absorber 29 und einem vollreflektierenden Spiegel 30. Der dritte Resonator weist einen vollreflektierenden Spiegel 31, einen ersten Absorber 32, das stimulierbare Medium 24, einen zweiten Absorber 33 und einen teildurchlässigen Spiegel 34 auf. Zur Umlenkung der Signalstrahlung fs I auf den Absorber 28 dient der Spiegel 35, der Spiegel 36 reflektiert die Signalstrahlung fs 2 auf den Absorber 32, und der Spiegel 37 wirft die Signalstrahlung fs3 auf den Absorber 23. Das Steuerlicht f_s, beleuchtet unter Zuhilfenahme des Spiegels 38 die Absorber 25, 29 und 33. Die Einrichtung ist

völlig symmetrisch. Die an sich bekannte Anregungsenergie-Versorgungseinrichtung wurde nicht eingezeichnet.

Die Wirkungsweise des Schieberegisters ist folgende: Bei Beginn der Betrachtung sei angenommen, daß der Resonator 22, 26 schwingt und die beiden anderen Resonatoren nicht schwingen. Die Signalstrahlung /si sättigt den Absorber 28. Der nächste Steuerlichtimpuls f_st sättigt den Absorber 29, und der Resonator 27, 30 schwingt an. Der Resonator 22, 26 stellt seine Schwingungen ein. Der Resonator 31, 34 kann nicht anschwingen, weil der Absorber 33 gesperrt ist. Die Signalstrahlung fsl sättigt den Absorber 32, so daß beim nächsten Steuerlichtimpuls der Resonator 31, 34 anschwingt und der Resonator 27, 30 seine Schwingungen einstellt. Die Kopplung der Signalstrahlungsimpulse auf die folgenden Absorber hat eine Verzögerung, die größer als die Schaltzeit ist. Durch eine geringe Bevorzugung eines Resonators wird die Instabilität vermieden, daß alle Resonatoren ein gemeinsames Gleichgewicht besitzen. Die Einstellung der Einrichtung erfolgt durch gleichzeitige Sättigung beider Absorber eines Resonators.

Die F i g. 7 zeigt einen selektiv sättigbaren Absorber mit einstellbarer Anfangsabsorption. Der Absorber besteht aus einer optisch durchlässigen Zelle 39, die mit einer Absorberflüssigkeit 40 gefüllt ist. Die Zelle 39 ist um eine senkrecht zur Zeichenebene liegende Achse 41 drehbar angeordnet. Die Achse kreuzt eine Resonatorachse des Resonators, in dem der Absorber angeordnet sein soll. Das Signallicht fs dieses Resonators durchdringt die Zelle parallel zur Resonatorachse 42. Ein Steuerlicht f_st aus einer Steuerlichtquelle wird quer zur Resonatorachse 42 eingestrahlt.

Die Wirkung des selektiv sättigbaren Absorbers wurde an Hand der F i g. 1 bereits ausführlich erläutert. Das besondere an dieser Ausführung ist, daß je nach der Drehlage der Zelle 39 der Weg, den die Signalstrahlung im Absorbermaterial 40 durchlaufen muß, unterschiedlich lang ist. Mit der Weglänge ändert sich der Anfangsabsorptionswert, der bei einer Änderung der Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Einrichtung somit einstellbar ist.

Die F i g. 8 zeigt einen anderen im Anfangsabsorptionswert einstellbaren Absorber. Der an Hand der F i g. 7 beschriebenen Zelle 39 wird längs der Resonatorachse ein optisch durchlässiger Körper 43 nachgeschaltet, der den gleichen Brechwert wie die Zelle 39 mit dem Absorbermaterial 40 aufweist. Der Körper 43 ist um eine parallel zur Achse 41 liegende Achse 44 drehbar angeordnet. Ein Getriebe 45 stellt die Zelle 39 und den Körper 43 für verschiedene gewünschte Anfangsabsorptionswerte so ein, daß die optische Weglänge für die Signalstrahlung fs in den Körpern 39 und 43 jeweils konstant ist. Dies hat den Vorteil, daß die Signalstrahlungs-Frequenz bei der Einstellung unverändert bleibt.

Die F i g. 9 zeigt eine weitere Aus.führungsform eines selektiv sättigbaren Absorbers mit einstellbarer Anfangsabsorption bei konstanter optischer Weglänge für die Signalstrahlung. Der Absorber hat eine Kammer 46 mit angeschlossenem Vorratsbehälter 47, die beide mit einer Absorberflüssigkeit 48 gefüllt sind. Längs der Achse 49 ist in Ausbreitungsrichtung der Signalstrahlung fs nachfolgend eine zweite Kammer 50 mit angeschlossenem Vorratsbehälter 51 angeordnet, die beide mit einer nichtabsorbierenden Flüssigkeit 52 gefüllt sind, die den gleichen Brechwert wie die absorbierende Flüssigkeit 48 hat. Beide Kammern 46 und 50 haben eine gemeinsame optische durchlässige Trennwand 53 in Form eines Kolbens, der mittels einer Schubstange 54 längs der Achse 49 unter Abdichtung der Flüssigkeiten 48 und 52 verschiebbar ist. Die Wände des Absorbers sind für die Signalstrahlung fs und das Steuerlicht f_st durchlässig. Die Wirkungsweise der selektiven Absorption

ίο wurde bereits an Hand der F i g. 1 beschrieben. Zur Einstellung des Anfangsabsorptionswertes wird die Länge der Kammer 46 längs der Achse 49 verändert, wobei die im Vorratsbehälter 47 befindliche Flüssigkeit stets für eine vollständige Kammerfüllung sorgt.

Eine Vergrößerung der Länge der Kammer 46 bedingt eine entsprechende Verminderung der Länge der Kammer 50, und die verdrängte Flüssigkeit 52 steigt in den Behälter 51.

Die Fig. 10 stellt eine weitere Ausführungsform eines selektiv sättigbaren Absorbers mit einstellbarer Anfangsabsorption bei konstanter optischer Weglänge für die Signalstrahlung fs dar. Der Absorber enthält eine keilförmige Zelle 55, die mit einer weiteren keilförmigen Zelle 56 einen Quader bildet; die Zelle 55 ist mit einer absorbierenden Flüssigkeit 57 und die Zelle 56 mit einer absorbierenden Flüssigkeit 58 gefüllt. Die Flüssigkeiten 57 und 58 weisen eine unterschiedliche Absorption, aber gleichen Brechwert auf. Der Quader ist senkrechT zur Einfallsrichtung der Signalstrahlung fs verschiebbar.

Die Wirkungsweise der selektiven Absorption wurde bereits bei der Erläuterung der F i g. 1 dargestellt. Die Änderung der Gesamtabsorption erfolgt durch Verschiebung des Absorbers senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Signalstrahlung fs, wobei die optische Weglänge der Signalstrahlung durch einen Keil abnimmt und durch den anderen Keil zunimmt. Da die Keile eine unterschiedliche Absorption aufweisen, ändert sich die Gesamtabsorption unter Erhaltung der optischen Gesamtweglänge. Auch hier bedingt die Einstellung der Anfangsabsorption keine Veränderung der Senderfrequenz, wenn der Absorber in den Strahlengang eines optischen Resonators eingefügt wird.

Die Fig. 11 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines optischen Resonators im Bereich des Absorbers nach der Fig. 10. Als Abschluß des Resonatorsstrahlenganges dient ein 90°-Prisma 59. Das stimulierbare Medium und der zweite Resonatorspiegel sind nicht dargestellt, da sie ohne Bedeutung für die Erläuterung sind.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Die Signalstrahlung fs hat quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung eine gewisse Ausdehnung. Dies ist durch die Einzeichnung eines ausgezogenen und eines gestrichelten Strahles angedeutet. Da beide Strahlen die Keile 55 und 56 auf verschiedenen Wegen durchdringen, unterliegen sie einer unterschiedlichen Absorption. Der Einbau des 90°-Prismas als Spiegel bewirkt für jeden Strahl eine zweimalige seitenvertauschte Durchlaufung des Quaders, wobei sich die unterschiedlichen Absorptionslängen auf dem Hin- und Rückweg kompensieren.

Die Fig. 12 und 13 zeigen ein Termsystem eines Drei-Niveau-Absorbermaterials. Die Fig. 12 erläutert eine Frequenzumsetzung mit Frequenzerhöhung und die Fig. 13 eine Frequenzumsetzung mit Frequenzerniedrigung. Der Sender kann mit einem

Steuerlicht fs anderer Frequenz als der Signalstrahlung fs gesteuert werden.

In Fig. 12 induziert das Steuerlicht f_st Übergänge EHE 2 und reduziert gleichzeitig die Absorption im Übergang El/E3. Umgekehrt induziert das Steuerlicht f_si in der Fig. 13 Übergänge EHE3 und reduziert die Absorption im Übergang ElIEl, da jeweils die Zahl der Atome im tieferen Energiezustand durch den Einfluß des Steuerlichts reduziert wird.

Die Fig. 14 zeigt einen optischen Sender, bei dem nur ein Absorber dargestellt ist. Die Einrichtung besteht aus einem voll reflektierenden Spiegel 60, einem stimulierbaren Medium 61, einem Absorber 62 und einem teildurchlässigen Spiegel 63. Zur Zuführung der Anregungsenergie f_p ist eine an sich bekannte und daher nicht dargestellte Anregungseinrichtung vorgesehen. Parallel zur Resonatorachse 64 ist beiderseitig des Absorbers ein Spiegelpaar 65 angeordnet.

Die Wirkungsweise des optischen Senders wurde bereits an Hand der Fig. 1 beschrieben. In dieser Anordnung wird das Steuerlicht /_s/ so eingestrahlt, daß es zwischen dem Spiegelpaar 65 das Absorbermaterial 62 zickzackförmig mehrfach durchläuft. Dabei werden möglichst viele Steuerlichtquanten absorbiert.

Die Fig. 15 zeigt eine Einrichtung, die eine ähnliche Wirkung erzielt. Der optische Resonator enthält einen teildurchlässigen Spiegel 66, ein stimulierbares Medium 67, eine Polarisationsweiche 68, einen selektiv sättigbaren Absorber 69 und einen vollreflektierenden Spiegel 70.

Bei dieser Anordnung wird das Steuerlicht f_s, durch die Polarisationsweiche parallel zur Resonatorachse 71 eingekoppelt. Der Resonator verstärkt nur eine Polarisationsrichtung, und es wird um 90° dazu versetzt polarisiertes Steuerlicht eingestrahlt. Nach der Reflexion am Spiegel 70 durchläuft das Steuerlicht f_sl den Absorber 69 ein zweites Mal bei erneuter Absorption von Steuerlichtquanten.

Die Fig. 16 zeigt eine Gatterschaltung, bei der drei UND-Gatter mit je zwei Eingängen mit ihren Ausgängen auf ein ODER-Gatter wirken. In der Fig. 17 ist diese Schaltung in integrierter Bauweise mit erfindungsgemäßen Einrichtungen ausgeführt. Der Block I besteht aus einer vollreflektierenden Spiegelschicht 72, einer Absorberschicht 73, einem Halbleitermaterial 74 mit lichtemissionsfähigem pnübergang 75, einer weiteren Absorptionsschicht 76, die von Blenden 77 unterbrochen ist, einer teildurchlässigen Spiegelschicht 78 und elektrischen Anschlüssen 79 und 80. Der Block II besteht aus einer vollreflektierenden Spiegelschicht 81, einer Absorberschicht 82, einem ersten Halbleitermaterial 83 mit einem pn-übergang 84, einer zweiten Absorberschicht 85, einem zweiten Halbleitermaterial 86 mit einem pn-Ubergang 87, einer dritten Absorberschicht 88, einem teildurchlässigen Spiegel 89, elektrischen Anschlüssen 90 bis 93 und Verbindungsleitungen 94. Die Anschlüsse 79 und 9,0 sind mit dem Minuspol und die Anschlüsse 80 und 91 mit dem Pluspol der Batterie 95 verbunden. Die auf dem Block II isoliert aufgebrachten Leitungszüge 94 verbinden die Anschlüsse 90 und 92 einerseits und 91 und 93 andererseits.

Die Wirkungsweise des Impulsverstärkers wurde an Hand der F i g. 1 und die des Gatters an Hand der F i g. 5 beschrieben. Liegt an den Halbleiteranschlüssen Spannung aus der Batterie 95 an, so erfolgt eine Lichtemission, wenn die Absorber gesättigt sind. Im Beispiel der Fig. 17 werden die UND-Gatter-Eingänge a, b, c und e mit Steuerlicht bestrahlt. Dabei gibt nur das zu den Eingängen α und b gehörige UND-Gatter Signalstrahlung g ab. Die Blenden 77 trennen dabei optisch die UND-Gatter voneinander. Der Signalstrahl g wirkt für das ODER-Gatter im Block II als Steuerlicht. Der Absorber 88 wird gesättigt, öffnet den Resonator, und eine Signalstrahlung k wird abgegeben.

In der hier angedeuteten Art lassen sich komplizierte Zusammensetzungen erfindungsgemäßer Einrichtungen unter Einhaltung kurzer Lichtwege elektrisch und wirtschaftlich vorteilhaft ausbilden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (24)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender (Laser) zur Erzeugung gepulster optischer Signalstrahlung, bei dem das mit einer Vorrichtung zur Zuführung von optischer Anregungsenergie versehene stimulierbare Medium in einem mit nur einer Auskoppelvorrichtung versehenen optischen Resonator, insbesondere in einem Fabry-Perot-Resonator, angeordnet ist, der zusätzlich einen reversiblen sättigbaren Absorber enthält, dem eine der wenigstens teilweisen Sättigung des Absorbers dienende Steuerlichtquelle, die über einen Lichtweg auf den Absorber einwirkt, zugeordnet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die zur Auslösung der optischen Signalstrahlung das Steuerlicht für den Absorber freigeben, dadurch gekennzeichnet, daß in ein und demselben optischen Resonator (17, 21) der Absorber aus mehreren, im Signalstrahlengang angeordneten Teilabsorbern (18, 20) besteht, deren jedem eine eigene Steuerlichtquelle (/«1» /5(2) zugeordnet ist.

2. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Absorber ein auf der Signalfrequenz selektiv sättigbares Material, wie beispielsweise das auf der Rubinlinie selektiv sättigbare Filterblaugrün, vorgesehen ist.

3. Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absorbermaterial vorgesehen ist, dessen Regenerationszeit nach seiner Sättigung groß gegen die Einschwingzeit des optischen Resonators ist.

4. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absorber vorgesehen ist, dessen Anfangsabsorptionswert durch Veränderung der Lage des Absorbers im Signalstrahlengang des optischen Resonators veränderbar ist.

5. Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorbermaterial in einer Zelle enthalten ist, deren von der Signalstrahlung durchsetzte Begrenzungsflächen wenigstens annähernd planparallel sind, und daß die Zelle um eine senkrecht zur Signalstrahlungsachse liegende Achse drehbar ist.

6. Sender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberzelle mit einer zweiten absorbierenden oder nicht absorbierenden Zelle mit näherungsweise gleichem Brechwert in der Winkelstellung zur optischen Achse so gekoppelt ist, daß die optische Weglänge beider Zellen zusammen wenigstens in einem gewissen Winkelbereich annähernd konstant ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Absorbermaterial eine in einer Zelle enthaltene Flüssigkeit vorgesehen ist und daß durch Änderung der Lage und Form der Zelle die Weglänge der Signalstrahlung in der Flüssigkeit einstellbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalstrahlungsweg der Absorberzelle eine zweite Zelle (Ausgleichszelle) mit näherungsweise gleichem Brechwert zugeordnet ist, deren Lage und/oder Form derart in Abhängigkeit von Lage und/oder Form der Absorberzelle veränderbar ist, daß die optische Weglänge beider Zellen zusammen wenigstens näherungsweise konstant ist.

9. Sender nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der stets vollständigen Zellenführung dienende Vorratsbehälter vorgesehen sind.

10. Sender nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei keilförmige Körper aus einem Absorbermaterial unterschiedlicher Absorption zu einem Quader vereinigt sind und daß der Quader in einer zur Signallichtachse geneigten Ebene verschiebbar angeordnet ist.

11. Sender nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Signallicht durchsetzten Zellenwände entspiegelt sind.

12. Sender nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Signallicht durchsetzten Begrenzungsflächen des Absorbers und/oder der Ausgleichszelle zur Signallichtachse unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind.

13. Sender nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einstellung der Anfangsabsorption dienende Vorrichtung vorgesehen ist, deren Regelkriterium eine aus der durchgelassenen Signalstrahlung abgeleitete Größe ist.

14. Sender nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einstellung der Anfangsabsorption dienende zusätzliche, den Absorber beleuchtende und vorzugsweise in der Strahlungsintensität regelbare Lichtquelle vorgesehen ist.

15. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Veränderung der Frequenzlage von Absorptionslinien dienende Vorrichtung zur Änderung der Temperatur oder zur Erzeugung elektrischer oder magnetischer Felder im Absorber vorgesehen ist.

16. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch genkennzeichnet, daß Absorbermaterialien mit Mehrniveausystem vorgesehen sind, in denen die selektive Absorption eines Übergangs durch Bestrahlen durch die Steuerlichtquelle in einen anderen Übergang geändert ist.

17. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dats das sti-Vorrichtung zur zickzackförmigen Führung des Steuerlichts im Absorber zwischen vorzugsweise parallel gegenüberstehend angeordneten Spiegeln vorgesehen ist.

18. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einspeisung des Steuerlichts parallel zur Signalstrahlungsachse dienende Polarisationsweiche vorgesehen ist.

19. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium wenigstens teilweise dem Signalstrahlungsweg mehrerer getrennter optischer Resonatoren zugehört.

20. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische mulierbares Medium ein an eine Gleichstromquelle angeschlossener lichtemissionsfähiger pn-Übergang aus Halbleitermaterial vorgesehen ist.

21. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß optische

Bündelungsmittel, wie Konvexlinsen, für die Signalstrahlung und/oder das Steuerlicht vorgesehen sind, die die Signalstrahlung und/oder das Steuerlicht im Absorber auf einen kleineren Querschnitt konzentrieren als den der Signalstrahlung im stimulierbaren Medium.

22. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalstrahlungsweg Mittel wie Blenden und Linsen zur Unterdrückung störender Schwingungsmoden der Signalstrahlung vorgesehen sind.

23. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die wenigstens teilweise Ausbildung als integrierte Schaltung (z.B. Fig. 17).

24. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als logische Schaltung.