DE1564868C3 - Verfahren zur Tastung oder Modulation der kohärenten Strahlung eines optischen Senders (Laser) und optischer Sender zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tastung oder Modulation der kohärenten Strahlung eines optischen Senders (Laser), dessen stimulierbares Medium, beispielsweise ein Rubinstäbchen oder Gasentladungsrohr, zwischen zwei Resonatorspiegeln angeordnet ist, von denen mindestens einer für die kohärente Strahlung des stimulierbaren Mediums teildurchlässig ist, und bei dem eine Grenzfläche zwischen Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante in der optischen Mitte zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet ist. ■ Ein derartiger optischer Sender ist aus der Zeitschrift Journal of Applied Physics, Band 34, Nr. 11, November 1963, S. 3414 und 3415, bekannt.

Die Abmessungen eines optischen Resonators sind sehr groß gegen die Wellenlänge der Resonanzstrahlung. Innerhalb der Linienbreite, für die das stimulierbare Medium verstärkungsfähig ist, sind daher im allgemeinen eine große Anzahl von Wellenformen verschiedener Resonanzfrequenzen schwingungsfähig, wobei es jedoch möglich ist, die transversalen Wellenformen bis auf eine einzige zu unterdrücken. Außer den transversalen Wellenformen liegen jedoch 2 L

gegeben ist, in der cdie Lichtgeschwindigkeit und L die optische Länge des Resonators ist.

Weil im optischen Resonator nur stehende elektromagnetische Wellen in Resonanz kommen können, unterscheiden sich zwei benachbarte longitudinale Wellenformen als Harmonische der Grundschwingung des optischen Resonators

c '■' ⁼ l'L '

gemäß dieser Beziehung jeweils um eine halbe Wellenlänge.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, durch das die kohärente Strahlung eines optischen Senders auf einfache und vorteilhafte Weise getastet oder moduliert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Umtastung zwischen zwei benachbarten longitudinalen Wellenformen als Harmonischen des optischen Resonators die zwischen den Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante angeordnete Grenzfläche in Richtung der optischen Achse im Bereich der Größenordnung einer Viertelwellenlänge verschoben wird.

Ausgangspunkt der Erfindung ist dabei die obenerwähnte Erscheinung, daß sich die longitudinalen Wellenformen in der Anzahl g ihrer Halbwellen pro Resonatorlänge unterscheiden. Insbesondere werden von zwei benachbarten Wellenformen jeweils die eine als geradzahlige und die andere als ungeradzahlige Harmonische entsprechend geradzahlige oder ungeradzahlige Werte für g aufweisen. Demzufolge weisen alle Wellenformen, die eine geradzahlige Harmonische der Grundschwingung des optischen Resonators darstellen, genau in der optischen Mitte des Resonators einen Schwingungsknoten der elektrischen Feldstärke auf, während bei ihrer benachbarten Wellenform als einer ungeradzahligen Harmonischen an der gleichen Stelle ein Schwingungsbauch der elektrischen Feldstärke auftritt.

Ist in der optischen Mitte des Resonators eine Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten vorhanden, so erleiden alle die longitudinalen Wellenformen, deren elektrische Feldstärke in der optischen Mitte des Resonators und damit auf der Grenzfläche einen Schwingungsbauch aufweist, einen Reflexionsverlust, während die benachbarten longitudinalen Wellenformen, die an der gleichen Stelle einen Schwingungsknoten der elektrischen Feldstärke aufweisen, phasenrichtig reflektiert werden und dementsprechend keine Verluste erleiden. Die Folge davon ist, daß von den ursprünglich möglichen longitudinalen Wellenformen bei hinreichender Größe der Reflexionsverluste nur jeweils jede zweite schwingungsfähig bleibt und die anderen unterdrückt werden.

Die Einstellung der Reflexionsverluste an der Grenzfläche läßt sich durch Wahl entsprechender Dielektrika oder durch die Ausbildung einer Spiegelschicht in bekannter Weise in weiten Grenzen einstellen. Außerdem ist die genaue Einstellung der

Lage der Grenzfläche auf die optische Mitte zwischen den Resonatorspiegeln auf die Länge einiger Wellenlängen nicht kritisch, solange die Anzahl der Halbwellen pro Resonatorlänge groß gegen den Wert 1 ist, eine Forderung, die praktisch immer erfüllt ist. Das stimulierbare Medium kann dabei entweder auf nur einer Seite der Grenzfläche oder auch auf beiden Seiten der Grenzfläche vorhanden sein. Die Grenzfläche selbst kann eine Glas- oder Quarzplatte sein, die optische Qualität aufweist und auf einer Fläche entspiegelt ist. ι ο

Die optische Verschiebung der Grenzfläche gemäß der Erfindung hat bei einer Größenordnung von einem Viertel der Resonanzwellenlänge zur Folge, daß die Schwingungsbäuche der elektrischen Feldstärke der ursprünglich schwingungsfähigen longitudinalen WeI-lenformen in die Ebene der Grenzfläche zu liegen kommen, so daß diese Wellenformen unterdrückt werden. Umgekehrt rücken die Schwingungsbäuche der elektrischen Feldstärke für die Wellenformen, die ursprünglich unterdrückt wurden, nunmehr aus der Grenzfläche heraus, und an ihre Stelle treten Schwingungsknoten, wodurch die ursprünglich unterdrückten longitudinalen Wellenformen schwingungsfähig werden. Auf diese Weise läßt sich also durch ein Hin- und Herverschieben der Grenzfläche wahlweise eine Unterdrückung der longitudinalen Wellenformen mit gerader oder ungerader Anzahl von Halbwellen pro Resonatorlänge erreichen.

Die praktische Durchführung der optischen Verschiebung der Grenzfläche läßt sich entweder mit rein mechanischen Mitteln oder unter Ausnutzung elektrooptischer Effekte erzielen. Im ersten Falle kann man die Grenzfläche mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schwinger verbinden oder auch unmittelbar die Grenzfläche durch die Begrenzung eines piezoelektrischen Kristalles bilden. Im zweiten Fall kann man auf beiden Seiten der Grenzfläche je einen Kristall mit elektrooptischen Eigenschaften anordnen. Verändert man dann durch Anlegen elektrischer Felder den Brechwert dieser Kristalle, so daß sich die optische Resonatorlänge auf der einen Seite der Grenzfläche um ein Viertel der Resonanzwellenlänge verkürzt und auf der anderen um den gleichen Betrag verlängert, so kommt dies in der Wirkung einer mechanischen Verschiebung der Grenzfläche um die gleichen Längen gleich. Dementsprechend kommt es auch in diesem Falle zu einem Wechsel zwischen jeweils benachbarten longitudinalen Schwingungsformen.

Diese Umtastung zwischen den Wellenformen gemäß der Erfindung schafft eine einfache Möglichkeit zu einer Modulation des ausgesandten Laserstrahles im Takte einer zu übertragenden digitalisierten Nachricht, indem man der einen schwingungsfähigen longitudinalen Wellenform den Wert einer digitalen »1« und der anderen den Wert einer digitalen »0« zuordnet.

Die Erfindung wird an einem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Der optische Resonator ist von zwei ebenen Resonatorspiegeln Si und & begrenzt, von denen mindestens einer in bekannter Weise teildurchlässig für die im optischen Sender (Laser) erzeugten kohärenten Wellen ausgebildet ist. Innerhalb dieses optischen Resonators sind auf der optischen Achse zwei stimulierbare Medien AMi und AMi angeordnet, die durch jeweils eine äußere, in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Energiequelle angeregt werden.

Zwischen den beiden stimulierbaren Medien AMi und AMi ist in der optischen Mitte zwischen den Resonatorspiegeln Si und 52 eine Grenzfläche G zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante angeordnet, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel diese Grenzfläche durch den Übergang zwischen einer Quarzplatte, die auf einer Seite entspiegelt ist, und Luft oder Vakuum gebildet ist.

Erfindungsgemäß läßt sich die Grenzfläche G zar Umtastung zwischen zwei benachbarten longitudinalen Wellenformen als Harmonischen der Grundschwingung des optischen Resonators in der durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung in der optischen Achse um eine gegen den Abstand der Resonatorspiegel Sx und 52 kleine Strecke aus der optischen Mitte zwischen diesen Spiegeln herausbewegen. Hierbei genügt bereits eine Verschiebung in der Größenordnung einer Viertelwellenlänge. Diese Bewegung kann mit mechanischen Mitteln erfolgen. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine optische Verschiebung der Grenzfläche. Dazu können beispielsweise auf beiden Seiten der Grenzfläche G zusätzlich zu den stimulierbaren Medien AMi und AMi Kristalle mit elektrooptischen Eigenschaften angeordnet sein, deren Brechwert sich durch äußere elektrische Felder verändern läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Tastung oder Modulation der kohärenten Strahlung eines optischen Senders (Laser), dessen stimulierbares Medium, beispielsweise ein Rubinstäbchen oder Gasentladungsrohr, zwischen zwei Resonatorspiegeln angeordnet ist, von denen mindestens einer für die kohärente Strahlung des stimulierbaren Mediums teildurchlässig ist, und bei dem eine Grenzfläche zwischen Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante in der optischen Mitte zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umtastung zwischen zwei benachbarten longitudinalen Wellenformen als Harmonischen der Grundschwingung des optischen Resonators die zwischen den Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante angeordnete Grenzfläche in Richtung der optischen Achse im Bereich der Größenordnung einer Viertellichtwellenlänge verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine schwingungsfähige longitudinale Wellenform einer digitalen »1« und die andere einer digitalen »0« zugeordnet wird.

3. Optischer Sender zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche mit einem piezoelektrischen oder einem magnetostriktiven Schwinger verbunden ist

4. Optischer Sender zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche durch die Begrenzung eines piezoelektrischen Kristalls gebildet ist.

5. Optischer Sender zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Grenzfläche je ein Kristall mit elektrooptischen Eigenschaften angeordnet ist.

im allgemeinen noch eine Anzahl longitudinaler Wellen vor, deren Frequenzabstände durch die Beziehung