DE1564209A1 - Anordnung zur Einstellung der Wellenlaengen der Emission eines optischen Senders und Verstaerkers - Google Patents

Description

IBM 7H;O.iSchland Internationale Büro-Maschinen Cesellsdiafl mbH

Böblingen den 22. Juli 1969 p.r-sp

Amtliches Aktenzeichen: P 15 64 209. 8

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 7850; GE 34/64

Anordnung zur Einstellung der Wellenlängen der Emission eines optischen Senders und Verstärkers.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einstellung der Wellenlänge der Emission eines optischen Senders, und Verstärkers.

Bekannte gasgefüllte optische Sender und Verstärker schwingen in mehreren voneinander verschiedenen räumlichen Richtungen und in verschiedenen Frequenzen oder Farben. Jede Frequenz oder Wellenlänge wird als Linie der Emission des optischen Senders und Verstärkers bezeichnet. Diese bekannten optischen Sender und Verstärker haben bei-

O spielsweise eine Gasfüllung , bestehend aus Argon oder aus einer Mi-CO

schung aus Helium und Neon. Wird durch Anregung eine negative Tem-

^- peratur oder eine Inversion der Besetzung der Energieniveaus bewirkt, _* so setzt die Emission des Senders ein. Das die negative Temperatur aufweisende Medium ist zwiechen zwei reflektirenden Flächen oder Spiegeln angeordnet, von denen der eine als Ausgabespiegel bezeichnet Spiegel für

Docket 7850; GE 34/64 Neue Unterlagen (au / .;i ai·.·.. > ,.-,-. ι s.-.tz.^dasÄf>fi«rune^e

BAD ORSGiNAL

die angeregte optisch© Strahlung teildurchllisaig let. Die Strahlung wird durch das Medium hin und her reflektiert, das dabei Energie an den üi^ahl al^iut, so äa'J dieser laufend verwirkt wird, übersteigt die an den Strahl durch stimulierte Emission abgegebene Energie die Verluste des optischen Resonators, so setzt die TUtigkeit doe optischen Senders und Verstärkers ein. In manchen Fällen ist es erwünscht, den optischen Sender und Verstärker so zu steuern, daß ein© bestimmte Farbe oder Frequenz an seinem Ausgang zur Verfügung steht. Die Intensität der einzelnen Farben oder Linien des Senders 1st abhängig von der Güte des optischen Resonators für die betreffenden Wellenlängen. Der bei einer Senderlinie auftretende Energiegewinn ist abhängig vom Umfang der Inversion der Besetzungen der Energieniveaus der Elektronen, die die Emission der betreffenden Senderlinie bewirken und von der optischen Güte Q des optischen Resonators für dlose Linie. Die Abstimmung oder Frequenzeinstellung des Senders kann daher durch Steuerung der Besetzungsumkehr oder durch Steuerung der optischen Güte Q für Jede einzelne Senderlinie erfolgen. Bei bekannten optischen Sendern und Verstärkern wurde ein drehbares Prisma in dem Resonator angebracht, mit dem bewirkt werden konnte, daß alle Linien Bit Ausnahme der gewünschten aus atm Bereich des Resonators abgelenkt wurden, so dafl die Strahlung nur ira Bereich der Wellenlänge der ausgewählten Linie verstärkt werden konnte. Eine derartige Anordnung 1st aber für viele Anwendungsgebiete zu langsam, da zur Änderung der Sendofrequenz das Prisma gedreht werden mud.

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Um diese Nachteile au vermeiden» wird gemäß der Erfindung eine Aiiordnuag «ur '-Einstellung der ΛΥ ellenlange der Emisßioa eines optischen Senders und Verstärkers angegeben« die dadurch gekennseicluiöt ist, diui in einem optischen Resonator mit vom Zustand der Polarisation abhängigen Verlusten Elemente ear wellenlangenabhitngigen Veränderung des Polarisatione zustand« a und steuerbare Elemente aur im wesentlichen Wellenlängen« unabhängigen steuerbaren Veränderung des Polari sation« »uotande β angeordnet sind« durch deren Zusammenwirken die Strahlung einer oder mehrerer Spektrallinien durch gegenseitige Aufhebung der Vfirkung beider Elemente steuerbar in den Polarisationoxustand geringster Verluste und damit sum Senden gebracht werden kann.

Als besonders vorteilhaft hat eich eine Anordnung erwiesen, die .gekenn· Kelchnot lot durch eine syrischen »wei Spiegeln angeordnete Senderöhre mit «wei die Strahlung in Abhängigkeit von der Lage ihrer Polarisationsebene durchlassende Breweter'eche Fenstern und einer der Einstellung der Sendefrequenz dlenandeu Einheit» die auf einem die Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlen drehenden Kristall» einer ""T-Platte und einem elektrooptischen» die Polar!sationoebene unabhängig von der Wellenlänge steuerbar drehenden Kristall besteht.

Gemitä einer anderen Ausftihrnngeform des Erfindungegedankens wird eine Anordnung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch ein· awiochen swel Spiegeln angeordnete Senderöhre mit aswei die Strahlung durchlassenden ßrevrster'echen Fenttern, einen die Fahrlage der durchgehenden Strahlung

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ia Abhängigkeit voa ihrer Wellenlänge verschiebenden KrItUUl und einen die Phasenlage der durchtretenden Strahlung unabhängig von ihrer Wellenlänge

•teuerb*r rerβchiebeaden elektrooptischen Kristall 48.

Eine besonders vorteilhaft· Weiterbildung des Kriloduagsgedankens ist gekennzeichnet durch eine xwischsa swei Spiegeln angeordnete» swel Brewster'eche Fenster aufweisend· S«nderOhr·« awei di· Phasenlage der durchtretenden Strahlung ia Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge verschiebende Kristalle «ad swei di· Phasenlage unshhlagig von de» Wellenlänge steuerbar verschiebende elektrooptisch· Kristall· swr gleichseitigen Einstellung svreler su sea· Sirader Spektral liege».

Dabei hat ·· sich als besonders vorteilhaft erwieeen, dafl im Strahlengang des öendevorreuraes ei» do«p«lbr«chender Kristall aag«ordaet ist« der bei Abweichungen des Polarisationssusta&des des Jen Hehlraum dnrchsetseiiden Strahls vom Soll*Zustand» di« voa diesem 8oU*Zustani abwelchendea Strah* Is* bsw. voa di«sem Soll-Zustand abweieh«ai«a Komfoaeatea dieser StrahUa dem Hohlraum ableitet.

CtaaäA einer besonders vorteilhaften Auebilduagsiorm des Erflndungsgedankeas werden die optische Fläch· der einselnea Element« sur V«rminderumg voa Reflexionsrerlttstea mit einer Antireitadoaeechicht obersogea. JCs ist aber auch möglich, die Elemente der Anordnung swecks Verminderung voa Reflexion*Verlusten ia einer Flüssigkeit mit angebrachtem Brechungsindex «ntersubringen« Docket 7850 GE 34/64 10988A/141A BAD

Anschließend wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. Fig. 1: die schematise!«? Darstellung eines bekannten optischen Sen

ders und Verstärkers,

Fig. Zx die schematiche Darstellung eines bevorzugten Ausführunge-

beiepiela des Erfindungeged&nkene,

Fig. 3: eine schematieche Darstellung, aus der hervorgeht, wie das

linear polarisierte Licht mit Hilfe einet optisch aktiven Quarzkristall« eine Dispersion erfährt.

Fig. 4t eine Daretellung atv Abhängigkeit der Dispersion in Winkel

graden Je mm Quarz von der Wellenläng· des Lichtes in Angstrom,

Fig. S: eine Darstellung aet Winkeldispersion linear polarisierter

. Linien eines ein Helium-Neoa-Gemisch enthaltenden Senders und Verstärkers nach dem Durchtritt durch etwa 50 mm optisch aktivem Ouarss,

Fig. 6: die schematische Darstellung einer anderen bevor äugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens, Docket 7850 GE 34/64 1Q 9884/1414 -* —— * BAD ORIGINAL Flg. 7: oitt« sehcia^tlscho D&rcteiluiag tier elüpüscUea Polari*a-

tionssuet&ule der &U3gewlhlten Senderlinien und der elliptisch polarisierten nicht ausgewählten Linien, die

/ i

In dem Ausführung sbei spiel nach Fig· 6 entstehen,

rig, 8: dl« schematieche Darstellung einer gegenüber d^r Fig.

6 geänderten AusfChrungsiorm de· £rttnduagsgedankeas mit der gleichseitig xwel Seadefrequenaen ausgewählt werde» keimen.

Flg. 1 selgt ein· bekannte Anordnung »or mechanischen Abstimmung eines optischen Senders und Verstärkers* D*x optische Kesenator IO u9b Senders enthalt eine Senderehre H₉ die mit einem Medium mit Inverser Besetsungsdlehte der £»erjjeniv«au* gefüllt Ut* Die Rühre U wird beiderseits durch die sogenannten Srewster'schea Fender 12 und Π abgeschlossen« Aa der linken Seite der Anordnung ist ein Spiegel 14 und an der rechten Seit« ein Spiegel 13 angeordnet« Ein drehbares Prisma 16 befindet sich «wischen dem Spiegel 15 und der rechten Seite der Röhre 11. Der Weg der mittels des Senders 11 «rseugten stimulierten Lichtstrahlung wird durch dl· gestrichelt· Linie 17 dargestellt·

Die Winkeldisptrstan Im Prisma 16 hängt ab von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes und von dessen Einfallwinkel. Im normalen Betrieb

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werden mehrere Linien des Spektrums durch da« Brewetar'sehö Fenster 13 klndurckiroten, das Prisma 16 kann aber mechanisch so gedreht werden« daß nur eine einzige Linie im Prisma co gebrochen wird, daß eie im optischen Resonator IQ verbleibt· Daher wird nur diese ausgewählte Linie durch das Medium mit iaverser Dichtaverteilung in der Röhre hin und hör reflektiert vmrden, go daß nur die ausgewählte Frequens gesendet wird. Es oei noch onv&mt« daß der Spiegel 13 teildusrshlttssig lot« co dad die Strahlen aus dem Rosonetorr&uaa austreten können»

Fig. Z »eigt ein bavorsugtes Ausführungsboicpiel des Brfindungegedanken'e. Im optischem Resonator 20 ist eine Senderöhre 21 angeordnet« die ein Medium mit umgekehrter Verteüuagsdichte* beispielsweise el»» enge· regte Mischung aus Helium und Neon enthalt»

Die Brewster'fschen Fenster 22 und 23 bilden die seitlichen Begrenzungen der Senderchre 21» Jedes Fenster ist unter ihrem Drewster'echen Winkel gegen die optisch« Achse 24 des Resonators £0 geneigt. Ein hochreHektierender dielektrischer Hohlr^egel Z5 ist in Nachbarschaft des Fensters ZZ angeordnet» wahrend ein *ntsprocls&nder Spiegel 26 an der Seite des Fensters 23 liegt. Det Spiegel 26 ist undurchlässig, so. daß die Strahlung aus dem Resonator durch ihn austreten kann» Im

o^piechon Wog iswischen dem Breäter'echen Fenster 23 und dem Spiegel 26 ist ein HcMraum 27 nur ISiuetellung der Fr^quaas verge sehen« der

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au· einem optisch aktiven Kristall 28, beispielsweise Quarz, au· einem elektrooptischen Kristall 29» beispielsweise Hexamethylentetraamin, und au· einer Viertelwellenplatte 30 besteht.

' Eine veränderbare deich spannung s quelle 31 ist mit den Elektroden und 33 verbunden und dient »ur Steuerung des transversalen elektrooptischen Effekts des Kristalls.

Der Hohlraum 27 eut Einstellung der Frequenz wird seitlich durch die Brewster'schen Fenster 34 und 35 abgeschlossen und ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex so abgestimmt ist, daß ein Minimum an Verlusten innerhalb des Hohlraumes 2? auftritt. Die unter den Brewster'schen Winkel angeordneten Fenster dienen auch zur Herabsetcung der an den Außenseiten des Hohlraumes gegen Luft auftretenden Reflexionsverluste (diese Verluste betragen 0,1 % oder weniger). Die Breweter'schen Fenster dienen auch als Polarieatoren, um den Senderstrahl parallel «um Einfallwinkel auf der Fensterebene zu polarisieren.

Daher kann nur Strahlung mit einer bestimmten Polarieationsrichtung ohne Verluste hindurchtreten, wahrend Strählung mit anderen Richtungen'der Polarisationsebene je nach der Abweichung von der vorgegebenen Richtung mehr oder weniger große Verluste erfährt.

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Ί0988Α/Η14

Vor der Beschreibung der Funktion des Hohlräume« 27 zur ginstolluag der Frequenz wird kurz auf die Funktion und den optischen Weg innerhalb des optischen Resonators 20 eingegangen. Ausgehend von irgendeinem Punkt innerhalb des eine inverse Besetzung aufweisenden Mediums in der Röhre 21, erfährt ein Strahl Z Reflexionen, bevor er durch diesen Punkt wieder mit der gleichen Richtung hindurchtritt. Das Medium mit der invereen Besetzung wirkt als Verstärker, während alle -anderen Elemente dee Hohlraums Verluste verursachen. Übersteigt die Verstärkung die Verluste, so wird das beschriebene System senden.

Ks werden zunächst die Verluste im eur Frequenseinstellung dienenden Hohlraum 27 beschrieben. Der Hohlraum lot mit einer Flüssigkeit ssur Anpassung des Brechungsindex gefüllt um die Reflexionsverluste innerhalb des Hohlraumes auf ein Minimum zu beschränken. Zur Bestimmung der Verluste im Hohlraum müssen die Reflexionen an den Trennflächen des Materials des Hohlraums berücksichtigt werden. Der Quarzkristall 28 hat für eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 6.000 Angström einen Brechungsindex von 1,54, der elektrooptisch« Kristall 29 bei der gleichen Wellenlänge einen Brechungsindex von. 1, 58 und es sei angenommen, daß die Flüssigkeit zur Brechungsindexanpassung einen Brechungsindex von 1,56 aufweist. Be kann durch Rechnung leicht gezeigt werden, daß die Reflexionsverluste an jeder Trennfläche zwischen Flüssigkeit und Kristall etwa 4,1 mal 10" % betragen. Die innerhalb des Hohlraums

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2? auftretenden Gesamtverluste sind dann gleich dem Produkt aus den Verlusten je Grenzfläche und der Gesamt&nzahl der von der Strahlung durchsetzten Grenzfläche innerhalb des Hohlraums. In diesem Aueführungebeispiel liegen 16 Grenzflächen vor, so daß die Gesamtverluete auf einen Wert von 6,56 mal 10 " % berechnet werden können.

Die unter dent Breweter'echen ViTinkel angeordneten Fenster verringern nicht nur die Xieflexioneverluste sondern polarisieren den Sender strahl auch parallel eur Sinfallebene. Daher wird licht* das in der richtigen Polarisationsebene polarisiert ist, den Hohlraum 27 eur Einstellung der Frequenz durch das Brewater'eche Fenster 35 verlassen, an dem hochreflektierenden dielektrischen Spiegel 26 reflektiert werden, und in den Hohlraum mit einem Minimum an Verlusten wieder eintreten.

Die Einstellung einer bestimmten Frequenz wird gemäß dem Erfindung«- gedanken durch Einführung von frequenzabhängigen Verlusten innerhalb des Senderhohlraume mit Hilfe von elektrooptischen Elementen durchgeführt. Sind diese eusätzlich eingeführten Verluste für eine bestimmte Frequenz gleich oder größer als die Verstärkung innerhalb des eine inverse Besetzung aufweisenden Mediums, so wird im Bereich dieser Frequen* kein Senden eintreten. Diese Verluste entstehen im wesentlichen durch die unterschiedliche Winkelablenkung der Polarisationsebene der eineeinen Spektrallinien des Senderstrahls innerhalb des Quarzkristall» 28 in Zusammenwirken mit der aus dem elektrooptischen Kristall 29

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und der Viertelwellenplatte 30 bestehenden elektrooptischen Anordnung 36'zur Drehung der Polarisationsebene. Die Anordnung 36 kann elektrisch so gesteuert werden« daß nur eine beetimmte ausgewählte Spektrallinie in eine Polarisationsrichtung gedreht wird, unter der sie ohne Verluste durch das Brewster'sehe Fenster 35 treten kann. Die Funktion der Anordnung 36 1st in der USA-Anmeldung Nr* 285 833 beschrieben«

In den Fig. 3 «ad 4 wird das Entstehen von frequenzabhängigen Verlusten durch Winkeldispersion im Kristall 28 schematicch erläutert. Es sei angenommen, daü linear polarisiertes Licht senkrecht auf die Quarzplatte auffällt, wobei dl« Polarisationsrichtung durch AA bezeichnet wird. Nach dem Durchtritt durch einen Kristall von einer Dicke von 1 mm. wird die violette Komponente des Lichtes (V) um etwa 50 und die rote Komponente (R) um etwa 15 gedreht sein. Die den anderen Farben entsprechenden Komponenten der Strahlung sind um zwischen diesen beiden Werten liegende Winkelbeträge gedreht. Diese bei einer Dicke von 1 mm auftretende Winkeldispersion wird im folgenden als "spezifische Drehung" bezeichnet. Zur Erläuterung der Funktion der frequenzbestimmenden Einheit 27 dient die Tabelle I.

BAD ORiQiNAf. Docket 7850 GlS 34/64 1 0 9 8 8 4 / U 1 A

	(2)	- 12 -	L E	(4)	(5)
	f	TABEL	0
(1)	■ ( mm)	(3)	( Grad)	( Grad)
A	22	ß	20	- 20
(°Α)	21.3	( Grad)	345	+ 15
5940	20.8	1100	320	+ 40
6046	19.45	1065	252. 5	- 72. 5
6118	18.9	1040	225	- 45
6328	13	972. 5	290	+ 70
6401	945
7306	650

In der ersten Spalte sind sechs mögliche Wellenlängen Λ aufgeführt, die in einem Helium-Neon-Sender entstehen können. In der zweiten Spalte sind die spezifischen Drehungen/⁷ in Grad per mm des Quarzelelementes 28 in Höhe der jeweils entsprechenden Wellenlängen der Spalte 1 aufgeführt. In der dritten Spalte ist die Gesamtdrehung B in Graden für jede Wellenlänge nach Durchgang von 50 mm Quarn aufgeführt. In der vierten Spalte ist in Graden^ oder Moduls 2^von B angegeben, welches die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung für jede einzelne Wellenlänge in bezug auf die ursprüngliche Polarisations richtung AA, d. h. , die Richtung der Polarisationsebene des einfallenden Strahles ist. Die Angaben in Spalte 5 geben in Graden 6an, um welchen Winkel die Anordnung 36 jede einzelne Wellenlänge drehen muss, so dass sie durch das Brewster 'sehe Fenster mit einem Minimum an Verlusten hindurch tritt.-θ ist auch in Fig. 5 graphisch dargestellt. .

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Es sei angenommen, daß eine Sendewellenlänge von λ * 6401 Angstrom eingestellt werden soll. Aus der Tabelle I ist zu entnehmen, daß die elektrooptisch^ Anordnung 36 die Richtung der Polarisationsebene des aus dem Quaraelement 28 austretenden Lichtes um -45 , d. h,, um 45° im Uhrzeigersinn drehen muß» damit die Richtung der Polarisationsebene wieder mit der Richtung AA zusammenfällt. Das elektrooptieche Element 36 wird durch die Veränderung der Gleichetromspannung der Spannungequelle 31 gesteuert. Bin linear polarisierter Strahl mit einer Wellenlänge von 6401 Angstrom tritt aus dem Hohlraum 27 ohne Verluste durch das Brewater'eche Fenster 35 aus und wird durch den Spiegel 26 zurückgeworfen. Diese Wellenlänge tritt also in den Hohlraum 27 wieder ohne Verluste ein und wird durch das elektrooptieche Element 36 und das Quaraelement 28 in gegenläufigem Sinne gedreht, so daß der Strahl wieder in der Richtung AA AA polarisiert ist, wenn er aus dem Brewster'schen Fenster 34 tritt. Der Strahl mit dieser Wellenlänge durchsetzt dann das eine inverse Besetzung aufweisende Medium der Sende· rühre 21 und wird am Spiegel 25 zu seinem Ausgangspunkt surückreflektiert* Die Verluste sind bei dieser Eineteilung des elektrooptischen Elementes 29 für einen Strahl von der Wellenlänge von 6401 Angstrom ein Minimum» ßo daß Senden auf dieser Wellenlänge eintritt.

JetEt sollen die Verhältnisse für die am nächsten liegende Wellenlänge von 5940 Angstrom bei der gleichen Einstellung der Steuer spannung für

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die elektrooptisch© Anordnung 36 untersucht werden. Die Polarisationsrichtung einer Strahlung dieser Wellenlänge wird ebenfalls um 45 ge· dreht. Aue Tabelle I ist j «doch zu entnehme», daß die erforderliche Drehung für eine Strahlung von 5940 Angström nur 20 beträgt. Die im Brewstor'echen Fenster auf Grund der um 20 fehlerhaften Drehung auftretenden Verluste sind gleich sin (20 ) oder 11,7 %. Diese zusätzlichen Verluste von 11,7 %, die auf Grund der oben genannten Einstellung im Resonatorhohlraum entstehen, genügen, um ein Senden im Wellenlängenbereich von 5940 Angström zu verhindern. Aus der Tabelle ist leicht bu ersehen, daß die Verluste für die anderen Wellenlängen noch höher sind, da der Einstellungsfehler der Polarisationsebene in be· auf die günstigste Richtung AA in allen Fällen noch größer ist.

In Fig. 6 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt. In diesem Augführungsbeispiel tritt der linear polarisierte Senderstrahl durch eine Phasenplatte deren Phasenverschiebung stark wellenabhängig ist. Demzufolge wird auch an Stelle der elektrooptischen Anordnung 36 nach Fig. 2 eine elektrooptisch steuerbare Phaeenplatte verwendet, um ein« zusätzliche Phasenverschiebung einzuführen, so daß nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge parallel zur Einfalleebene azn Brewster'schen Winkel polarisiert wird und daher durch dieses Fenster ohne wesentliche Verluste hindurchtritt. Andere Wellenlängen werden elliptisch polarisiert und erfahren daher beim Durchtritt durch das unter

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dem Brewstev'schen Winkel angeordnete Fenster Verluste, so daß ein Sen'den in diesen Wellenbereichen unterdrückt wird. Obwohl in beiden Aue führung sbeißpielen elektrooptisch^ Kristalle verwendet werden, wird im ernten Fall vom Prinzip der steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls und im zweiten Fall vom Pr in sip der steuerbaren Phasenverschiebung Gebrauch gemacht.

Im Aueführungsbeispiel nach Fig. 6 wird der optische Resonator des Senders mit 40 bezeichnet. Eine Senderöhre 41 ist im Hohlraum ange» ordnet und enthält ein eine inverse Besetzung aufweisendes Medium, beispielsweise Argon oder andere ionisierte Gaso.

Die Brewster'schen Fenster 42 und 43 schließen die Seitenwände der Senderöhre 41 ab. Jedes dieser Fenster ist \mter dem Brewoter'sehen Winkel gegen die optische Achse 44 des Hohlraumes 40 geneigt. Ein hochreilektierender dielektrischer Hohlspiegel 45 ist gegenüber dem Fenster 42 und ein gleichartiger Spiegel 46 gegenüber dem Fenster 43 angeordnet. Der Spiegel 46 let halbdurchlässig, um ein Auetreten des Senderstrahls aus dem Hohlraum asu ermöglichen. Durch die Brewster'schen Fenster können* wie im vorhergehenden Auo£ührungsbeispiel₍ nur Strahlen mit einer bestimmten Lage ihrer Polarisationsebene ohne Verluste hindurchtreten. Alle anderen Polarisationszustände bewirken Verluste. Daher sind alle durch den Sender erzeugten V/ellenlangen oder Spektrallinien parallel zur Einfallsebene auf den Brewster'schen Fenstern 42 und

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43 linear polarisiert. Die Reflexionsverluste werden in diesem Fall durch reflexmindernde Beläge an den Elementen 47, 43 und 49 auf ein Minimum beschrankt. Es ist auch möglich, diese Elemente in einen Hohlraum gemäß Fig. 2 unterzubringen,

Im Lichtweg zwischen dem Brewster'schen Fenster 43 und dem Spiegel 46 ist eine Gipsplatte 47, ein elektroopti scher Phasenkri stall 48 und ein polarisierender Kalkspatkristall 49 angeordnet. Eine veränderliche Spannungequelle 50 ist mit d&n Elektroden 51 und 52 verbunden, die an gegenüberliegenden Seiten des Kristalle 48 angeordnet sind. Diese Elektroden weisen in ihrem Zentrum Axisnehmungen auf, so daß der elektrooptische Streufeldeffekt auegenutzt werden kann. Die Elemente 47, 4ß und 49 bilden eine Anordnung amr Einstellung der Frequenz des Senders. Das von der Senderöhre 41 kommende linear polarisierte Licht wird durch die Fhasenplatte 47 In elliptisch polarisiertes Licht verwandelt. Das Ausmaß, der durch die Platte 47 eingeführte Elliptizität ist eine Funktion der Geometrie der Platte, des Materials aus der die Platte besteht und ganz wesentlich auch eine Funktion der vorliegenden Wellenlänge.

Der elektrooptische Kristall 48 bewirkt eine im wesentlichen gleiche Phasenverschiebung bei allen Wellenlängen. Der Umfang der Phasenverschiebung ist eine Funktion des den Kristall durchsetzenden elektrischen Feldes. Durch Veränderung der Spannung an den Elektroden 51 und 52 kann der timfang dar durch den elektrooptischen Kristall be-

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wirkten Phasenverschiebung gesteuert werden. Der Phasenkristall kann aus Kalium , Dideuteriumphosphate (KD PO.) aus HMTA aus Kalium Tantalum Niobat (KTN) oder aus einer anderen gea. gnefcen elektrooptischen Substanz bestehen. Das Argon in der Röhre 41 wird in geeigneter Weise angeregt, um eine inverse Besetzung der einzelnen Niveaus zu erreichen. Die stimulierte Emission des angeregten Gases besteht aus kohärentem. Licht. Die sichtbaren Spektrallinien .des Argons sind in Spalte 1 der Tabelle II wiedergegeben.

TABELLE ti

(1)	(2)	(3)	. (4)	f
λ	0	A0	Ψ
(°A)	(Grad)	(Grad)	(O/voltxl0"2)
4545	2328.7	168.7	6.381
4579	2299. 6	139.6	6.322
4650	2262.2	102.2	6, 217
4727	2227.6	67.6	6.109
4764	2212.6	52.6	6. 057
4880	2164.4	4.4	5. 9045
4965	2123.0	-37.0	5.7955
5017	2107.5	-52. 5	5.731
5145	2057. 1	-102.9	5. 5795	AD OBQiWAL
Docket	7ß50 GE 34/64	10988 4/	U14 8

	TABE	LLE ΠΙ	1564209
	(2) ό ψ (2644 V)	(3) (2644 V)
(D λ A	- 168.7	0	(4) Verluste (%) (2644 V)
4545	- 167.1	-27.5	0
4579	- 164.3	-62.1	5.7
4650	- 158.8	-91.2	26.5
4727	- 153.6	.106.0	51.-0
4764	-156.I	-151.7	63.8
4880	- 153.2	-190.2	94.0
4965	- 151.5	-204.0	99.2
5017	- 147.5	-250.4	95.8
5145		65.7

Alle Spektrallinien des optischen Senders und Verstärkers durchsetzen das Brewster'sche Fenster 43 und werden parallel zur Einfalleebene linear polarisiert. Die gesamte Phasenverschiebung ψ in einer 300 u dicken Gipsphasenplatte 47 ist Spalte 2 der Tabelle II aufgeführt. Die effektive Phasenverschiebung oder der Unterschied ^Δ φ von der Ursprung· liehen linearen Polarisationslage ist in Spalte 3 wiedergegeben. Die Spezifische Dispersion oder Phasenverschiebung ψ für den elektrischen Kristall 48 (KD₂ PO₄) ist in Spalte 4 der Tabelle Π in Grad pro Volt aufgeführt.

Soll etnta Spektrallinie von der Wellenlänge von 4545 Ang ström einge-

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stellt werden, βο kann au· dem ¹ errechnet werden, daß eine Spannung von 2644 Volt an den Kristall 4ß gelegt werden muß. Die effektive Phasenverschiebung oder die Differenz Δ $ beim Kristall 48 für jede der verschiedenen Wellenlängen ist aus Spalte Z der/tabelle III zu entnehmen. Die gesamte oder die resultierende effektive Phasenverschiebung A p +Δψ des* Platten 4? und 48 bei einer an der Platte 48 anliegenden Spannung v©a 2644 Volt ist te der Spalte % der Tabelle III wiedergegeben. Eg sei darauf Magewieaen, daß die tierende Phasenverschiebung £üsr eine SpektralM&i© von 454S' Wellenlänge gleich Null ist. AEe anderen Spektsrallinieii blei&ea elliptisch polarisiert und erleiden daher beim. DtsrelateitS durch ά®η polari» -gierenden Kristall 49 Verlust©«, Die Polarisation suständ© der die Platten 47 und 48 durchsetzendes, Spektrallinien sied, ia Fäg« ? qualitativ dargestellt. Der Polarisator 49 läßt €d& Strahlung de? gewählten Spektrallinie von einer Wellenlänge von 4545 Aagström ungeechwächt durch, er schwächt aber die elliptisch polarisierten Spektrallinien, deren in horizontaler Richtung liegenden Schwingungskomponente^ den durch ge-

ge
strichelte Linien 53 adgebenen Weg dee außerordentlichen Strahles folgen und so aus dem Bereich des Hohlraumes geHsmgeti« Die Verluste die im Polarisator 49 für die Strahlungsanteile auftreten* auf deren Wellenlängen der Sender nicht eingestellt ist, werden in Spalte 4 der Tabelle III wiedergegeben. Zusätzliche Verluste treten in dem unter dem Brewster'schen Winkel angeordneten Fenster 43 auf.

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BAD OFUGlNAL 1098847 UU '■ ' ■

Jede gewünschte Spektraiiiaie der argongefüllten Senderröhre kann dadurch eingestellt Werdon, daß mit Hilfe der Tabelle II die Phasenver-Schiebung A φ für die Phasenplatte 47 ermittelt wird und dann an die elektrooptisch^ Phasenplatte 48 diejenige Spannung gelegt wird, die er-

forderlich ißt, die resultierende Phaeenverschiebung für beide Platten gleich Null worden au laesen. Die Spannung let gleich "T/ * welcher Wert aus den Spalten 3 und 4 der Tabelle Π entnommen werden kann. Nur die Wellenlänge der eingestellten Spektrallinie wird vielfach durch die Senderöhre mit genügender Intensität reflektiert» um die Schwingung aufrechtzuerhalten. Die nicht eingestellten Spektrallinien erfahren im Polarisator 49 Verluste, so daß im Sender keine selbständigen Schwingungen in diesem Sendebereich entstehen.

Der Polarisator 49 kann auch weggelassen werden, wenn die einseinen Linien weit genug auseinander liegen, so daß die polarisierende Wirkung der Brewster'schen Fenster genügend Verluste im Bereich der Wellenlängen der nicht eingestellten Linien erzeugt, so daß die damit verbundene Frequenzeelektivität zur Unterdrückung der nicht eingestellten Frequenrlinien ausreicht.

In Fig. 6 ist die erfindungsgemäße Anordnung nur schematiech dargestellt. Im praktischen Betrieb würden die Frequenzeinstellelemente 47, 48 und 49 in eine besondere Kammer mit einer Flüssigkeit geeigneten

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Brechungsindexes zur Herabsetzung der Reflexion»Verluste an den optischen Zwiechenflachen eingebracht werden, deren Endflächen mit derart angeordneten Brewster'schen Fenstern vernähen sind, daß die linear polarisierte Strahlung der eingestellten Linie durchgelassen wird«

Es ist auch möglich, die Elemente 47, 48 und 49 durch eine einzige elektrooptisch Phaeenplatte zu ersetzen, deren elektrooptischen Effekt stark frequenzabhängig ist. Eine derartige Phaeenplatte sollte eine hohe Dispersion in der elektrooptischen Phasenverschiebung haben, wie dies bei verschiedenen biaxial elektrooptischen Kristallen der Fall ist. Der* artige Kristalle eind im Handbuch der Physik. S. Fluegge, Springer Verlag, Berlin, 1961, Vol. XXV-I, Seiten 166 bie 169 beschrieben. Diese Kristalle weisen eine Dispersion der optiechen Achsen, gekreuzte axiale Dispersion (Veränderungen in der optischen Äxialebene) und Dispersion der Halbierungslinien auf. Diese Eigenschaften sind durch die Dispersion der Hauptbrechungeindiz.es bedingt. Die Veränderungen im Verhältnis der Brechungsindizes führen zu den gewünschten Dispersionsefijekten. In Fig. 8 wird eine weitere Aueführungeform des Erfindungsgedankens dargestellt, mit dem zwei Frequenz«· oder Senderlinien eingestellt werden können. Der optische Resonator 60 enthält eine Sende» röhre 61 mit den Brewster'schen Fenstern 62 und 63. Der Resonator wird von den Spiegeln 64 und 65 begrenzt. Der Frequenzeinstellteil des Resonators enthält jedoch zwei Phaeenplatten 66 und 67 und zwei elektrooptiache Phasenplatten 68 und 69 und einen polarisierenden Kri-

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Docket 7Ö50 GE 34/64

«tall 7Ö. Die Phasenplatten 66 und 67 können so gewählt werden, daß die, sich ergebende Phasenverschiebung einer bestimmten Wellenlänge des Lichtes nach Durchtritt durch beide Platten gleich Null ist. Darüberhinaue kann eine der Phaeenplatten durch eine einstellbare Phasenplatte beispielsweise durch einen Soleilkornpensator ersetzt werden. Die Dispersion in den Platten 66 und 67 kann eine Gesamtphasenver-•chiebung ergeben, die gleich Null ist, so daß die ausgewählte Spektrallinie durch die elektrooptischen Phasenplatten 68 und 69 geleitet wird, an die kein elektriaches Feld angelegt wird. In diesem Zustand wird entweder keine oder nur eine vernachlässigbar kleine Phasenverschiebung in den Platten 68 und 69 auf die Strahlung im Bereich der ausgewählten Linie wirksam. Die Strahlurgim Bereich dieser Linie wird durch den polarisierenden Kristall 70 hindurchtreten und zur Sende röhre 61 zurückreflektiert werden, so daß ein Senden mit der eingestellten Frequenz stattfindet. Mit der in Fig. 8 dargestellten Anordnung kann eine sweite Frequenz oder Wellenlänge eingestellt werden, indem die geeigneten Spannungen an die Platten 63 und 69 .gelegt werden, so daß die Phasenverschiebung in allen vier Platten für die zweite ausgewählte Wellenlänge gleich Null ist. Wie in der Anordnung gemäß Fig. bleiben alle Wellenlängen auf die der Sender nicht eingestellt ist, elliptisch polarisiert und ihre horizontalen Komponenten werden durch den Kristall 70 aus dem Hohlraum 60 über den Weg 71 abgeleitet.

Durch die Verwendung von zwei Phasenplatten 66 und 67 kann man eine

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Docket 7850 GE 34/64 BAD

Dispereion erreichen, sin mit einer einsigen Phaeenplatte gemitfl Fig. 6. Y/lrd Argon als Medium mit inverser Boöotaung verwebet» j&b wird das Sendti» iau Bereich mehrerer in gleicher ßichtwtg linear pe larioiertor Linien einsetzen. Ergibt daher die Totaldieperaion durch die Platten 66 und 67 eins Geeamtpliaoenverachicbung von av/ei oder mehr !,.inien, eo daß die FliasoadUfercnz 360 oder ein ganszaiiUgee Vielia-

davon ist» so wird im Bereich aller dieser linien ge sendet. Di«· ees Ergebnis wird erreicht, da die effektive Pfeasenverochieb«©g Δ $ die gleiche für alle Liaiea Ut. Werden daher die richtige» Spanmmgen au die elektrooptiadien X-haaenplatten 6S und 69 gelegt» um ein Δ ψ zu erreichen, daß die resultierende I-liaaenverochiebung Δ φ + Δ ψ « 0 macht» βο v/erden alle diese Linien znit sehr geringen Ve^lueten durch den optiedien Resonator hindurchtreten und daher sum Senden führen. Die zum Übergang von einer Frequenz aur anderen erforderliche Zeit wird durch die sum Aufbau einer Schwingung im. Sender erforderliche Seit bedingt. Die β ο Zeit lot proportional der Gesaratlänge dee optischen He Donator υ und 1st für einen 100 cm llcssonator etwa 0« 1 jul b« Auf diese 1/eise erfolgt da» Umschalten von einer Wellenlänge zur anderen mit einer Folgefrequenz· die größer ale ein Mogaherc lot.

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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE 1S84209

1. : Anordnung zur ßinötellunrj der Wellenlänge der Emission eines optischem Senders und Verstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß in einem optiucben. Resonator mit vom £,u$taricl der Polarisator cn abhängigen Verlusten Elemente zur wollenlängenabhängigen Veränderung d<sa PolarisationszuetandeB und steuerbare Elemente znt im weeent-

liehen wellenlängcnunabhängigen steuerbaren Veränderung de* PolarieatlonsBustandeß angeordnet «sind, durch deren Zusammenwirken die Strahlung einer oder mehrerer Spektrallinien durch gegenseitig« Aufhebung der Wirkung beider Slemente steuerbar in dem Pölarieatiofte* austand geringcter Verluste und damit sum Senden gcbfäehfc werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch «Ine swischeu ewei Spiegeln (25, 26) angeordnete Senderöhre (21) mit zwei die Strahlung in Abhängigkeit von der Lage ihrer Polarisationsebene dttreliiäiisänden Breweter'echen Fenstern (?.'l_t 23) und einer der Einstellung der ßeft* defrequensen dienenden Einholt (27), die aus einem die Pölarieatiötlöebene in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung drehenden Kristall (2ß), einer -4- -Platte (30) und einem elektrooptischen, die Polarisationsebene im wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge •teuerbar drehenden Kristall 32 besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine swischia

awei Spiegeln (45, 46) angeordnete üenderöhre (40) mit «Wei die

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Docket 7350 GE 34/64

^M(>Uü Un'cilay·--¹. ■ -.: -:.. . <.,» ,;,

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Strahlung durchlassenden Bi'ewetox'sehen !"eastern (41, 43), einen . die PhaienDagö der durchgehenden Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge verschiebenden ICrietall (47) und einen die I-haeenlage der durchtretende» Strahlung unabhängig vo» ihrer Wellen* länge steuerbar verschiebenden elektrooptischen Kristall 4<>.

4. Anordnung nach Anspruch 1« gokonnaoichnet durch eine «wischen KVtQl Spiegeln (o4, 65) angeordnete» zwei Brewstor'eche Fenster (62, 63) aufweisende Senderöhre (60), awol dia Phasenlage der durch· tretenden Strahlung la Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge vorschiebende Kristalle (66, 67) und sswei die Phasenlage unabhängig von dor Wellenlänge steuerbar verschiebende, elektrooptisch^ Kristalle (6C,

zeitig
69) sur gleichCn Einstellung swoier £u sendender Spoktralllnien.

5. Anordnung nach dun Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet» daß im Strahlengang de» opticchon Hesonators ein doppelbrechender Kristall (49) angeordnet ist, der bei Abweichungen dsa Polarisations* su stand ο β de» den Hohlraum durchsetzenden ütrahiea vom Soll bus tand die von diesem Solliuutand abweichenden Strahlen baw. die von die* sern Sollzustand fcbwcichonJen Komponenten dionor Strahlen auc dem Hohlraum ablciiet«

6« Anordnung nach d<m Anoprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

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, · .m 26 ·

daß di* op&cditra FlUchun dor einzelnen Elemente zur Verminderung yon Ä«£lexionev#rlueteö mit einer Antircilexionaedeicht über· n ßind.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 biß 5, dadurch gekennzeichnet,

daß dio .Elemente der Anordnung zwecks Verminderung von iieilexionsverlustan in einer Flüssigkeit mit angepaßtem Brechungsindex untergebracht sind.

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Docket 7MQ QZ 34/64

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