DE1564209C - Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers - Google Patents
Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder VerstärkersInfo
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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.
(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.
(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
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)
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
■
■
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.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US51421665A | 1965-12-16 | 1965-12-16 | |
US51421665 | 1965-12-16 | ||
DEJ0032449 | 1966-12-09 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1564209A1 DE1564209A1 (de) | 1972-01-20 |
DE1564209B2 DE1564209B2 (de) | 1972-08-24 |
DE1564209C true DE1564209C (de) | 1973-03-29 |
Family
ID=
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