DE1564591B2 - Optische Sendeeinrichtung für kohärente Strahlung (Laser) - Google Patents

Description

Vorteilhaft ist es auch, wenn für den optischen

60 Sender ein optischer Resonator vorgesehen ist, der

eine große Zahl von Eigenschwingungen hoher Güte aufweist, die stets von wenigstens einem spontan

Die Erfindung betrifft eine optische Sendeeinrich- emittierten Lichtquant angefacht sind,
tung für kohärente Strahlung (Laser), die einen opti- Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Eigen-

schen Sender und einen optischen Nachverstärker 65 schwingungen hoher Güte von zwischen 10"¹ und mit jeweils einem optischen Resonator mit einem 10"⁵ aller spontan emittierten Lichtquanten angegleichartigen stimulierbaren Festkörpermedium, facht sind.
einer Anregungslichtquelle, einer Anregungseinrich- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin-

dungsgemäßen ausgebildeten Molekularverstärkers ist vorgesehen, daß der optische Resonator des optischen Senders als Kugel, Toroid, Quader, Polyeder oder als ein aus diesen abgeleiteter Körper ausgebildet ist.

Für verschiedene Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, wenn für den optischen Sender ein aus Kugelspiegeln gebildeter optischer Resonator geringer Selektion der Eigenschwingungen vorgesehen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine Vorrichtung vorgesehen ist, die der Einkopplung der Strahlung des optischen Senders in den optischen Verstärker in einem engen Raumwinkel dient.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Sendeeinrichtung. Diese besteht aus dem optischen Sender 2 und aus dem optischen Nachverstärker 1 mit je einem ellipsoidförmigen Anregungs-Hohlspiegel. Im optischen Nachverstärker 1 sind längs der Rotationsachse 3 ein Rubinstab 4 mit den teildurchlässigen Resonatorspiegeln 5 und 6 und eine Anregungslichtquelle 7 mit ihren elektrischen Anschlüssen 8 angeordnet. In der Mitte des Hohlspiegels befindet sich ein Spiegel 9, der durch die öffnung 10 im Hohlspiegel eingestrahltes Licht auf den Spiegel 6 reflektiert. Gegenüber dem Spiegel 5 des Rubinstabes 4 befindet sich im Hohlspiegel eine öffnung 11. Im optischen Sender 2 wird längs einer Rotationsachse 12 ein Rubinstab 13 mit einem teildurchlässigen konzentrischen Resonatorspiegel 14 und mit einem konzentrischen Resonatorspiegel 15 und eine Anregungslichtquelle 16 mit ihren elektrischen Anschlüssen 17 angeordnet. Die Anregungslichtquellen 7 und 16 und die Rubinstäbe 4 und 13 befinden sich jeweils zwischen einem Brennpunkt der ellipsoidförmigen Hohlspiegel und dem jeweils benachbarten Hohlspiegelscheitel. Im Hohlspiegel ist eine Öffnung 18 vorgesehen. Davor ist eine Lochblende 19 angeordnet.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende. Über die elektrischen Anschlüsse 8 wird der Anregungslichtquelle 7 Energie zugeführt. Diese strahlt Lichtenergie der Frequenz fp 1 ab, die nach einer oder mehreren Reflexionen am Hohlspiegel im Rubinstab 4 enthaltene Chromatome anregt. Die zugeführte Anregungsenergie ist so dimensioniert, daß die Schwelleninversion für eine selbständige Signalstrahlug fs nicht erreicht wird. Im optischen Sender 2 wird der Anregungslichtquelle 16 über ihre elektrischen Anschlüsse 17 Energie zugeführt. Diese elektrische Energie wird in Lichtenergie der Frequenz fp2 umgesetzt, die nach einer oder mehreren Reflexionen am Hohlspiegel Chromatome im Rubinstab 13 anregt. Die Anregungsenergiezufuhr ist hier so bemessen, daß eine kohärente Strahlung auftreten kann. Durch spontane Rauschquanten wird im Rubinstab 13 Strahlung der Frequenz fh ausgelöst, die zwischen den konzentrischen Resonatorspiegeln 14 und 15 unter ständiger Verstärkung hin- und herläuft.

Ein Teil der Strahlung fh tritt durch den teildurchlässigen Resonatorspiegel 14 und die öffnung 18 aus dem optischen Sender 2 aus, wird durch die Lochblende 19 begrenzt, tritt durch die öffnung 10 und wird nach Reflexion am Spiegel 9 in den Rubinstab 4 des optischen Nachverstärkers 1 eingestrahlt. In dem optischen Resonator 4,5,6 wird jetzt eine unselbständige Strahlung ausgelöst, die unter ständiger Verstärkung zwischen den Spiegeln 5 und 6 hin- und herläuft. Ein Teil dieser unselbständigen Signalstrahlung der Frequenz fs tritt durch den teildurchlässigen Resonatorspiegel 5 und die öffnung 11 aus. Diese unselbständige Signalstrahlung wird durch das Einspeisen der Strahlung fh stabilisiert. Der optische Resonator des optischen Senders 2 weist bei geringer Schwingungsmodenselektion eine hohe Güte auf, die im Spektralbereich des stimulierbaren Mediums des optischen Nachverstärkers 1 keine Minima hat. Diese Güte weist weiterhin in einem gegen den Beugungswinkel einer ebenen Welle großen Raumwinkel keine Minima auf. In den Schwingungsmoden hoher Güte ist wenigstens ein spontan emittiertes Lichtquant vorhanden, das 10"¹ bis 10~⁵ aller spontan emittierten Lichtquanten ausmacht.

Es ist auch in Weiterbildung der Erfindung daran gedacht, in den Strahlengang der Strahlung fh eine optische Richtungsleitung einzufügen, die ein Eindringen von Signalstrahlung fs in den optischen Sendern verhindert. Das hat unter anderem den Vorteil, daß Rückwirkungen vermieden werden, die zu einer Selbsterregung führen können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 tung und einer Auskoppeleinrichtung für Strahlung Patentansprüche: enthält, und bei der die Strahlung des optischen Senders die Verstärkung im optischen Verstärker unter

1. Optische Sendeeinrichtung für kohärente die Schwelle selbständiger Schwingungen herabsetzt. Strahlung (Laser), die einen optischen Sender 5 Eine derartige Lasereinrichtung ist in der Zeit- und einen optischen Nachverstärker mit jeweils schrift »Journal of the Optical Society of America«, einem optischen Resonator mit einem gleicharti- Band 56, Nr. 2, Februar 1966, S. 149 bis 155, Fig. 3, gen stimulierbaren Festkörpermedium, einer An- beschrieben. Die Einrichtung enthält einen normalen regungslichtquelle, einer Anregungseinrichtung optischen Sender, bei dessen Verwendung zum einen und einer Auskoppeleinrichtung für Strahlung io die geometrische Justierung von Sender und Verstärenthält, und bei der die Strahlung des optischen ker auf eine Eigenschwingung extrem schwierig ist Senders die Verstärkung im optischen Verstärker und zum anderen Verwerfungen in der Geometrie unter die Schwelle selbständiger Schwingungen starke Veränderungen am Ausgangssignal bewirken, herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, Aufgabe der Erfindung ist es, eine diese Nachteile daß im optischen Sender (2) ein optischer Reso- 15 vermeidende Lösung anzugeben.

nator (14, 15) geringer Schwingungsmodenselek- Ausgehend von einer Einrichtung der einleitend

tion und hoher Güte vorgesehen ist. geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsge-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- maß dadurch gelöst, daß im optischen Sender ein opkennzeichnet, daß im optischen Sender (2) ein tischer Resonator geringer Schwingungsmodenselekoptischer Resonator (14, 15) vorgesehen ist, des- 20 tion und hoher Güte vorgesehen ist.

sen Schwingungsbereich (Güte) im Spektralbe- Der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen

reich des stimulierbaren Mediums (4) des Ver- führten zu der Erkenntnis, daß in den optischen Re-

stärkers (1) keine Minima aufweist. sonatoren von optischen Sendern und Verstärkern

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder2, da- neben der bekannten selbständigen Strahlung auch durch gekennzeichnet, daß für den optischen 25 solche auftreten kann, deren Existenz davon ab-Sender (2) ein optischer Resonator (14, 15) vor- hängt, daß aus einer Rauschquelle dauernd Quanten gesehen ist, dessen Schwingungsbereich (Güte) in von Signalfrequenz in den optischen Resonator eineinem gegen den Beugungswinkel einer ebenen gespeist werden. Für diese Art von unselbständiger Welle großen Raumwinkel keine Minima auf- Strahlung existiert eine Schwelleninversion, die niedweist. 30 riger ist als die der selbständigen Strahlung. Optische

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 Resonatoren können durch geeignete Formgebung so bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den opti- ausgelegt werden, daß die Schwelleninversion für sehen Sender (2) ein optischer Resonator (14, 15) selbständige Strahlung unter keinen Umständen ervorgesehen ist, der eine große Zahl von Eigen- reicht wird. Bei ständiger Zuführung von Quanten schwingungen hoher Güte aufweist, die stets von 35 einer Rauschquelle ist dann nur unselbständige wenigstens einem spontan emittierten Lichtquant Strahlung existent. Die Signalstrahlung ist in diesem angefacht sind. Fall stabil und das Spektrum der Emission ist

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- schmalbandig.

kennzeichnet, daß die Eigenschwingungen hoher Die erfindungsgemäße Einrichtung ist als in Raum

Güte von zwischen IO""¹ und 10~⁵ aller spontan 40 und Frequenz schmalbandiger Laser-Rauschgeneraemittierten Lichtquanten angefacht sind. tor ausgebildet. Geringe Schwingungsmodenselektion

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bedeutet nämlich ein rauschartiges Spektrum und bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische hohe Güte eine relative Schmalbandigkeit in Raum Resonator (14, 15) des optischen Senders (2) als und Frequenz. Durch diese Ausgestaltung können Kugel, Toroid, Quader, Polyeder oder als ein aus ₄₅ Verwerfungen, beispielsweise hinsichtlich der Frediesen abgeleiteter Körper ausgebildet ist. quenz, nur eine Frequenzabweichung ohne Lei-

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 stungsverlust bewirken.

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den opti- Für die praktische* Ausführung des Erfindungsge-

schen Sender (2) ein aus Kugelspiegeln gebildeter genstandes ist es vorteilhaft, wenn im optischen Senoptischer Resonator (14, 15) geringer Selektion 50 der ein optischer Resonator vorgesehen ist, dessen der Eigenschwingungen vorgesehen ist. Schwingungsbereich (Güte) im Spektralbereich des

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden stimulierbaren Mediums des Verstärkers keine Mi-Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß eine nima aufweist.

Vorrichtung (19) vorgesehen ist, die der Ein- Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn für den opti-

kopplung der Strahlung (fh) des optischen Sen- ₅₅ sehen Sender ein optischer Resonator vorgesehen ist, ders (2) in den optischen Verstärker (1) in einem dessen Schwingungsbereich (Güte) in einem gegen engen Raumwinkel dient. den Beugungswinkel einer ebenen Welle großen

Raumwinkel keine Minima aufweist.