DE1564209C - Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstel-

25" lung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers für kohärente Strahlung aus einem stimulierbaren Medium innerhalb seines optischen Resonators, mittels welcher zur Unterdrückung unerwünschter . Frequenzen der Gütefaktor mit von der Richtung der Polarisationsebene abhängigen Verlusten für diese Frequenzen elektro-optisch oder magneto-optisch ein-

. stellbar verschlechtert werden kann, indem ein Rotator genanntes, nicht steuerbar drehendes erstes Bauteil, das die Richtung der Polarisationsebene der polarisierten kohärenten Strahlung dreht, mit einem steuerbaren, zweiten Bauteil, das die Richtung der Polarisationsebene beliebig weit zurückzudrehen gestattet, zusammenwirkt. ■ .

Bekannte optische Sender oder Verstärker für kohärente Strahlung aus einem gasförmigen stimulierbaren Medium 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 beispielsweise eine Gasfüllung, bestehend aus Argon oder aus einer Mischung aus Helium und Neon. Wird durch Anregung eine Umkehr der Besetzungsverteilung der Energiestufen bewirkt, so setzt bei geeigneter Rückkopplung die Emission des Senders ein. Das stimulierbare Medium ist zwischen zwei den optischen Resonator begrenzenden Spiegeln angeordnet, von denen der eine als Austrittsspiegel bezeichnete Spiegel für die stimulierte kohärente optische Strahlung teildurchlässig ist. Die Strahlung wird mehrfach durch das stimulierbare Medium hin und her reflektiert, das dabei Energie an die Strahlung abgibt, so daß diese laufend verstärkt wird, übersteigt die an. den Strahl durch stimulierte Emission abgegebene Energie die Verluste des optischen Resonators, so setzt die Tätigkeit des optischen Senders und Verstärkers ein. In manchen Fällen ist es erwünscht, den optischen Sender und Verstärker so zu steuern, daß nur eine bestimmte Farbe oder Frequenz an seinem Ausgang zur Verfugung steht. Die Intensität der einzelnen Farben oder Linien des Senders ist abhängig von der Güte des optischen Resonators für die betreffenden Wellenlängen. Der bei

einer Senderlinie auftretende Energiegewinn ist abhängig von der Größe der Umkehrung der Besetzungsverteilung in denjenigen Energiestufen der Elektronen, die die Emission der betreffenden Senderlinie bewirken und von der optischen Güte Q des optischen Resonators für diese 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 oder Verstärkern wurde ein durch Drehung einstellbares Dispersionsprisma in dem optischen Resonator angebracht, mit dem bewirkt werden konnte, daß alle Linien mit Ausnahme der gewünschten aus dem Bereich des Resonators abgelenkt wurden, so daß die Strahlung nur im Bereich der Wellenlänge der ausgewählten Linie verstärkt werden konnte. Eine derartige Anordnung ist aber für viele Anwendungsgebiete, bei denen sehr schnelle Änderungen der Senderfrequenz erforderlich sind, zu langsam, da zur Änderung der Sendefrequenz das Prisma gedreht werden muß.

In der Literaturstelle »Proceedings of the IEEE«, Bd. 52, Nr. 6, Juni 1964, S. 719 und 720, insbesondere F i g. 2, wird eine Vorrichtung zur steuerbaren Veränderung der Frequenz eines Lasers angegeben. Dabei wird durch einen im Resonator angeordneten elektro-optischen Kristall die optische Weglänge des Resonators und damit die Resonatorfrequenz steuerbar verändert.

In der Literaturstelle »Applied Physics Letters«, Bd. 2, Nr. 11,1. Juni 1963, S. 222 bis 224, ist schon eine magneto-optische Vorrichtung zur Steuerung der Wellenlänge der von einem optischen Sender und Verstärker erzeugten Strahlung beschrieben worden. Diese aus steuerbaren und nicht steuerbaren Anordnungen zur Drehung der Polarisationsrichtung der Strahlung bestehende Vorrichtung ist zur steuerbaren Auswahl jeweils eines bestimmten Frequenzbereiches innerhalb ein und derselben Spektrallinie vorgesehen, so daß die frequenzabhängige Dispersion innerhalb der zur Drehung der Polarisationsebene verwendeten Bauteile sehr groß sein muß. Darüber hinaus ist der mit Faraday-Rotatoren verbundene technische Aufwand so groß und die Genauigkeit der bewirkten Drehungen so gering, daß derartige Anordnungen nicht geeignet sind. In beispielsweise als Pockelszelle ausgebildeten elektro-optischen Rotatoren ist die Drehung einer Polarisationsebene jeweils nur um 90° möglich, wobei an Stelle der Zwischenlagen der Polarisationsebenen elliptische oder zirkuläre Polarisationszustände auftreten. Es war daher nicht möglich, den in der obengenannten Literaturstelle angegebenen Faraday-Rotator durch die exakter arbeitenden und einfacher zu realisierenden elektro-optischen Rotatoren zu ersetzen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers anzugeben, bei dem die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden und eine Auswahl unter mehreren relativ weit auseinander liegenden Senderlinien möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers für kohärente Strahlung aus einem stimulierbaren Medium innerhalb seines optischen Resonators, mittels welcher zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzen der Gütefaktor mit von der Richtung der Polarisationsebene abhängigen Verlusten für diese Frequenzen elektrooptisch oder magneto-optisch einstellbar verschlechtert werden kann, indem ein Rotator genanntes, nicht steuerbar drehendes erstes Bauteil, das die Richtung der Polarisationsebene der polarisierten kohärenten Strahlung dreht, mit einem steuerbaren, zweiten Bauteil, das die Richtung der Polarisationsebene beliebig ίο weit zurückzudrehen gestattet, zusammenwirkt, dadurch gelöst, daß die Rotationsdispersion des ersten Bauteils in der Weise ausgenutzt wird, daß die einzelnen auftretenden Frequenzen bezüglich der Richtung ihrer Polarisationsebenen stark aufgefächert werden, so daß ein steuerbares Zurückdrehen der Polarisationsebene der gewünschten Frequenz mit dem zweiten Bauteil in die Polarisationsebene der geringsten Verluste eine Frequenzauswahl gestattet.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Wiederherstellung eines linearen Polarisationszustandes der aus dem steuerbaren und aus dem nicht steuerbaren Rotator im allgemeinen elliptisch polarisiert austretenden Frequenzkomponenten ein λ/4-Plättchen vorgesehen ist. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen im Zusammenhang mit den Figuren und den Zeichnungen.

Anschließend wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung eines bekannten optischen Senders und Verstärkers,

F i g. 2 die schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Erfindungsgedankens,

F i g. 3 eine schematische Darstellung, aus der hervorgeht, wie das linear polarisierte Licht mit Hilfe eines optisch aktiven Quarzkristalls eine Dispersion erfährt,

F i g. 4 eine Darstellung der Abhängigkeit der Dispersion der Drehung der Polarisationsebene in Winkelgraden je mm Quarz von der Wellenlänge des Lichtes in Ä,

F i g. 5 eine Darstellung der Wickeldispersion linear

polarisierter Linien eines, ein Helium-Neon-Gemisch enthaltenden Senders und Verstärkers nach dem Durchtritt durch etwa 50 mm optisch aktivem Quarz,

F i g. 6 die schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens,

F i g. 7 eine schematische Darstellung der elliptisehen Polarisationszustände der ausgewählten Senderlinien und der elliptisch polarisierten nicht ausgewählten Linien, die in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 entstehen,

F i g. 8 die schematische Darstellung einer gegenüber der F i g. 6 geänderten Ausführungsform des Erfindungsgedankens, mit der gleichzeitig zwei Sendefrequenzen ausgewählt werden können.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Anordnung zur mechanischen Abstimmung eines optischen Senders und Verstärkers. Der optische Resonator 10 des Senders enthält ein Gasentladungsrohr 11, das mit einem angeregten stimulierbaren Medium gefüllt ist. Das Entladungsrohr 11 wird beiderseits durch die sogenannten Brewsterschen Fenster 12 und 13 abgeschlossen. Links wird der optische Resonator von einem Spiegel 14 und rechts von einem teildurchlässigen Spiegel 15 begrenzt. Ein durch Drehung verstellbares Dispersionsprisma 16 befindet sich zwischen dem Spiegel 15

und der rechten Seite des Entladungsrohres 11. Der Weg der kohärenten Strahlung wird durch die gestrichelte Linie 17 dargestellt.

Die Winkeldispersion im Prisma 16 hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes und von dessen Einfallwinkel ab. Im üblichen Betrieb werden mehrere Linien des Spektrums durch das Brewstersche Fenster 13 hindurchtreten, das Prisma 16 kann aber mechanisch so gedreht werden, daß nur eine einzige Linie im Prisma so gebrochen wird, daß sie im optischen Resonator 10 verbleibt. Daher wird nur diese ausgewählte Linie durch das stimulierbare Medium 11 hin und her reflektiert werden, so daß nur die ausgewählte Frequenz ausgesandt wird.

F i g. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens. Im optischen Resonator 20 ist ein Entladungsrohr 21 angeordnet, das ein stimulierbares Medium mit umgekehrter Besetzungsverteilung, beispielsweise eine angeregte Mischung aus Helium und Neon, enthält.

Die Brewsterschen Fenster 22 und 23 bilden die seitlichen Strinflächen des Entladungsrohrs 21. Jede Fensternormale ist unter ihrem Brewsterschen Winkel gegen die optische Achse 24 des optischen Resonators 20 geneigt. Ein hochreflektierender dielektrischer Hohlspiegel 25 ist in Nachbarschaft des linken Fensters 22 angeordnet, während ein entsprechender teildurchlässiger Spiegel 26 rechts von dem Fenster 23 den optischen Resonator 20 begrenzt. In dem Zwischenraum auf dem optischen Weg zwischen dem Brewsterschen Fenster 23 und dem Spiegel 26 ist zur Einstellung der Frequenz eine optische Vorrichtung 27 vorgesehen, die aus einem optisch aktiven die Polarisationsebene drehenden Kristall 28, beispielsweise Quarz, aus einem elektro-optischen Kristall 29, beispielsweise Hexamethylentetraamin und aus einer Viertelwellenplatte 30 besteht.

Eine veränderbare Gleichspannungsquelle 31 ist mit den Elektroden 32 und 33 verbunden und dient zur Steuerung des transversalen elektro-optischen Effekts des Kristalls.

Die Vorrichtung 27 zur Auswahl der Frequenz wird seitlich durch die Brewsterschen Fenster 34 und 35 abgeschlossen und ist mit einer Immersionsflüssigkeit gefüllt. Die unter den Brewsterschen Winkel angeordneten Fenster dienen auch zur Herabsetzung der an den Außenseiten dieses Bauteils gegen Luft auftretenden Reflexionsverluste (diese Verluste betragen 0,1% oder weniger). Die Brewsterschen Fenster dienen auch als Polarisatoren, um den Senderstrahl in seinem elektrischen Vektor parallel zur Einfallsebene (in der Zeichenebene) zu polarisieren.

Daher kann nur Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung ohne Verlust hindurchtreten, während Strahlung mit anderen Richtungen der Polarisationsebene je nach der Abweichung von der vorgegebenen Richtung mehr oder weniger große Verluste erfährt.

Vor der Beschreibung der Wirkungsweise des Bauteils 27 zur Einstellung der Frequenz wird kurz auf den Verlauf des optischen Wegs innerhalb des optischen Resonators 20 eingegangen. Ausgehend von irgendeinein Punkt innerhalb des stimulierbaren Mediums 21, erfährt ein Strahl zwei Reflexionen, bevor er durch diesen Punkt wieder mit der gleichen Richtung hindurchtritt. Das stimulierbare Medium wirkt als Verstärker, während alle anderen Bauteile des optischen Resonators Verluste verursachen, übersteigt die Verstärkung die Verluste, so dient das beschriebene System als optischer Sender.

Es werden zunächst die Verluste im zur Frequenzeinstellung dienenden Bauteil 27 beschrieben. Dieses Bauteil ist mit einer Immersionsflüssigkeit zur Anpassung des Brechungsindexes gefüllt, um die Reflexionsverluste innerhalb des Bauteils auf ein Minimum zu beschränken. Zur Bestimmung der Verluste im Bauteil müssen die Reflexionen an den jeweiligen

Stirnflächen des Bauteils berücksichtigt werden. Der Quarzkristall 28 hat für eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 6000A einen Brechungsindex von 1,54, der elektro-optische Kristall 29 bei der gleichen Wellenlänge einen Brechungsindex von 1,58, und es sei angenommen, daß die Immersionsflüssigkeit einen Brechungsindex von 1,56 aufweist. Es kann durch Rechnung leicht gezeigt werden, daß die Reflexionsverluste an jeder Trennfläche zwischen Flüssigkeit und Kristall etwa 4,1 · 10~³% betragen. Die innerhalb dieses Bauteils 27 auftretenden Gesamtverluste sind dann gleich dem Produkt aus den Verlusten je Stirnfläche und der Gesamtanzahl der von der Strahlung durchsetzten Stirnflächen innerhalb dieses Bauteils. In dem optischen Resonator dieses Ausführungsbeispiels liegen 16 Grenzflächen vor, so daß die Gesamtverluste auf einen Wert von 6,56 · 10~²% berechnet werden können.

Die unter dem Brewsterschen Winkel angeordneten Fenster verringern nicht nur die Reflexionsverluste, sondern polarisieren den elektrischen Vektor des Senderstrahls auch parallel zur Einfallebene. Daher wird Licht, das in der richtigen Polarisationsebene polarisiert ist, das Bauteil 27 zur Einstellung der Frequenz durch das Brewstersche Fenster 35 verlassen, an dem hochreflektierenden dielektrischen Spiegel 26 reflektiert werden und in das Bauteil 27 mit einem Minimum an Verlusten wieder eintreten.

Die Auswahl einer bestimmten Frequenz wird gemäß dem Erfindungsgedanken durch Einführung von frequenzabhängigen Verlusten innerhalb des optischen Resonators mit Hilfe von elektro-optischen Bauteilen durchgeführt. Sind diese zusätzlich eingeführten Verluste für eine bestimmte Frequenz gleich oder größer als die Verstärkung innerhalb des stimulierbaren Mediums, so wird im Bereich dieser Frequenz keine Abstrahlung eintreten. Diese Verluste entstehen im wesentlichen durch die unterschiedliche Winkelablenkung der Polarisationsebene der einzelnen Spektrallinien des Senderstrahls innerhalb des Quarzkristalls 28 in Zusammenwirken mit der aus dem elektro-optischen Kristall 29 und der Viertelwellenplatte 30 bestehenden elektro-optischen Anordnung 36 zur Drehung der Polarisationsebene. Die Anordnung 36 kann elektrisch so gesteuert werden, daß nur eine bestimmte ausgewählte Spektrallinie in eine Polarisationsrichtung gedreht wird, unter der sie ohne Verluste durch das Brewstersche Fenster 35 treten kann. Die Wirkungsweise der Anordnung 36 ist in der USA.-Patentschrift 3 375 052 beschrieben.

In den F i g. 3 und 4 wird das Entstehen von frequenzabhängigen Verlusten durch Winkeldispersion im Kristall 28 schematisch erläutert. Es sei angenommen, daß linear polarisiertes Licht senkrecht auf die Quarzplatte auffällt, wobei die 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 Wirkungsweise des frequenzbestimmenden Bauteils 27 dient die Tabelle I.

Tabelle I

(D	(2)	(3)	(4)	(5)
/.		B-Grad	0-Grad	(V-Grad
(A)	( /mm)
5940	22	1100	20	-20
6046	21,3	1065	345	+ 15
6118	20,8	1040	320	+ 40
6328	19,45	972,5	252,5	-72,5
6401	18,9	945	225	" -45
7306	13	650	290	+ 70

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 ρ in Grad pro Millimeter Dicke des Quarzes 28 in Höhe der jeweils entsprechenden Wellenlänge der Spalte 1 aufgeführt. In der dritten Spalte ist die Gesamtdrehung B in Graden für jede Wellenlänge nach Durchgang von 50 mm Quarz aufgeführt. In der vierten Spalte ist in Graden Φ oder Moduls 2π von B angegeben, welches die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung für jede einzelne Wellenlänge in bezug auf die ursprüngliche Polarisationsrichtung AA, d. h. auf die Richtung der Polarisationsebene des einfallenden Strahles ist. Die Angaben in Spalte 5 geben in Graden Θ an, um welchen Winkel die Anordnung 36 jede einzelne Wellenlänge drehen muß, so daß sie durch das Brewstersche Fenster mit einem Minimum an Verlusten hindurchtritt. Θ ist auch in F i g. 5 graphisch dargestellt.

Es sei angenommen, daß eine Sendewellenlänge von λ = 6401Ä eingestellt werden soll. Aus der Tabelle I ist zu entnehmen, daß die elektro-optische Anordnung 36 die Richtung der Polarisationsebene des aus dem Quarz 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 elektro-optische Bauteil 36 wird durch die Veränderung der Gleichstromspannung der Spannungsquelle 31 gesteuert. Ein linear polarisierter Strahl mit einer Wellenlänge von 6401Ä tritt aus dem Bauteil 27 ohne Verluste durch das Brewstersche Fenster 35 aus und wird durch den Spiegel 26 zurückgeworfen. Diese Wellenlänge tritt also in das Bauteil 27 wieder ohne Verluste ein und wird durch die elektro-optische Anordnung 36 und den Quarz 28 in gegenläufigem Sinne gedreht, so daß der Strahl wieder in der Richtung AA polarisiert ist, wenn er aus dem Brewsterschen Fenster 34 tritt. Der Strahl mit dieser Wellenlänge durchläuft dann das stimulierbare Medium des Entladungsrohrs 21 und wird am Spiegel 25 zu seinem Ausgangspunkt zurückreflektiert. Die Verluste sind bei dieser Einstellung des elektro-optischen Bauteils 29 für einen Strahl von der Wellenlänge von 6401 Ä ein Minimum, so daß Abstrahlung auf dieser Wellenlänge eintritt.

Jetzt sollen die Verhältnisse für die am nächsten liegende Wellenlänge von 5940 Ä bei der gleichen Einstellung der Steuerspannung für die elektro-optische Anordnung 36 untersucht werden. Die Polarisationsrichtung einer Strahlung dieser Wellenlänge wird ebenfalls um 45° gedreht. Aus Tabelle I ist jedoch zu entnehmen, daß die erforderliche Drehung für eine Strahlung von 5940 Ä nur 20° beträgt. Die im Brewsterschen Fenster auf Grund der um 20° fehlerhaften Drehung auftretenden Verluste sind gleich

sin² (20°) oder 11,7%. Diese zusätzlichen Verluste von 11,7%, die auf Grund der obengenannten Einstellung im optischen Resonator entstehen, genügen, um eine kohärente Abstrahlung im Wellenlängenbereich von 5940 Ä zu verhindern. Aus der Tabelle ist leicht zu ersehen, daß die Verluste für die anderen Wellenlängen noch höher sind, da der Einstellungsfehler der Polarisationsebene in bezug auf die günstigste Richtung AA in allen Fällen noch größer ist.

In F i g. 6 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel tritt der linear polarisierte Senderstrahl durch eine Phasenplatte, deren Phasenverschiebung stark wellenabhängig ist. Demzufolge wird auch an Stelle der elektro-optischen Anordnung 36 nach F i g. 2 eine elektro-optisch steuerbare Phasenplatte verwendet, um eine zusätzliche Phasenverschiebung einzufiihren, so daß nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge mit seinem elektrischen Vektor parallel zur Einfallsebene am Brewsterschen 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 dem Brew-

. sterschen Winkel angeordnete Fenster Verluste, so daß eine kohärente Ausstrahlung in diesen Wellenbereichen unterdrückt wird. Obwohl in beiden Ausführungsbeispielen elektro-optische Kristalle verwendet werden, wird im ersten Fall vom Prinzip der steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines

.45 linear polarisierten Lichtstrahls und im zweiten Fall vom Prinzip der steuerbaren Phasenverschiebung Gebrauch gemacht.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 wird der optische Resonator des Senders mit 40 bezeichnet.

Ein im optischen Resonator (40) angeordnetes Entladungsrohr 41 enthält ein stimulierbares Medium, beispielsweise Argon oder andere ionisierte Gase.

Die Brewsterschen Fenster 42 und 43 bilden die Stirnwände des Entladungsrohres 41. Jede Normale dieser Fenster ist unter dem Brewsterschen Winkel gegen die optische Achse 44 des optischen Resonators 40 geneigt. Ein hochreflektierender dielektrischer Hohlspiegel 45 ist gegenüber dem Fenster 42 und ein gleichartiger, aber teildurchlässiger Spiegel 46 gegenüber dem Fenster 43 angeordnet. Durch die Brewsterschen Fenster können, wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, nur Strahlen mit einer bestimmten Lage ihrer Polarisationsebene ohne Verluste hindurchtreten. Alle anderen Polarisationszustände bewirken Verluste., Daher sind alle durch den Sender erzeugten Wellenlängen oder Spektrallinien mit ihrem elektrischen Vektor parallel zur Einfallsebene an den Brewsterschen Fenstern 42 und 43 linear polarisiert.

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Die Reflexionsverluste werden in diesem Fall durch reflexmindernde Beläge an den optischen Bauteilen 47, 48 und 49 auf ein Minimum beschränkt. Es ist auch möglich, diese Bauteile in einer Immersionsfiüssigkeit gemäß F i g. 2 unterzubringen.

Im Lichtweg zwischen dem Brewsterschen Fenster 43 und dem Spiegel 46 ist eine Gipsplatte 47, ein elektro-optischer Phasenkristall 48 und ein polarisierender Kalkspatkristall 49 angeordnet. Eine veränderliche Spannungsquelle 50 ist mit den Elektroden 51 und 52 verbunden, die an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls 48 angeordnet sind. Diese Elektroden weisen in ihrem Zentrum jeweils eine öffnung auf, so daß der elektro-optische Streufeldeffekt, der durch die im Bereich der öffnungen auftretenden elektrischen Streufelder bedingt ist, ausgenutzt werden kann. Die optischen Bauteile 47, 48 und 49 bilden eine Anordnung zur Einstellung der Frequenz des Senders. Das von dem Entladungsrohr 41 kommende linear polarisierte Licht wird durch die Phasenplatte 47 in elliptisch polarisiertes Licht verwandelt. Das Ausmaß der durch die Platte 47 eingeführte Elliptizität ist abhängig von der Geometrie der Platte, von dem Material, aus dem die Platte besteht, und ganz wesentlich auch abhängig von der vorliegenden Wellenlänge.

Der elektro-optische 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 Umfang der durch den elektro-optischen Kristall bewirkten Phasenverschiebung gesteuert werden. Der Phasenkristall 48 kann aus Kaliumdideuteriumphosphat (KD₂PO₄) aus Hexamethylentetraamin Kalium-Tantal-Niobat oder aus einer anderen geeigneten elektro-optischen Substanz bestehen. Das Argon im Entladungsrohr 41 wird in geeigneter Weise angeregt, um eine inverse Besetzung der einzelnen Niveaus zu erreichen. Die sichtbaren Spektrallinien des Argons sind in Spalte 1 der Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II

(1)	(2)	(3)	(4) · .
/.	Λψ	ΛΦ + ,\ψ	Verluste (%)
(A)	(2644 V)	(2644 V)	(2644 V)
4650	-164,3	-62,1	26,5
4727	-158,8	-91,2 .	51,0
4764	-158,6	-106,0	63,8
4880	-156,1	-151,7	94,0
4965	-153,2	-190,2	99,2
5017	-151,5	-204,0	95,8
5145	-147,5	-250,4	65,7

(1)	(2)	(3)	(4)
/.	Δ	Φ-Grad	Ψ ■■
(A)	Φ-Grad		("/Volt · 10~2)
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

	Tabelle	III	(4) Verluste (%) (2644 V)
(l) (A)	(2) Δ ψ (2644 V)	(3) Δ Φ + Δ y (2644 V)	0 5,7
4545 4579	-168,7 -167,1	0 -27,5

Alle Spektrallinien des optischen Senders und Verstärkers durchsetzen das Brewstersche Fenster 43 und werden mit ihrem elektrischen Vektor parallel zur Einfallsebene (in der Zeichenebene) linear polarisiert. Die gesamte Phasenverschiebung Φ° in einer 300 μηι dicken Gipsphasenplatte 47 ist in Spalte 2 20: der Tabelle II aufgeführt. Die effektive Phasenverschiebung oder der Unterschied Δ Φ von der ursprünglichen linearen Polarisationslage ist in Spalte 3 wiedergegeben. Die spezifische Dispersion oder Phasenverschiebung ψ für den elektrischen Kristall 48 (KD₂PO₄) ist in Spalte 4 der Tabelle II in Grad pro Volt aufgeführt.
Soll eine Spektrallinie von der Wellenlänge von

4545 Ä eingestellt werden, so kann aus dem er-

rechnet werden, daß eine Spannung von 2644 Volt an den Kristall 48 angelegt werden muß. Die effektive Phasenverschiebung oder die Differenz Δ Φ beim Kristall 48 für jede der verschiedenen Wellenlängen ist aus Spalte 2 der Tabelle III zu entnehmen. Die gesamte oder die resultierende effektive Phasenverschiebung Δ Φ + Δ ψ der Platten 47 und 48 bei einer an der Platte 48 anliegenden Spannung von 2644 Volt ist in der Spalte 3 der Tabelle III wiedergegeben. Es sei daraufhingewiesen, daß die resultierende

Phasenverschiebung für eine Spektrallinie von 4545 Ä Wellenlänge gleich Null ist. Alle anderen Spektrallinien bleiben elliptisch polarisiert und erleiden daher beim Durchtritt durch den polarisierenden Kristall 49 Verluste. Die Polarisationszustände der die Platten 47 und 48 durchsetzenden Spektrallinien sind in F i g. 7 qualitativ dargestellt. Der Polarisator 49 läßt die Strahlung der gewählten Spektrallinie von einer Wellenlänge von 4545 Ä ungeschwächt durch, er schwächt aber die elliptisch polarisierten Spektrallinien, deren in horizontaler Richtung liegenden Schwingungskomponenten den durch gestrichelte Linien 53 angegebenen Weg des außerordentlichen Strahles folgen und so aus dem Bereich des optischen Resonators gelangen. 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 Brewsterschen Winkel angeordneten Fenster 43 auf.

Jede gewünschte Spektrallinie des argongefüllten Entladungsrohres kann dadurch eingestellt werden, daß mit Hilfe der Tabelle II die Phasenverschiebung Δ Φ für die Phasenplatte 47 ermittelt wird und dann an die elektro-optische Phasenplatte 48 diejenige Spannung gelegt wird, die erforderlich ist, die resultierende Phasenverschiebung für beide Platten gleich

Null werden zu lassen. Die Spannung ist gleich ,

ein Wert, der aus den Spalten 3 und 4 der Tabelle II entnommen werden kann. Nur die Wellenlänge der eingestellten Spektrallinie wird vielfach durch das Entladungsrohr mit genügender Intensität reflektiert, um die Schwingung aufrechtzuerhalten. Die nicht eingestellten Spektrallinien erfahren im Polarisator 49 Verluste, so daß im optischen Sender keine selbständigen Schwingungen in diesem Sendebereich entstehen.

Der Polarisator 49 kann auch weggelassen werden, wenn die einzelnen Linien weit genug auseinander liegen, so daß die polarisierende Wirkung der Brewsterschen Fenster genügend Verluste im Bereich der Wellenlängen der nicht eingestellten Linien erzeugt, so daß die damit verbundene Frequenzselektivität zur Unterdrückung der nicht eingestellten Frequenzlinien ausreicht.

In F i g. 6 ist die erfindungsgemäße Anordnung nur schematisch dargestellt. Im praktischen Betrieb würden die Bauteile für die Frequenzeinstellung 47, 48 und 49 in eine besondere Kammer mit einer Immersionsflüssigkeit geeigneten Brechungsindexes zur Herabsetzung der Reflexionsverluste an den optischen Zwischenflächen eingebracht werden, deren Stirnflächen mit derart angeordneten Brewsterschen Fenstern versehen sind, daß die linear polarisierte Strahlung der eingestellten Linie durchgelassen wird.

Es ist auch möglich, die Bauteile 47, 48 und 49 durch eine einzige elektro-optische Phasenplatte zu ersetzen, deren elektro-optischer Effekt stark frequenzabhängig ist. Eine derartige Phasenplatte sollte eine hohe Dispersion in der elektro-optischen Phasenverschiebung haben, wie dies bei verschiedenen biaxial elektro-optischen Kristallen der Fall ist. Derartige Kristalle sind im Handbuch der Physik, S. F1 u e g g e, Springer Verlag, Berlin, 1961, Vol. XXV-I, S. 166 bis 169, beschrieben. Diese Kristalle weisen eine Dispersion der optischen Achsen, gekreuzte axiale Dispersion (Veränderungen in der optischen Axialebene) und Dispersion der Halbierungslinien auf. Diese Eigenschaften sind durch die Dispersion der Hauptbrechungsindizes bedingt. Die Veränderungen im Verhältnis der Brechungsindizes führen zu den gewünschten Dispersionseffekten.

In F i g. 8 wird eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens dargestellt, mit dem zwei Frequenz- oder Senderlinien zugleich eingestellt werden können. Der optische Resonator 60 enthält ein Entladungsrohr 61 mit den Brewsterschen Fenstern 62 und 63. Der optische Resonator wird von den Spiegeln 64 und 65 begrenzt. Der Frequenzeinstellteil des optischen Resonators enthält jedoch zwei Phasenplatten 66 und 67 und zwei elektro-optische Phasenplatten 68 und 69 und einen polarisierenden Kristall 70. Die Phasenpiatten 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. Darüber hinaus kann eine der Phasenplatten durch eine einstellbare Phasenplatte beispielsweise durch einen Soleilkompensator ersetzt werden. Die Dispersion in den Platten 66 und 67 kann eine Gesamtphasenverschiebung ergeben, die gleich Null ist, so daß die ausgewählte Spektrallinie durch die elektrooptischen Phasenplatten 68 und 69 geleitet wird, an die kein elektrisches 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 Strahlung im Bereich dieser Linie wird durch den polarisierenden Kristall 70 hindurchtreten und zum Entladungsrohr 61 zurückreflektiert werden, so daß eine kohärente Abstrahlung der eingestellten Frequenz stattfindet. Mit der in F i g. 8 dargestellten Anordnung kann eine zweite Frequenz oder Wellenlänge eingestellt werden, indem die geeigneten Spannungen an die Platten 68 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 F i g. 6 bleiben alle Wellenlängen, auf die der Sender eingestellt ist, elliptisch polarisiert, und ihre horizontalen Komponenten werden durch den Kristall 70 aus dem optischen Resonator 60 über den Weg 71 abgeleitet.

Durch die Verwendung von zwei Phasenplatten 66 und 67 kann man eine größere Dispersion erreichen als mit einer einzigen Phasenplatte gemäß Fig. 6. Wird Argon als stimulierbares Medium verwendet, so wird die Stimulation im Bereich mehrerer in gleicher Richtung linear polarisierter Linien einsetzen.

Ergibt daher die Totaldispersion durch die Platten 66 und 67 eine Gesamtphasenverschiebung von zwei oder mehr Linien, so daß die Phasendifferenz 360° oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist, so wird im Bereich aller dieser Linien kohärent abgestrahlt.

Dieses Ergebnis wird erreicht, da die effektive Phasenverschiebung Δ Φ die gleiche für alle Linien ist. Werden daher die richtigen Spannungen an die elektrooptischen Phasenplatten 68 und 69 gelegt, um ein Δ ψ zu erreichen, daß die resultierende Phasenver-Schiebung Δ Φ + Δ y> = 0 macht, so werden alle diese Linien mit sehr geringen Verlusten durch den optischen Resonator hindurchtreten und daher zur kohärenten Abstrahlung beitragen. Die zum Übergang von einer Frequenz zur anderen erforderliche Zeit

wird durch die zum Aufbau einer Schwingung im Sender erforderlichen Zeit bedingt. Diese Zeit ist proportional der Gesamtlänge des optischen Resonators und ist für einen lÖO-cm-Resonator etwa 0,1 μβ. Auf diese Weise erfolgt das Umschalten von einer Wellenlänge zur anderen mit einer Folgefrequenz, die größer als ein Megahertz ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers für kohärente Strahlung aus einem stimulierbaren Medium innerhalb seines optischen Resonators, mittels welcher zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzen der Gütefaktor mit von der Richtung der Polarisationsebene abhängigen Verlusten für diese Frequenzen elektro-optisch oder magnetooptisch einstellbar verschlechtert werden kann, indem ein Rotator genanntes, nicht steuerbar drehendes erstes Bauteil, das die Richtung der Polarisationsebene der polarisierten kohärenten Strahlung dreht mit einem steuerbaren zweiten Bauteil, das die Richtung der Polarisationsebene beliebig weit zurückzudrehen gestattet, zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsdispersion des ersten Bauteils (28, 47, 66, 67) in der Weise ausgenutzt wird, daß die einzelnen auftretenden Frequenzen bezüglich der Richtung ihrer Polarisationsebenen stark aufgefächert werden, so daß ein steuerbares Zurückdrehen der Polarisationsebene der gewünschten Frequenz mit dem zweiten Bauteil (29, 48, 68, 69) in die Polarisationsebene der geringsten Verluste eine Frequenzauswahl gestattet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wiederherstellung eines linearen Polarisationszustandes der aus dem steuerbaren und aus dem nicht steuerbaren Rotator (28, 36, 48) im allgemeinen elliptisch polarisiert austretenden Frequenzkomponenten ein λ/4-Plättchen (30) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ein zwiscnen zwei Spiegeln (25, 26) angeordnetes Entladungsrohr (21) mit zwei die Strahlung in Abhängigkeit von der Lage ihrer Polarisationsebene durchlassenden Brewsterschen Fenstern (22, 23) und einer der Einstellung der Sendefrequenzen dienenden Baueinheit (27), die einen die Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung drehenden Kristall (28), eine Λ/4-Platte (30) und einen elektrooptischen, die Polarisationsebene im wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge steuerbar drehenden Kristall (32) enthält.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ein zwischen zwei Spiegeln (45, 46) angeordnetes Entladungsrohr (40) mit zwei die Strahlung durchlassenden Brewsterschen Fenstern (42, 43), einen die Phasenlage der durchgehenden Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge verschiebenden Kristall (47) und einen die Phasenlage der durchtretenden Strahlung unabhängig von ihrer Wellenlänge steuerbar verschiebenden elektro-optischen Kristall (48).

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ein zwischen zwei Spiegeln (64, 65) angeordnetes, zwei Brewstersche Fenster (62, 63) aufweisendes Entladungsrohr (60), zwei die Phasenlage der durchtretenden Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge verschiebende Kristalle (66, 67) und zwei die Phasenlage unabhängig von der Wellenlänge steuerbar verschiebende elektro-optische Kristalle (68,69) zur gleichzeitigen Einstellung zweier zu sendender Spektrallinien.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,, daß im Strahlengang des optischen Resonators ein doppelbrechender Kristall (49) angeordnet ist, der bei Abweichungen des Polarisationszustandes der den optischen Resonator durchsetzenden Strahlen vom Sollzustand die von diesem Sollzustand abweichenden Strahlen bzw. die von diesem Sollzustand abweichenden Komponenten dieser Strahlen aus dem optischen Resonator ableitet. . . ^ _;y
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7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wichtigen Flächen der einzelnen Bauteile zur Verminderung von Reflexionsverlusten mit einer Antireflexionsschicht überzogen sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile der Vorrichtung zwecks Verminderung von Reflexionsverlusten in eine Immersionsflüssigkeit eingebettet sind.