DE1514660C3

DE1514660C3 - Optical crystal arrangement for frequency conversion, amplification and / or modulation of optical signals

Info

Publication number: DE1514660C3
Application number: DE19661514660
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Groschwitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-01-12
Filing date: 1966-01-12
Publication date: 1973-11-29
Also published as: DE1514660A1; DE1514660B2

Description

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in den nichtangeregten Kristall eingestrahlte Frequenz schwingungen gesteuerten Eigenfrequenz der Gitter-frequency radiated into the unexcited crystal vibrations controlled natural frequency of the lattice

im optischen Resonator mit gleichen Moden-, Phasen- oszillatoren durch Streuung erzeugte Signal- bzw.Signal or phase oscillators generated by scattering in the optical resonator with the same mode, phase oscillators

und Polarisationsverhältnissen zur Resonanz kommen. Signalträgerfrequenz senkrecht zur schwingendenand polarization ratios come to resonance. Signal carrier frequency perpendicular to the oscillating

Zu diesem Zweck sind im Rückkopplungsweg Platte austritt.For this purpose, plate exits are in the feedback path.

zwischen den optisch gekoppelten korrespondieren- 5 Das schwingungsfähige Substrat ist an seinenbetween the optically coupled corresponding 5 The vibratory substrate is at its

den Kristallen ein optischer Phasenschieber mit Enden gehaltert und in seinem mittleren Bereichan optical phase shifter with ends is mounted on the crystals and in its central area

steuerbarer optischer Weglänge und eine Vorrichtung durch einen schwingenden Stift mechanisch anregbar,controllable optical path length and a device that can be mechanically excited by a vibrating pen,

zur Drehung der Polarisationsebene angeordnet. Weiterhin ist nach einem besonderen Merkmal derarranged to rotate the plane of polarization. Furthermore, according to a special feature of the

Im optischen Resonator kann für die Signal- bzw. Erfindung vorgesehen, daß der als dünne SchichtIn the optical resonator can be provided for the signal or invention that the as a thin layer

Signalträgerfrequenz ein halbdurchlässiger Spiegel io ausgebildete Primärkristall auf seiner dem SubstratSignal carrier frequency a semi-transparent mirror io formed primary crystal on its the substrate

derart angeordnet sein, daß die Signal- bzw. Signal- abgewandten Seite mit einer für die Signal- bzw.be arranged in such a way that the side facing away from the signal or signal with one for the signal or

trägerfrequenz aus dem Resonator auskoppelbar ist. Signal trägerfrequenz durchlässigen und für diecarrier frequency can be decoupled from the resonator. Signal carrier frequency permeable and for the

Zur Frage der bei der vorliegenden Erfindung primär eingestrahlte Laserfrequenz total reflektie-To the question of the laser frequency primarily radiated in the present invention, totally reflected

durchgeführten optischen Wechselwirkung zwischen rende Schicht bedeckt.performed optical interaction between rende layer covered.

zwei in verschiedener Weise optisch korrespondieren- 15 Die in Längsrichtung primär eingestrahlte Freden Kristallen gemeinsam mit einer optischen Rück- quenz verläßt den Primärkristall infolge innerer kopplung sei noch auf den physikalischen Sachverhalt Totalreflexion am Substrat und an der für den Einhingewiesen, daß die hierbei zur Anwendung korn- fallwinkel der Frequenz total reflektierenden Schicht menden Streustrahlungen bei Verwendung einer in Längsrichtung des Kristalls. Eingangsstrahlung hinreichend großer Intensität, 20 Die quantenelektronische Anregung der Eigend. h., insbesondere bei einer Laserstrahlung, einen schwingungen der Gitteroszillatoren des verstärkenwesentlichen kohärenten Anteil enthalten, so daß den korrespondierenden Kristalls geschieht beispielsim vorliegenden Fall sowohl die optische Korrespon- weise durch eine zusätzliche optische Einstrahlung denz als auch die zusätzliche Rückkopplung auch im Spektralbereich der anregenden Eigenfrequenz in der Streustrahlung Kohärenz aufweist. Bekanntlich 25 der Gitteroszillatoren. Die Anpassung der anregenden ist dies nicht mehr der Fall bei normaler optischer Strahlung an die anregende Resonanzfrequenz erfolgt Strahlung, bei welcher die Streustrahlung zur Ein- an Hand einer Reststrahlmethode, wobei aus einem gangsstrahlung inkohärent ist. ursprünglich breiteren Spektrum, welches die Reso-two visually correspond in different ways Crystals together with an optical return sequence leaves the primary crystal as a result of internal coupling should be pointed out to the physical fact of total reflection on the substrate and to the that the layer that is totally reflective for the application of the angle of fall of the frequency Menden scattered radiation when using one in the longitudinal direction of the crystal. Input radiation of sufficient intensity, 20 The quantum electronic excitation of the Eigend. that is, especially in the case of laser radiation, vibrations of the grid oscillators of the amplifying essential contain coherent portion, so that the corresponding crystal happens for example In the present case, both the optical correspondence by an additional optical radiation denz as well as the additional feedback also in the spectral range of the stimulating natural frequency has coherence in the scattered radiation. As is known, 25 of the grid oscillators. Adapting the stimulating if this is no longer the case with normal optical radiation at the exciting resonance frequency Radiation, in which the scattered radiation to one hand a residual radiation method, whereby from one input radiation is incoherent. originally broader spectrum, which the reso-

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht nanzfrequenz enthält, durch mehrfache Reflexion an darin, daß die in das korrespondierende Kristall- 30 Kristallen von gleicher Beschaffenheit wie der versystem eintretende und dort verstärkte Frequenz stärkende Kristall des optisch korrespondierenden vorher in einem Kristall mit anderer Eigenfrequenz Systems, die Resonanzfrequenz ausgefiltert wird, der Gitteroszillatoren aus einer primären Laser- Diese Möglichkeit hat den Vorteil, die Anregung strahlung erzeugt wird und außerdem eine Frequenz- der verstärkenden Gitteroszillatoren in bestimmten modulation aufgeprägt bekommt. Auf diese Weise 35 Grenzen beliebig groß zu machen. Gegenüber herwird die behandelte beliebige und neu erzeugte kömmlichen Lasersystemen ergibt sich hierdurch der Frequenz zur Signalträgerfrequenz. In physikalischer gravierende Vorteil, daß die durch eine Anregungs-Hinsicht wird dieser nachrichtentechnische Sach- frequenz gespeiste Quantenenergie von der bei herverhalt dadurch bewirkt, daß bei der Anordnung kömmlichen Systemen durch die Natur des Kristalls gemäß der Erfindung von der Tatsache Gebrauch 40 fixierten Signalfrequenz bei der Anordnung gemäß gemacht wird, daß die Debeye-Temperatur eines der Erfindung hinsichtlich der Besetzungsverhältnisse Kristalls durch erzwungene elastische Volumen- unabhängig ist.A further embodiment of the invention consists of nanzfrequency, due to multiple reflections in the fact that the crystals in the corresponding crystal are of the same nature as the verse system entering and there amplified frequency strengthening crystal of the optically corresponding previously in a crystal with a different natural frequency system, the resonance frequency is filtered out, The lattice oscillators from a primary laser- This possibility has the advantage of the excitation Radiation is generated and also a frequency of the amplifying grid oscillators in certain modulation gets impressed. In this way you can make 35 borders as large as you want. Opposite The treated arbitrary and newly generated conventional laser systems result from this Frequency to the signal carrier frequency. In physical terms, there is a serious advantage that through an excitation point of view this telecommunications material frequency is fed quantum energy by the at herverhalt caused by the fact that when arranging conventional systems by the nature of the crystal according to the invention of the fact use 40 fixed signal frequency in the arrangement according to is made that the Debeye temperature is one of the invention in terms of occupation ratios Crystal is independent of volume by forced elastic.

änderungen modifizierbar ist. Das bedeutet anschau- Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich lieh eine Frequenzverstimmung der Eigenschwingung aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfühder Gitteroszillatoren durch erzwungene elastische 45 rungsbeispielen an Hand der Fig. 1 bis 5. Deformationen des Kristallgitters. Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung Diese elastischen Deformationen des Kristallgitters optische Kristalle I, II und III. In den Primärkristall I geschehen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Laserstrahlung der beliebigen Frequenz V₁ durch eine mechanische Vorrichtung am Primär- durch eine optische Aussparung in der Platte 12 kristall zur Veränderung, insbesondere zur periodi- 50 eingestrahlt. Die hierbei durch Streuung an der nichtschen Veränderung, der streuenden Eigenfrequenz der i r· c El-E, U-I- /-,·.. ·„ . j, . , if j v> 1 angeregten Eigenfrequenz v,„ =—*—7——, wobei E, Gitteroszillatoren durch eine entsprechende Volumen- & & & μ i2 h ' ¹ changes can be modified. This means visual further details of the invention result from a frequency detuning of the natural oscillation from the following description of executors lattice oscillators by means of forced elastic 45 approximation examples on the basis of FIGS. 1 to 5. Deformations of the crystal lattice. Fig. 1 shows in a schematic representation these elastic deformations of the crystal lattice optical crystals I, II and III. According to a development of the invention, a laser radiation of any frequency V ₁ is radiated into the primary crystal I by a mechanical device on the primary crystal through an optical recess in the plate 12 for change, in particular at periodic 50. The hereby scattering at the non-change, the scattering natural frequency of the ir · c El-E, UI- / -, · .. · „. j,. , if j v> 1 excited natural frequency v, " = - * - 7——, where E, grid oscillators by a corresponding volume &&& μ i2 h ' ¹

änderung. und £<, darin Energien und h die Plancksche Kon-Insbesondere ist der Primärkristall an zwei gegen- stante bedeuten, des Primärkristalls I entstehende überliegenden Flächen zwischen zwei Platten be- 55 Differenzstrahlung v₀ tritt nach Reflexion an dem festigt und eingespannt, deren eine als ruhender Spiegel 11 ebenfalls als Laserstrahlung in den Kri-Kristallträger dient und deren andere Schwingungen stall II ein. Die so im Kristall I erzeugte neue Freauszuführen in der Lage ist. Die Schwingungen aus- quenz v₂ repräsentiert den Informationsträger. Der führende Platte kann entweder Teil eines mechanisch Kristall II bildet zusammen mit dem Kristall III schwingenden Systems oder ein elektrisch erregter ^ßo durch optische Wechselwirkung ein optisch korrespiezoelektrischer Kristall sein. pondierendes System. Diese optische Korrespondenz Es ist bei einer besonderen Ausgestaltung der wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an Erfindung vorgesehen, daß der Primärkristall als beiden Kristallen eine gleiche ausgewählte Eigendünne Schicht auf einem mechanische Schwingungen _freauenz „ _ 3.-fr _ _Fi„ ₂ — als enerdeausführenden elastischen Substrat aufgebracht ist. 6₅ ^rreq^uenz ^vzi ~ _h ^ri§-^{z ais} energie Dabei durchdringt die primär eingestrahlte Laser- übertragender streuender Mechanismus für die reprofrequenz die Kristallschicht in Längsrichtung mit duzierte und verstärkte Signalträgerfrequenz v₂ Ver-Mehrfachreflexion, wobei die an der durch Biege- Wendung findet. Die Energien E₃ und E_i bedeutenmodification. and £ <therein energies and h is Planck's Kon-In particular, the primary crystal of two counter stante mean of the primary crystal I resulting opposing surfaces between two plates sawn 55 difference radiation v ₀ occurs after reflection solidifies at and clamped, one of which as Resting mirror 11 also serves as laser radiation in the Kri crystal carrier and its other vibrations stall II. The new freak thus generated in Crystal I is able to carry out. The oscillation sequence v ₂ represents the information carrier. The leading plate can either be part of a mechanical crystal II together with the crystal III oscillating system or an electrically excited ^ß o through optical interaction an optically corresponding electrical crystal. ponding system. This optical correspondence is achieved according to the invention in that the invention provides that the primary crystal, as both crystals, has an identical selected _{intrinsic thin} layer on a mechanical oscillation freauence "_ 3.-fr _ _Fi " ₂ - as energy-executing elastic substrate is applied. 6 ₅ ^rre q ^uenz ^v zi ~ _h ^ri §- ^{z ais} energy The primarily irradiated laser-transmitting scattering mechanism for the reproduction frequency penetrates the crystal layer in the longitudinal direction with reduced and amplified signal carrier frequency v ₂ multiple reflection, whereby the Finds a turn. The energies E ₃ and E _i mean

quantenhafte Energiezustände der Eigenschwingungen der Gitteroszillatoren in den Kristallen II und III. Für die in Rede stehende optische Korrespondenz ist wesentlich, daß im Kristall II des korrespondierenden Kristallsystems die Eigenfrequenz v_Si der Gitteroszillatoren nicht angeregt ist, während hingegen diese Eigenfrequenz im Kristall III des korrespondierenden Systems durch eine äußere Energiequelle infolge einer mit dieser Eigenfrequenz resonanzfähigen optischen Strahlung angeregt wird.Quantum energy states of the natural oscillations of the grid oscillators in crystals II and III. For the optical correspondence in question, it is essential that the natural frequency v _{Si of} the lattice oscillators is not excited in crystal II of the corresponding crystal system, whereas this natural frequency in crystal III of the corresponding system is excited by an external energy source as a result of optical radiation capable of resonating with this natural frequency will.

Die im Primärkristall I mit beliebiger Intensität und mit beliebigem Frequenzwert erzeugte Frequenz v₂ tritt in den Kristall II ein und wird am Spiegel 15 reflektiert. Dieser Spiegel kann auch so angeordnet sein, daß er mit dem Spiegel 11 einen optischen Resonator bildet. Im Kristall II entsteht durch Streuung der Laserfrequenz v₂ an den nichtangeregten Gitteroszillatoren mit der Eigenfrequenz V₃₄ die Laserfrequenz v₃ als Differenzfrequenz zwischen der Frequenz v₂ und der Eigenfrequenz v_u. Die Laserfrequenz ^₃ übernimmt bei dem genannten Streuprozeß den Informationsinhalt der Frequenz v_r Außerdem wird der Frequenz v_s die Funktion der optischen Kopplung des korrespondierenden Kristallsystems dergestalt übertragen, daß sie mit ihrer Information im Kristall III des korrespondierenden Kristallsystems durch Streuung an der hochangeregten Eigenfrequenz v_3i der Gitteroszillatoren des Kristalls III eine Energieentnahme aus dem angeregten Quantenzustand der Gitteroszillatoren induziert, wobei nunmehr wiederum die Signalfrequenz v» mit ihrem ursprünglichen Inforraationsinhalt reproduziert wird. The frequency v ₂ generated in the primary crystal I with any intensity and with any frequency value enters the crystal II and is reflected on the mirror 15. This mirror can also be arranged in such a way that it forms an optical resonator with the mirror 11. In crystal II, scattering of the laser frequency v ₂ on the non-excited grid oscillators with the natural frequency V ₃₄ results in the laser frequency v ₃ as the difference frequency between the frequency v ₂ and the natural frequency v _u . The laser frequency ^ ₃ takes over the information content of the frequency v _r in the mentioned scattering process.In addition, the function of the optical coupling of the corresponding crystal system is transferred to the frequency v _{s in} such a way that it with its information in crystal III of the corresponding crystal system by scattering at the highly excited natural frequency v _{3i of} the lattice oscillators of the crystal III induces an energy extraction from the excited quantum state of the lattice oscillators, the signal frequency v » with its original information content now being reproduced again.

Die Signalfrequenz v_v ist jedoch nun mit der steuerbaren Anregungsenergie des Kristalls III zusätzlich behaftet, so daß die Information im Kristall III aus der Quantenenergie der hochangeregten Gitteroszillatoren verstärkt wird. Es wird bemerkt, daß diese vergleichsweise bei der Erzeugung der Signalfrequenz v₂ im Primärkristall I noch nicht der Fall ist. Dort wird diese Frequenz zwar durch die nichtangeregte Eigenfrequenz ^₁., als Differenzfrequenz aus der beliebigen Frequenz V₁ erzeugt, eine zusätzliche Energieaufnahme aus den quantenhaften Energiezuständen des Kristalls findet jedoch hierbei nicht statt.The signal frequency v _v , however, is now additionally affected by the controllable excitation energy of crystal III, so that the information in crystal III is amplified from the quantum energy of the highly excited lattice oscillators. It is noted that this is not yet the case in comparison with the generation of the signal frequency v _{2 in the primary crystal I.} There this frequency is generated by the unexcited natural frequency ^ _1. , As a difference frequency from the arbitrary frequency V ₁ , but no additional energy is absorbed from the quantum energy states of the crystal.

Vielmehr erhält die Frequenz v₂ ihre Energie beim Streuprozeß im Primärkristall I ausschließlich aus der Eingangssfrequenz V₁. Rather, the frequency v ₂ receives its energy during the scattering process in the primary crystal I exclusively from the input frequency V ₁ .

Die im Kristall III mit der Information versehene reproduzierte und hinsichtlich ihrer Intensität aus der Anregungsenergie des Kristalls III gespeiste Signalfrequsnz v_n kann im einfachsten Fall — der in Fig. 1 dargestellt ist — nach Reflexion an dem Spiegel 16 unmittelbar als Ausgangssirahlung aus dem System entnommen werden.In the crystal III provided with the information reproduced and in intensity from the excitation energy of the crystal can v _n III fed Signalfrequsnz in the simplest case - illustrated in Fig. 1 - immediately after reflection from the mirror 16 and be removed from the system Ausgangssirahlung .

Die Anregung der Gitterosziliaiorcn mit der Eigenfrequenz in dem Kristall III des optisch korrespondierenden Systems kann im Prinzip beispielsweise durch eine mit dieser Frequenz resonanziähige Laserstrahlung angeregt werden. Im vorliegenden Beispiel wird die Anregung aus einem breiteren optischen Spektrum mit der mittleren Frequenz v₄ als Reststrahlung der Frequenz v_M bewirkt. Die Anpassung an die Resonanzfrequenz v_u erfolgt hierbei durch mehrfache Reflexion an Kristallen 17 und 18, weiche, ebenso wie der Kristall III, die gleiche Eigenfrequenz aufweisen. Im einfachsten Fall werden diese Kristalle von der gleichen stofflichen Zusammensetzung wie der Kristall I sein.The excitation of the grid oscillators with the natural frequency in the crystal III of the optically corresponding system can in principle be excited, for example, by laser radiation capable of resonance at this frequency. In the present example, the excitation is brought about from a broader optical spectrum with the mean frequency v ₄ as residual radiation of the frequency v _M. The adaptation to the resonance frequency v _u takes place here by multiple reflections on crystals 17 and 18, which, like crystal III, have the same natural frequency. In the simplest case, these crystals will have the same material composition as crystal I.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die aus dem Kristall III austretende, verstärkte Frequenz v₂ über eine nicht dargestellte Spiegelanordnung und einen optischen Phasenschieber mit der den Kristall II durchsetzenden Frequenz v₉ zu vereinigen und insgesamt zu emittieren. In diesem Fall ist der Spiegel 15 halbdurchlässig. It is also possible to combine the amplified frequency v ₂ emerging from the crystal III via a mirror arrangement (not shown) and an optical phase shifter with the frequency v ₉ passing through the crystal II and to emit it as a whole. In this case, the mirror 15 is semi-transparent.

Zur Modulation der Signalfrequenz v„ ist der Kristall I zusätzlich mit einer Vorrichtung versehen, welche elastische Volumendeformationen des Kristalls erzeugt. Durch diese Volumendeformation wird grundsätzlich die Debeye-Temperatur des Kristallgitters modifiziert. Hieraus ergeben. sich entsprechende Variationen der Eigenfrequenzen der Gitteroszillatoren für jeden im Dispersionsbereich zugelassenen Ausbreitungsvektor einer Schallausbreitung. Die Variation der Eigenfrequenz v₁₂ im Kristall I ist in F i g. 2 in dem Energiediagramm I durch einen zweiseitigen Pfeil in der Energiezustandslinie E₁ anschaulich dargestellt. Durch Variation der Energiedifferenz zwischen den Energien E₁ und E₂ ergibt sich eine periodische Veränderung der zugeordneten Eigenfrequenz v_lo, so daß bei festgehaltener Frequenz V₁ eine modulierte Signalfrequenz bzw. Signalträgerfrequenz v_o entsteht.In order to modulate the signal frequency v " , the crystal I is additionally provided with a device which generates elastic volume deformations of the crystal. This volume deformation basically modifies the Debeye temperature of the crystal lattice. Result from this. There are corresponding variations in the natural frequencies of the grid oscillators for each propagation vector of a sound propagation permitted in the dispersion range. The variation of the natural frequency v ₁₂ in crystal I is shown in FIG. 2 clearly shown in the energy diagram I by a two-sided arrow in the energy state line E _1. By varying the energy difference between the energies E ₁ and E ₂ , there is a periodic change in the associated natural frequency v _lo , so that with the frequency V ₁ fixed, a modulated signal frequency or signal carrier frequency v _o is produced.

Die periodischen, elastischen Volumenänderungen des auf dem Substrat 12 befestigten Primärkristalls I werden durch eine schwingungsfähige Platte oder Membran 13 im Primärkristall I erzeugt. Dieser ist zwischen den beiden genannten Platten eingespannt. Die schwingungsfähige Platte 13 wird durch ein übertragendes Medium 19 zu mechanischen Schwingungen angeregt. In speziellen Fällen können die modulierenden Schallschwingungen in herkömmlicher Weise auch elektrisch erzeugt werden, indem beispielsweise das Medium 19 als piezoelektrischer Kristall ausgebildet ist.The periodic, elastic volume changes of the primary crystal I attached to the substrate 12 are generated in the primary crystal I by an oscillating plate or membrane 13. This is clamped between the two mentioned plates. The vibratory plate 13 is through a transmitting medium 19 excited to mechanical vibrations. In special cases, the modulating sound vibrations can also be generated electrically in a conventional manner, for example by the medium 19 is designed as a piezoelectric crystal.

In F i g. 3 ist eine spezielle Ausführungsform für eine Vorrichtung angegeben, mit welcher die im Primärkrisiall I erzeugte Signalfrequenz )', eine Modulation erfährt. Auf einem schwingungsfähigen metallischen Substrat 31 ist der Kristall I in Gestalt einer Kristallschicht befestigt. Die Krisiallschicht ist hinreichend dünn, so daß die elastischen Deformationen des Substrats auf die Metallschicht übertragen werden können. Die primäre Laserfrequenz V₁ wird mit einem solchen Einfallswinkel auf die Kristallschicht I eingestrahlt, daß sie in dieser in Längsrichtung einen Weg mit mehrfachen inneren Reflexionen zurücklegt und erst nach einer bestimmten inneren Wegstrecke je nach der aufgeprägten Krüinmung den Kristall wieder verläßt. Die in den Wegstrecken zwischen Reflexionen der Frequenz V₁ entstehenden Streufrequenzen werden an dem Substrat vollständig reflektiert und verlassen den Kristall I in einem hierauf senkrecht stehenden Strahlenbündel. Die Stützen 32 und 33 justieren das Substrat und stellen Randbedingungen für seine Schwingungsformen dar. Durch den Stift 34 werden die mechanischen Schwingungen des Substrats angeregt bzw. auf dieses übertragen.In Fig. 3 shows a special embodiment for a device with which the signal frequency generated in the primary crisis I is modulated. The crystal I is fastened in the form of a crystal layer on a vibratory metallic substrate 31. The crystalline layer is sufficiently thin that the elastic deformations of the substrate can be transferred to the metal layer. The primary laser frequency V ₁ is radiated onto the crystal layer I at such an angle of incidence that it covers a path in the longitudinal direction with multiple internal reflections and only leaves the crystal again after a certain internal path depending on the impressed curvature. The stray frequencies arising in the paths between reflections of the frequency V ₁ are completely reflected on the substrate and leave the crystal I in a beam that is perpendicular to it. The supports 32 and 33 adjust the substrate and represent boundary conditions for its waveforms. The pin 34 excites or transmits the mechanical vibrations of the substrate.

In F i g. 4 ist eine Weiterentwicklung der Anordnung nach F i g. 3 dargestellt. Diese Weiterentwicklung besteht darin, daß der Kristall I, welcher auf dem Substrat 41 angebracht ist, auf seiner dem Substrat abgewandten Seite mit einer ebenfalls elastischenIn Fig. 4 is a further development of the arrangement according to FIG. 3 shown. This advancement is that the crystal I, which is mounted on the substrate 41, on its the substrate remote side with a likewise elastic

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Kristallschicht 42 bedeckt ist. Das aus diesen drei verschiedenen Medien bestehende schwingende System wird durch die Halterung 43, 44, 46 und 47 justiert. Im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 3 tritt die primäre Laserfrequenz V₁ in einer schmalen Stirnseite des Kristalls I in diesen ein und verläßt ihn nach einigen inneren Reflexionen je nach der aufgeprägten Krümmung auf der gegenüberliegenden Stirnseite. Auf den inneren Wegstrecken der Frequenz V₁ im Kristall I entsteht die Streufrequenz V₂. Diese wird am Substrat 41 totalreflektiert und verläßt den Körper 42, der für die Frequenz V₂ durchlässig ist, in senkrechter Richtung als Strahlenbündel. Crystal layer 42 is covered. The oscillating system consisting of these three different media is adjusted by means of the mounts 43, 44, 46 and 47. In contrast to the arrangement according to FIG. 3, the primary laser frequency V ₁ enters a narrow end face of the crystal I and leaves it after a few internal reflections depending on the impressed curvature on the opposite end face. The scattering frequency V ₂ arises on the inner paths of frequency V _{1 in crystal I.} This is totally reflected on the substrate 41 and leaves the body 42, which _{is transparent to the frequency V 2} , in the vertical direction as a beam.

Im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 3 kann in der Anordnung nach F i g. 4 der Primärkristall I wesentlich dicker sein.·-Die Deformation des Substrats überträgt sich ebenfalls auf den Primärkristall I und den abdeckenden Körper 42. Zur Schwingungsanregung ist wiederum beispielsweise ein Stift 45 vorgesehen, welcher das Substrat 41 zu Biegeschwingungen anregt.In contrast to the arrangement according to FIG. 3 can in the arrangement according to FIG. 4 the primary crystal I be much thicker. · The deformation of the substrate is also transferred to the primary crystal I and the covering body 42. A pin 45, for example, is again used to excite vibrations provided, which excites the substrate 41 to flexural vibrations.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, in dem gleiche Bauteile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.In Fig. 5 another embodiment of the invention is shown schematically, in the same Components as in Fig. 1 are provided with the same reference numerals.

Über den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargelegten Sachverhalt hinausgehend, wird in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 neben der optischen Kopplung zwischen den korrespondierenden Kristallen II und III zusätzlich eine optische Rückkopplung vorgenommen. Wie bereits oben erläutert, wird die optische Kopplung dadurch ermöglicht, daß die Kristalle II und III durch die gleiche Eigenfrequenz V₃₄ der Gitteroszillatoren ausgezeichnet sind und daß durch die im Kristall II erzeugte Kopplungsfrequenz v₃ in dem angeregten Kristall III die als Signalfrequenz vorgesehene Frequenz v₂ reproduziert und durch die Anregungsenergie dieses Kristalls verstärkt wird.Going beyond the facts set out in the exemplary embodiment according to FIG. 1, in the exemplary embodiment according to FIG. 5, in addition to the optical coupling between the corresponding crystals II and III, an optical feedback is also carried out. As already explained above, the optical coupling is made possible by the fact that the crystals II and III are distinguished by the same natural frequency V _{34 of} the lattice oscillators and that the frequency v provided as the signal frequency in the excited crystal III by the coupling frequency v _{3 generated in the crystal II} _{2 is} reproduced and amplified by the excitation energy of this crystal.

Darüber hinaus beruht die optische Rückkopplung auf einer optischen Rückführung der im Kristallin erzeugten Signal- bzw. Signalträgerfrequenz v_% in den induzierenden nichtangeregten korrespondierenden Kristall II. Dort wird die rückgekoppelte verstärkte Strahlung v_o nach einer einstellbaren Phasenverschiebung in dem optischen Phasenschieber 54 und nach einer regulierbaren Einstellung der Polarisationsebene in dem nach Faraday wirkenden Medium 56 in einen optischen Resonator 51, 53 mit der Ausgangsstrahlung der Frequenz v_o im nichtangeregten Kristall II vereinigt. Auf diese Weise wird die aus der Anregungsenergie der Gitteroszillatoren im Kristall III auf die Signalfrequenz v₂ übertragene verstärkende Energie auf die Eingangsenergie des Kristalls II rückgekoppelt, was zur Folge hat, daß nunmehr die induzierende Strahlung mit der Frequenz v_s der optisch korrespondierenden Kristalle II und III eine erhöhte Stimulationswirkung auf das im Kristall III enthaltene quantenmechanische Energiereservoir ausübt. Man kann somit sagen, daß die zunächst vorgesehene optische Kopplung zwischen den Kristallen II und III durch die zusätzliche optische Rückkopplung erhöht wird. Es sei hierzu bemerkt, daß dieser hier dargelegte Sachverhalt in herkömmlichen Beispielen der Nachrichtentechnik nicht in analoger Weise vorgebildet ist, da im vorliegenden Fall der beschriebene optische Gesamtmechanismus zwischen den Kristallen II und III durch eine selbsttätig mit der Verstärkung eintretende Erhöhung der optischen Kopplungsparameter zustande kommt. Es sei auch hier nochmals bemerkt, daß es sich bei den vorkommenden optischen Frequenzen um Laserfrequenzen handelt, welche jedoch von den Eigenfrequenzen der verwendeten Kristalle unabhängig sind. Außerdem bleiben sowohl bei der Erzeugung der einzelnen Frequenzen in der Anordnung gemäß der Erfindung als auch bei der optischen Kopplung und der optischen Rückkopplung innerhalb der korrespondierenden Kristalle II und III feste Phasenverhältnisse der einzelnen Teilstrahlen erhalten. Dieser Sachverhalt ist deshalb besonders bemerkenswert, weil er nur bei Strahlungen mit Laserintensitäten auftritt.In addition, the optical feedback on an optical feedback of the signal or signal carrier frequency generated in the crystalline depends _v% in the inducing unexcited corresponding crystal II. There, the feedback amplified radiation v _o after an adjustable phase shift in the optical phase shifter 54 and to a controllable Adjustment of the polarization plane in the medium 56 acting according to Faraday in an optical resonator 51, 53 combined with the output radiation of the frequency v _o in the non-excited crystal II. In this way, the amplifying energy transferred from the excitation energy of the lattice oscillators in crystal III to the signal frequency v _{2 is} fed back to the input energy of crystal II, with the result that now the inducing radiation with the frequency v _{s of} the optically corresponding crystals II and III exerts an increased stimulation effect on the quantum mechanical energy reservoir contained in the crystal III. It can thus be said that the initially provided optical coupling between crystals II and III is increased by the additional optical feedback. It should be noted that this fact set out here is not represented in an analogous manner in conventional examples of communications technology, since in the present case the overall optical mechanism described between crystals II and III comes about through an increase in the optical coupling parameters that occurs automatically with the amplification. It should also be noted here again that the optical frequencies that occur are laser frequencies which, however, are independent of the natural frequencies of the crystals used. In addition, both when generating the individual frequencies in the arrangement according to the invention and in the case of the optical coupling and the optical feedback within the corresponding crystals II and III, fixed phase relationships of the individual partial beams are retained. This fact is particularly noteworthy because it only occurs with radiation with laser intensities.

Ein zu dem Resonator 51, 53 korrespondierender Resonator 16, 58 mit gleichen Moden schließt den Kristall III ein. Aus dem halbdurchlässigen Spiegel 16 kann das verstärkte Signal der Trägerfrequenz v₂ austreten. In einer anderen Art der Auskopplung kann die in den Resonator 51,53 rückgekoppelte und mit der Ausgangsstrahlung der Signalfrequenz v.₂ phasengerecht und mit gleichsinnig wirkenden Polarisationsverhältnissen vereinigte Gesamtstrahlung der verstärkten Signalfrequenz v.₂ ebenso durch einen in geeigneter Weise im Resonator 51, 53 angeordneten halbdurchlässigen Spiegel ausgekoppelt werden.A resonator 16, 58 corresponding to the resonator 51, 53 and having the same modes encloses the crystal III. The amplified signal of the carrier frequency v ₂ can emerge from the semitransparent mirror 16. In another type of coupling, the feedback that is fed back into the resonator 51, 53 and with the output radiation of the signal frequency v. ₂ total radiation of the amplified signal frequency v combined with the correct phase and with polarization ratios acting in the same direction. _{2 can} also be coupled out by a semitransparent mirror arranged in a suitable manner in the resonator 51, 53.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß bei zunächst unmodulierter aus dem Kristall I in den Kristall II eingestrahlter Signalfrequenz v_t eine induzierte Strahlung mit der Frequenz ι·₃ erzeugt wird, welche im Kristall III die Signalfrequenz v„ reproduziert. Die reproduzierte Frequenz v₂ wird aus der Anregungsenergie der Gitteroszillatoren mit der Eigenfrequenz r₃₄ verstärkt. Diese Verstärkung hängt jedoch sowohl von der Anregungsenergie des Kristalls III als auch von der Intensität der stimulierenden Frequenz v₃ ab. Der bisher dargelegte physikalische Sachverhalt stellt die optische Kopplung des korrespondierenden Systems dar. Im nachrichtentechnischen Sinn handelt es sich bei diesem Sachverhalt — welcher für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 gilt — um eine einzige Stufe eines beispielsweise mehrstufigen Verstärkers.In summary, it can be said that with initially unmodulated signal frequency v _t radiated from crystal I into crystal II, induced radiation with frequency ι · _{3 is} generated, which in crystal III reproduces signal frequency v ". The reproduced frequency v ₂ is amplified from the excitation energy of the grid oscillators with the natural frequency r _34. However, this amplification depends both on the excitation energy of the crystal III and on the intensity of the stimulating frequency v ₃ . The physical facts presented so far represent the optical coupling of the corresponding system. In the telecommunications sense, these facts - which for the exemplary embodiment according to FIG. 1 applies - to a single stage of a multi-stage amplifier, for example.

Der wesentliche Teil einer derartigen Verstärkerstufe (Fig. 1 ist also in den optisch gekoppelten korrespondierenden Kristallen II und III mit gleicher Eigenfrequenz v._iä der Gitteroszillatoren zu sehen. Der Kristall I stellt dabei eine für die hochfrequente Nachrichtenübermittlung immer notwendige Modulationseinrichtung für die Aufprägung einer im allgemeinen niederfrequent vorliegenden Information auf den hochfrequenten Träger dar.The essential part of such an amplifier stage (Fig. 1 can therefore be seen in the optically coupled corresponding crystals II and III with the same natural frequency v. _{Iä of} the grid oscillators general low-frequency information on the high-frequency carrier.

Die Ausführungsform nach F i g. 5 hat infolge der optischen Rückkopplung der Signal- bzw. Signalträgerfrequenz r₂ den Charakter einer Leistungsverstärkerstufe im herkömmlichen nachrichtentechnischen Sinn; denn durch die Rückführung der im Kristall III reproduzierten und verstärkten Signalbzw. Signalträgerfrequenz v., wird im Kristall II eine induzierende Strahlung der Frequenz v₃ von höherer Intensität erzeugt, welche nunmehr die Energieentnahme aus den angeregten Gitteroszillatoren des Kristalls III ebenfalls erhöht und damit eine Intensitätserhöhung der Signalstrahlung mit der Frequenz j·., bewirkt.The embodiment according to FIG. As a result of the optical feedback of the signal or signal carrier frequency r _2, 5 has the character of a power amplifier stage in the conventional communications engineering sense; because by returning the signal or signal reproduced and amplified in crystal III. Signal carrier frequency v., An inducing radiation of frequency v ₃ of higher intensity is generated in crystal II, which now also increases the energy extraction from the excited grid oscillators of crystal III and thus increases the intensity of the signal radiation with frequency j.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach F i g. 1In contrast to the embodiment according to FIG. 1

wird bei der Ausführungsform nach F i g. 5 durch die optische Rückkopplung eine zusätzliche Anhebung der Intensität der Signal- bzw. Signalträgerfrequenz erzielt.is in the embodiment according to FIG. 5 an additional increase due to the optical feedback the intensity of the signal or signal carrier frequency achieved.

Ersichtlich prägen sich die durch die Modulation der ursprünglichen Signal- bzw. Signalträgerfrequenz v, aufgeprägten Änderungen entsprechend auf die stimulierende Strahlung mit der Frequenz v_s auf, so daß die reproduzierte und verstärkte Signalstrahlung v₂ diese Modulation wieder enthält.Seen, the v by modulating the original signal or signal carrier frequency, imposed changes shape corresponding to the stimulating radiation at frequency v at _s, so that the reproduced and amplified signal radiation v contains ₂ again this modulation.

Eine Ankopplung der als Vorstufe zu betrachtenden Anordnung nach F i g. 1 an die als Endstufe zu betrachtende Anordnung nach F i g. 5 kann beispiels-A coupling of the arrangement to be considered as a preliminary stage according to FIG. 1 to the as an output stage too viewing arrangement according to FIG. 5 can for example

weise derart erfolgen, daß die aus dem Kristall III nach Fig. 1 austretende verstärkte Signalstrahlung direkt über den halbdurchlässigen Spiegel 51 in den Kristall II nach F i g. 5 eingestrahlt wird.wisely take place in such a way that the amplified signal radiation emerging from the crystal III according to FIG. 1 directly via the semitransparent mirror 51 into the crystal II according to FIG. 5 is irradiated.

Um den Vergleich mit der konventionellen Verstärkertechnik abzuschließen, sei noch bemerkt, daß die z. B. aus einer (nicht dargestellten) äußeren Quelle stammende anregende Strahlung ^₃₄ für die Gitteroszillatoren des Kristalls III als die entsprechendeTo complete the comparison with the conventional amplifier technology, it should be noted that the z. B. coming from an external source (not shown) stimulating radiation ^ ₃₄ for the lattice oscillators of crystal III as the corresponding

ίο Speisegröße betrachtet werden kann. Diese Energiequelle liefert analog wie eine Gleichvorspannungsquelle die Energie, welche für den Verstärker- bzw. Oszillatorprozeß aufzuwenden ist.ίο food size can be viewed. This source of energy supplies the energy required for the amplifier resp. Is to spend oscillator process.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optical crystal arrangement for frequency conversion, amplification and / or modulation of optical] signals taking advantage of the perpendicular scattered radiation from natural oscillations of the lattice oscillators of non-linear crystals, caused by optical frequencies of high intensity, in particular of Laserfrequert-io zen, characterized in that a primary crystal ( 1) Use is found which generates a second optical frequency (v _o ) serving as a signal or as a signal carrier from an optical primary frequency (^ ₁ ) radiated into it by scattering at a non-additionally excited natural frequency (r ₁₂ ) of the grid oscillators, that at least two further optically coupled crystals (II, III) with the same natural frequency (v _3i ) of the lattice oscillators, but different from that of crystal (I), the natural frequency (vj ₄ ) of the lattice oscillators of the first (II) of the optically coupled Crystals not excited and those of the second (I. II) of the optically coupled crystals is excited that the primary crystal (I) and the first crystal (II) of the optically coupled crystals _{interact via the optical frequency (r 2} ) serving as a signal or signal carrier and that the second crystal ( III) the optically coupled crystals with excited natural oscillation (v ₃₄ ) of the grid oscillators serves as an output for the newly generated or amplified signal (r ₂ ) (Fig. 1).

2. Crystal arrangement according to claim 1, characterized in that the optically coupled crystals (II, III) _{are fed back via the signal or signal carrier frequency (v o} ) (F i g. 5).

3. crystal arrangement according to claim 2, characterized in that the first crystal (II) the optically coupled crystals (II, III) in an optical resonator (51, 53) for the signals or Signal carrier frequency (> -.,) Is arranged.

4. crystal arrangement according to one of claims 2 and 3, characterized in that both the original irradiated into the crystal (Π) of the optically coupled crystals (H, III) Signal or signal carrier frequency (»-.,) As well as the fed back signal or signal carrier frequency (j'o) in the optical resonator (51, 53) of the first crystal (II) of the optically coupled crystals with the same mode, phase and Polarization ratios to resonance comes.

5. crystal arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that in the feedback path between the optically coupled crystals (II, III) is an optical one Phase shifter (54) is arranged with a controllable optical path length.

6. crystal arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that a device (56) for rotating the plane of polarization in the optical feedback path is arranged between the optically coupled crystals (II, HI).

7. Crystal arrangement according to one of claims 2 to 6, characterized in that in the optical resonator (51, 53) of the first (II) of the optically coupled crystals (II, IH) for the signal or signal carrier frequency (v ₂ ) a half -, transmissive mirror (51) is arranged in such a way that the signal or signal carrier frequency can be decoupled from the resonator.

8. crystal arrangement according to one of claims 1 to "7, characterized by a mechanical Device (19) on the primary crystal (I) for changing, especially periodic Change of the controlling natural frequency of the grid oscillators of this crystal by a corresponding change in volume.

9. crystal arrangement according to claim 8, characterized in that the primary crystal (I) fastened and clamped on two opposite surfaces between two plates (12, 13) is, one of which serves as a stationary support (12) and the other (13) to carry out vibrations is able (Fig. 1).

10. crystal arrangement according to claim 9, characterized in that the vibrations executing plate (13) on the primary crystal (I) is part of a mechanically oscillating system.

11. crystal arrangement according to claim 10, characterized characterized in that the vibrations executing plate (13) on the primary crystal (I) with an electrically excited piezoelectric crystal (19) is connected.

12. Crystal arrangement according to claim 8, characterized in that the primary crystal (I) as a thin layer on an elastic substrate that carries out mechanical vibrations (31, 41) is applied (Figs. 3 and 4).

13. Crystal arrangement according to claim 12, characterized in that the optical frequency (j »j) which is radiated into the thin layer of the primary crystal (I) penetrates the layer in the longitudinal direction with multiple reflection and the natural frequency (v ₂ ) controlled by the natural vibrations The signal or signal carrier frequency () \,) generated by scattering of the grid oscillators emerges perpendicular to the oscillating plate (FIG. 3).

14. Crystal arrangement according to claim 12, characterized in that the vibratable Substrate (31, 41) held at its end (32, 33; 43, 44) and in its central area can be mechanically excited by a vibrating pin (34, 45).

15. Crystal arrangement according to claims 12 to 14, characterized in that the primary crystal (I) formed as a thin layer has its side facing away from the substrate (41) with a for the signal or signal carrier frequency (j \>) transparent and for the irradiated frequency (ι ·.,) totally reflective layer (42) covered is.

16. Crystal arrangement according to claims 12 to 15, characterized in that the radiated frequency (> -,) in the as a thin layer formed primary crystal (I) penetrates in the longitudinal direction through an end face and this as a result of total internal reflection on the substrate and on the for the angle of incidence of this frequency () ·,) Leaves totally reflective layer (42) in its longitudinal direction again (FIG. 4).

17. Crystal arrangement according to Artsprüche 1 to 16, characterized in that the optical

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3 43 4

Coupling of the optically corresponding crystal is not excited and that of the second of the stalls (II, III) _{is excited with the same natural frequency (v 34} ) of the optically coupled crystals that the grid oscillator has a scattering of the primary crystal and the first of the cptically coupled signal - or the crisis (v ₃₎ 5 serving optical frequency in interaction stalls (II) generated optical frequency of the crystals on the non-excited as a signal or as a signal carrier natural frequency (^ ₃₄₎ ■ are signal carrier frequency ₍₂ ^) in such a way and that the second of the optically coupled is provided that by scattering the opti- crystals with excited natural oscillation of its see frequency (v ₃ ) on the excited natural lattice oscillators as an output for the newly generated frequency (v _si ) of the crystal (III) the signal or or amplified signal is used. The essential Ge signal _{carrier frequency (^ 2} ) and through the quantum point of view consists in a special optical excitation of the natural frequency (v _3i ) see amplified coupling of any laser frequencies generated by scattering at lattice oscillators.

18. Crystal arrangement according to claims 1 This coupling takes place in two ways, up to 17, characterized in that the fundamentally a scattered laser beam arbitrarily setting the natural frequency (v _u ) of the crystal (III) 15 ger frequency in a system of two corresponding an external radiation, for example a generating crystal, between which a laser radiation is generated with an optical coupling of the natural frequency (v _si ). This comes the same frequency is made. by coming about that an optical interaction

19. Crystal arrangement according to one of the equal natural oscillations of the preferred Proverbs 1 to 18, characterized in that 20 grid oscillators in the corresponding Kridie exciting frequency (^ ₃₄ ) takes place from a spectrum stable system. The crystals of this system with a mean frequency (v ₄ ) as residual rays differ in that in the former the natural vibrations of the lattice oscillator (17, 18) with the same properties as the gates, which concern the development after multiple reflections on crystals, are not excited, while in the second crystal (III) is generated. 25 crystal the corresponding natural frequency

20. Use a crystal arrangement after is excited. In this way it becomes possible to claim the before 1 as a preliminary stage of a multi-stage drawn laser frequency, which is initially used in the non-optical amplifier of any frequency. excited crystal enters and there through a scattering

21. Using a crystal arrangement according to the frequency, the excited crystal is optically induced, Claim 1 and 2 as a final stage of a more- 30 in the excited crystal a radiation same stage amplifier with a pre-stage to reproduce frequency, which however now Claim 20 receives an additional supply of energy through the quantum excitation of the grid oscillators and thus from the energy reserve of the excited lattice oscillator

35 goals is reinforced. This reproduced in this way quantum electronically Any amplified signal frequency can then be used as information or as an information carrier continue to be used. Of fundamental

The present invention relates to a meaning here that relates to the array optical Crystal arrangement for frequency conversion, 40 optical taking place according to the invention Amplification and / or modulation of signals interaction is suitable for any laser frequencies taking advantage of the vertical scattered radiation and thus not to solid by nature elektroaus Natural vibrations of the lattice oscillators from nischer crystal systems given conditions nonlinear crystals, raised by optical bound.

Frequencies of high intensity, in particular of laser 45. According to a development of the invention are frequencies. the optically coupled, corresponding crystals

It has already been proposed to calibrate the physical back via the signal or signal carrier frequency Raman scattering effect for amplifier, coupled. In this way, the oscillator and modulation purposes in the optical excited crystal reproduced and amplified frequency Exploiting frequency range. 5 ° into the non-excited, inducing crystal

Here it is possible to reflect back from a given and there with the same frequency of the Laser radiation to generate new frequencies and originate in a resonator united so that the to use them as information carriers. The pre-amplified branch of the frequency now partially The present invention itself makes a contribution to the inducing component of this in several aspects over the already proposed possibilities 55 delivers frequency. This removes the optical head. ment of the corresponding crystals increases and

According to the invention it is provided that a thus the energy extraction from the excited Primary crystal is used, which consists of a grid oscillator of the second corresponding The optical frequency radiated into it is increased by crystals. The essence of this physical Scatter on a selected non-additional issue consists in one due to feedback excited natural frequency of its lattice oscillators increased optical induction by the a second corresponding crystal, which serves as a signal or as a signal carrier, is produced optical frequency that generates at least two quantum amplification from the energy reservoir of the further optically coupled crystals with mutually excited lattice oscillators.

other identical, but different from that of the primary crystal 65. The process of optical feedback from Different natural frequencies of their grid oscillators are provided for the amplifying on the inducing korres are, whereby the natural frequency of the lattice-ponding crystal is still determined by oscillators of the first of the optically coupled that the amplified, fed back frequency and the