DE1564992B1

DE1564992B1 - Ultraschall modulierter optischer sender

Info

Publication number: DE1564992B1
Application number: DE19661564992
Authority: DE
Inventors: Anthony John Demaria
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1965-09-14
Filing date: 1966-09-14
Publication date: 1971-09-16
Also published as: GB1166248A; US3464027A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ultraschall- ten auftritt und da keine Brechung in den Schwinmodulierten optischen Sender, in dessen stimulier- gungsbäuchen, d. h. an Punkten mit einem Nullbarem Medium für einen Lichtstrahl Brechungsindex- druckgradienten auftritt, tragen verschiedene Teile Schwankungen mittels Ultraschallwellen erzeugt des durch Druckerhöhung und Druckverminderung werden. 5 der akustischen Wellen erzeugten zeitlich variieren-

Im Zusammenhang mit der Anwendung von im den Brechungsindex zu der Wechselwirkung bei. Dafolgenden auch als Laser bezeichneten optischen durch können Segmente des Lichtstrahls in einem Sendern mit einem stimulierbaren Medium für Ent- Punkt konvergieren. Die Wechselwirkung zwischen fernungsmessungen, Überwachungszwecke, Nach- einem Lichtstrahl und einer akustischen Welle, deren richtenübertragung und Schweißvorgänge ergeben io Wellenlänge A etwa der Lichtstrahlbreite W entsich Probleme aus der Regelung der jeweiligen Aus- spricht, ruft also einen Fokussierungseffekt auf den gangsstrahlung. Von den untersuchten Anordnungen, Lichtstrahl hervor. Dieser Fokussierungseffekt kann wie Kerrzellen, Pockelzellen, rotierenden Scheiben, dazu herangezogen werden, den Lichtstrahl zu modu-Spiegeln, Modenfeintriggerung und Ultraschallzellen, Heren, zu tasten oder zu regeln; der betreffende haben sich Ultraschallzellen als am zweckmäßigsten 15 Effekt entspricht dem Effekt einer dynamischen Linse erwiesen. Mit Hilfe von Ultraschallzellen erfährt Licht mit einer sich zeitlich ändernden Brennweite, in den optischen Medien dabei eine Beugung oder Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß die Brechungs-

Brechung (Electronics, April 12, 1963, S. 22, 23; indexänderungen auch z. B. durch elektrische oder »Journal of Applied Physics«, Volume 34, No. 10, magnetische Felder hervorgerufen werden können. Oktober 1963, S. 2984 bis 2988). 20 Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der

Ferner ist es bekannt (deutsche Auslegeschrift Erfindung werden fokussierte akustische Wellen zur 1194 494), eine Steuerung oder Modulation eines inneren Modulation der abgegebenen Lichtstrahl- M optischen Senders oder Verstärkers vorzunehmen, intensität verwendet. Dabei führt diese innere Modu- ™ dessen stimulierbares Medium in einem durch zwei lation zu einer im wesentlichen verlustlosen Austast-Reflektoren begrenzten optischen Resonator angeord- 25 möglichkeit. Eine Modulation durch den oben benet ist, in welchem zumindest ein Teil des optischen schriebenen Fokussierungseffekt kann auch außerhalb Mediums in seinem Brechungsindex steuerbar ist. des stimulierbaren Mediums erfolgen, sofern optische Der Brechungsindex des Resonatorraums oder eines Verluste in Kauf genommen werden können. In Teiles davon wird mittels Ultraschall gesteuert. manchen Fällen bietet diese Möglichkeit Vorteile.

Bei sämtlichen vorstehend betrachteten bekannten 30 Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsoptischen Einrichtungen erfolgt die Steuerung des form der Erfindung wird ein gekrümmter keramischer Brechungsindex mit Hufe gesonderter Zellen, die Wandler mit einem zylindrischen stimulierbaren Meaußerhalb oder neben dem eigentlichen optischen dium verbunden, um Ultraschallenergie in diesem Sender vorgesehen sind. Medium zu fokussieren.

Es ist auch schon ein optischer Verstärker mit 35 An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung einem stimulierbaren Medium bekannt (französische nachstehend näher erläutert. Es zeigt Patentschrift 1348 001), bei dem eine Modulation F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bevor-

des zu verstärkenden kohärenten Eingangslichts mit- zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, tels Ultraschall erfolgt. Zu diesem Zweck wird eine Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Laser-

Ultraschallwelle stirnseitig in ein stimulierbares, an- 40 ausgangssignals ohne Ultraschallfokussierung, geregtes Kristallmedium eingegeben, und außerdem Fi g. 3 eine graphische Darstellung eines Laserwird eine kohärente Lichtwelle stirnseitig eingegeben, ausgangssignals mit Ultraschallfokussierung, die bei ihrer Reflexion an der Ultraschallwellenfront Fig. 4 bis 7 eine Darstellung, aus der sich die _Λ

im Medium eine Frequenzmodulation um ein ganz- Wirkungsweise eine durch fokussierte akustische \ zahliges Vierfaches der Ultraschallfrequenz erleidet. 45 Wellen modulierten Lasers ergibt.

Bei sämtlichen bisher bekannten optischen Sen- F i g. 1 zeigt ein stabfönniges stimulierbares Me-

dern und Verstärkern wird das Verhältnis von Licht- dium 10 mit einem Durchmesser von 0,84 cm, strahlbreite W zur akustischen Wellenlänge A dadurch welches beispielsweise aus mit Neodymium dotiertem bestimmt, ob Brechung oder Beugung vorliegt. Ist Barium-Kronglas besteht. Ein Ende des Stabes 10 WJA <ζ 1, so liegt Brechung vor; ist WIA ^> 1, so 50 ist zur Bildung eines Reflektors 12 stark versilbert, überwiegt die Beugung. während das andere Ende keinen Spiegelbelag auf-

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, weist. Wie in der Lasertechnik bekannt, sind die einen Weg zu zeigen, wie auf- besonders einfache Enden des Stabes 10 planparallel. Wird ein relativ Weise eine äußerst gute Bündelung eines Lichtstrahls langer Stab verwendet, so reicht in Anbetracht der erreicht werden kann. 55 hohen Verstärkung das Reflexionsvermögen der un-

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe verspiegelten Stirnfläche des Glasstabes gegenüber bei einem ultraschall-modulierten optischen Sender der Luft aus, um eine kohärente Schwingung anzuder eingangs genannten Art erfindungsgemäß da- fachen. Durch Verwendung zweier äußerer paralleler durch, daß die Wellenlänge der Ultraschallwelle in Reflektoren kann in an sich bekannter Weise eine dem stimulierbaren Medium etwa gleich der Breite 60 Rückkopplung vorgesehen werden, des Lichtstrahles gewählt ist. Die Erfindung macht Der Stab wird durch eine Xenonblitzlampe 14,

sich dabei die Eigenschaft zunutze, daß unterschied- welche durch eine Spannungsquelle 16 gespeist wird, liehe Strahlen eines Lichtstrahls unterschiedlich ge- optisch angeregt.

brochen werden, wenn ein planparalleler Lichtstrahl Ein rohrförmiger oder zylindrischer Wandler 18,

durch eine akustische Welle hindurchtritt, deren 65 beispielsweise aus Bariumtitanat (BaTiO₃), welcher Wellenlänge A etwa der Lichtstrahlbreite W ent- in zwei halbzylindrischen Teilen 18' und 18" dargespricht. Da die maximale Brechung an Knotenpunk- stellt ist, wird durch ein geeignetes Bindemittel, wie ten, d. h. an Punkten mit maximalem Druckgradien- beispielsweise Epoxydharz, mechanisch direkt mit

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dem stimulierbaren Medium verbunden. Das Teil 18' variierende Brechungsindexschwankung hervorrudes Wandlers dient als Treiber, während das andere fende akustische Welle tritt ein, wenn die Laser-Teil 18" als Auffänger verwendet wird. Jeder Wand- strahlbreite W etwa gleich der akustischen Wellenlertyp, welcher mit der gewünschten Gestalt herstell- länge A ist. Der durch unterschiedliche Verhältnise bar ist, kann verwendet werden; es werden daher S WA hervorgerufene Übergang zwischen Beugung, keramische Wandler bevorzugt. Durch Anlegen einer Brechung und fokussierenden Effekten ist nicht Spannung wird der Wandler betrieben. scharf, sondern graduell. Der fokussierende Effekt

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, wird zum Antrieb des überwiegt, wenn das Verhältnis zwischen W und A Wandlers ein Rückkopplungsprinzip verwendet, wobei jedoch auch andere Antriebstechniken, wie bei- ίο ψ spielsweise das direkte Anlegen einer Spannung am i/₁₀ < — < 3 Wandler verwendbar sind. Im Rückkopplungsweg V liegt ein Verstärker 20, welcher anfänglich auf das

Eigenrauschen anspricht und eine Spannung erzeugt, beträgt, d. h., wenn die akustische Wellenlänge gleich welche vom Verstärker auf die eine Hälfte 18' des 15 ein Zehntel bis dreimal der Strahlbreite ist. Wandlers gegeben wird. Diese Spannung wird an der F i g. 2 zeigt ein nichtmoduliertes Laserausgangs-

Wandlerhälfte 18' zwischen einer äußeren Elektrode signal in Abhängigkeit von der Lichtintensität, der 22 und einer geerdeten inneren Elektrode 24 erzeugt, Entladungs-Blitzlampe und der Zeit. In der Anordum die Wandlerhälfte 18' anzutreiben. Die durch die nung nach F i g. 1 wird die Entladungs-Blitzlampe Wandlerhälfte 18' erzeugte akustische Welle wird 20 durch einen Triggerkreis 26 betätigt. Die Lichtintendurch die Wandlerhälfte 18" aufgenommen, wodurch sität der Entladungs-Blitzlampe wächst von Null auf in dieser Hälfte 18" eine Spannung erzeugt wird, einen relativ konstanten Wert und fällt dann auf welche wiederum auf dem Verstärker 20 und über Null zurück, wie aus F i g. 2 zu ersehen ist. Die Entdiesen verstärkt auf die Wandlerhälfte 18' gegeben ladungs-Blitzlampe und ihre zugehörigen Kreise bilwird. Die Abstimmfrequenz der angelegten Spannung 25 den eine an sich bekannte optische Anregungseinist eine Funktion des Wandlers und der Elektronik. richtung und sind daher nicht Teil der vorliegenden Beste Ergebnisse werden erzielt, wenn der Wandler Erfindung. Reicht die Lichtintensität der Entladungsauf oder nahe bei der Eigenfrequenz oder einer har- Blitzlampe aus, um kohärentes Licht zu erzeugen, so monischen, der kombinierten Wandler- und Reso- werden, wie aus F i g. 2 zu ersehen, Ausgangsimpulse nanzfrequenz des optischen Resonators betrieben 30 oder Spikes erzeugt. Sowohl die Amplitude als auch wird. die Frequenz der Laserspikes sind regellos.

Eine weitere Ausführungsform enthält einen ein- F i g. 3 zeigt ein der F i g. 2 entsprechendes Dia-

zigen rohrförmigen oder zylindrischen Wandler mit gramm, welches gilt, wenn der Laser durch die aku-Elektroden am inneren und äußeren Umfang, welche stische Energie vom Wandler 18 mit einer der Lasermit dem stimulierbaren Medium unmittelbar verbun- 35 strahlbreite W vergleichbaren Wellenlänge A ausgeden oder in Kontakt gebracht sind. Eine getrennte tastet wird. Dabei sind die Laserimpulse oder Spikes Spannungsquelle ist an einen Oszillator geführt, wo- in der Amplitude in der Frequenz oder im Abstand bei der Wandler direkt vom Oszillator über die Os- gleich und von viel größerer Amplitude als die Laserzillatorspannung angetrieben wird, welche an die impulse nach F i g. 2. Die Frequenz der Laserimpulse Elektroden angelegt wird. 40 ist eine direkte Funktion der Frequenz der durch den

Die Elektroden 22 und 24 können dünne metal- Wandler erzeugten akustischen Welle, lisch leitende Bauteile, wie beispielsweise Folien oder Die Verbesserung des Wirkungsgrades des aku-

als leitende Schichten aufgebracht sein, welche aus- stischen Schwankungen unterworfenen Lasers ergibt reichen, um die geforderten Spannungen am Wandler sich aus dem Einfangen von außerhalb der Achse zu erzeugen. Wie dargestellt, kann die innere Elek- 45 verlaufenden Strahlen, welche normalerweise für die trode geerdet sein. parallelen Reflektoren des Fabry-Perot-Interfero-

Die Betätigung des Wandlers ruft eine akustische meters verloren sind. Weiterhin ergibt sich eine ReWelle von beispielsweise 900 kHz hervor, deren WeI- duzierung der Verluste durch spontane Emission inlenlänge bei dieser Frequenz gleich dem l,5fachen folge von Oszillationen über die gesamte Linienbreite des Glasstabdurchmessers ist. Diese akustische Welle 50 bei jeder Halbwelle der akustischen Welle, wenn der wird im stimulierbaren Medium 10 fokussiert, wobei Brechungsindex im Zentrum des Lasermediums sein die damit verbundene Dichtevariation im optischen Maximum erreicht.

Rückkopplungsweg eine periodische Schwankung des Um den Effekt von mehreren Wandlern auf einem

Brechungsindexgradienten hervorruft. Damit wird die Laserstab zu bestimmen, wurden drei Sätze von akustische Welle als ß-Schalter verwendet, um das 55 B ariumtitanatwandlern, welche aus zwei rohrförmigen Ausgangssignal des Lasers auszutasten. Die Verwen- Hälften bestehen, mit einem Teststab verbunden. Dadung eines gekrümmten Wandlers zur Fokussierung bei wurde jeweils ein Wandler an den Enden und ein der Ultraschallenergie bildet eine Einrichtung zur Er- dritter im Zentrum befestigt, um die Stellung zu bezielung einer geeigneten Brechungindexänderung in stimmen, welche die größte Wirkung auf die kohäeinem stimulierbaren Festkörper-Medium, da ein An- 60 rente Schwingung ausübt. Es hat sich gezeigt, daß die wachsen des Schalldruckes um einen Faktor von Stellung der Wandler auf dem Laserstab unwesentmehr als 20 im Brennpunkt von gekrümmten Wand- lieh ist. Obwohl die drei Wandler einen wesentlichen lern erzielt werden kann. Da die meisten stimulier- Teil des Anregungslichtes vom stimulierbaren Glasbaren Festkörpermedien zylindrische Stabgestalt be- stab abschirmten, wirken die abgeschirmten Teile des sitzen, eignet sich ein rohrförmig ausgebildeter Wand- 65 Stabes nicht als optische Absorber, da Neodymium ler am besten für diese Anwendung. in einem Glassubstrat ein Vielniveau-Lasersystem bil-

Der resultierende Fokussiereffekt des Laserstrahls det; es wurde keine wesentliche Änderung des Ausdurch die in stimulierbaren Medium eine zeitlich gangssignals beobachtet.

Aus den F i g. 4 bis 7 ergibt sich die Wirkungsweise eines durch fokussierte akustische Wellen modulierten Lasers. Der in F i g. 4 dargestellte Laseraufbau kann als eine unendliche Serie von kolinearen identischen Öffnungen betrachtet werden, welche in parallele, vollkommen absorbierende Wandungen mit gleichem Abstand und von unendlicher Ausdehnung eingeschnitten sind, wie F i g. 5 zeigt. In dieser Figur ist der Reflektordurchmesser mit A und der Abstand zwischen den Reflektoren mit L bezeichnet. F i g. 5 gibt daher ein Übertragungsleitungs-Ersatzbild des Lasers an. Die sich senkrecht zu den Öffnungen ausbreitenden Lichtstrahlen Z verlaufen durch die Anordnung, während die außerhalb der Achse verlaufenden Strahlen Y für das System verloren sind; diese Strahlen werden gegebenenfalls durch die Wände des Laseraufbaus reflektiert.

Einen Laser, welcher von fokussierten akustischen Wellen erzeugten periodischen Brechungsindexschwankungen unterworfen ist, zeigt F i g. 6. Für die Anordnung nach dieser Figur sei angenommen, daß eine halbe akustische Wellenlänge über dem Lasermedium erzeugt wird. Der Lichtstrahl X, welcher sich durch die Maximum-Minimum-Punkte der Brechungsindexschwankungen mit einem Nullgradienten bewegt, durchmißt die Struktur unbeeinflußt. Die Lichtstrahlen Y, welche durch andere Bereiche der Brechungsindexschwankungen verlaufen, werden gekrümmt. Die außerhalb der Achse verlaufenden Strahlen dagegen, welche normalerweise als Verlust anzusehen sind, werden ebenfalls in das Lasermedium hineingebrochen und dort festgehalten.

Im Fabry-Perot-Interferometer ergibt sich eine kontinuierliche Variation in der optischen Weglänge der Lichtstrahlen; dies ergibt sich aus dem nichtsphärischen Profil der Brechungsindexschwankung. Beispielsweise ergeben zylindrisch fokussierte Wellen ein Besselfunktionsprofil nullter Ordnung der Brechungsindexschwankung, während ebene akustische Wellen ein sinusförmiges Profil der Brechungsindexvariation ergeben. Eine derartige kontinuierliche Variation in der optischen Weglänge für die Strahlen zerstört die diskrete Modenstruktur des Resonators und ermöglicht eine Oszillation über die gesamte Linienbreite während der Halbwelle, in der der Brechungsindex ein Maximum im Zentrum des Lasermediums ist. Die Reduzierung der Beugung des »Austretens« des Streuens und der Verluste durch spontane Emission infolge des sammelnden Wellenleitereffektes ergibt eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Laseroszillators.

Während der nächsten Halbwelle der akustischen Welle ist der Brechungsindex im Zentrum des Lasermediums ein Minimum. Daher divergieren die Lichtstrahlen, wie in Fig. 7 gezeigt. Die divergierenden Lichtstrahlen stellen einen Verlust für das System und eine Verminderung der Ausgangsleistung der Anordnung dar. Ist der Verlust größer als der Gewinn des Systems, so wird der Laser abgeschaltet und das Laserausgangssignal daher bei der akustischen Frequenz ausgetastet. Eine derartige Austastung wurde mit einem 53,34 cm langen Glaslaserstab bis zu 1 MHz experimentell demonstriert.

Ersichtlich bildet die Verwendung von Wandlern zum Fokussieren der akustischen Energie eine Einrichtung zum Erzeugen einer geeigneten Brechungsindexänderung im Lasermedium. Da die meisten Festkörpermedien und andere stimulierbare Medien zylindrisch ausgebildet sind, eignen sich rohrförmige oder gekrümmte Wandler am besten für Ultraschallmodulation. Diese periodische Schwankung des Brechungsindex kann als Q-Schalter zum Austasten des Ausgangssignals von Lasern verwendet werden, ohne daß verlustbehaftete Bauteile in den optischen Resonator eingeführt werden müssen.

Es ist anzumerken, daß jedes Verfahren zur Erzeugung von Brechungsindexschwankungen im Laserstab verwendet werden kann. Beispielsweise ist ein zylindrischer Wandler für stimulierbare Medien mit rechteckigem Querschnitt nicht praktisch; es kann daher jeder Wandlertyp, welcher sich zur Erzeugung von geeigneten akustischen Wellen im Lasermedium eignet, verwendet werden. Wie oben ausgeführt, können gemäß der Erfindung auch andere Einrichtungen zur Erzeugung von geeigneten Brechungsindexschwankungen sowohl im Lasermedium oder außerhalb für eine Fokussierung verwendet werden, wenn die Schwankungen nur dem Zusammenhang

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folgen.

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallmodulierter optischer Sender, in dessen stimulierbarem Medium für einen Lichtstrahl Brechungsindexschwankungen mittels Ultraschallwellen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Ultraschallwelle in dem stimulierbaren Medium (10) etwa gleich der Breite des Lichtstrahles gewählt ist.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des stimulierbaren Mediums (10) im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles verläuft.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Modulation des Lichtstrahls ein elektromechanischer Wandler(18) vorgesehen ist und daß eine Fokussierung der Ultraschallwelle in dem stimulierbaren Medium (10) erfolgt.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokussierung der Ultraschallwellen in dem stimulierbaren Medium (10) der elektromechanische Wandler (18) mit dem stimulierbaren Medium (10) physikalisch gekoppelt ist.

5. Optischer Sender nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (18) aus zwei halbzylindrischen Hälften (18'. 18") besteht.

6. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 3 bis 5,' dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem elektromechanischen Wandler (18) und dem stimulierbaren Medium (10) ein akustisch leitendes Medium vorgesehen ist.

7. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeweils über die innere und die äußere Zylinderfläche des elektromechanischen Wandlers (18)

; 7

] eine Flächen-Elektrode (22, 24) erstreckt, die an

! einen Spannungsgenerator (20) angeschlossen ist.

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8. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (18) aus Keramik besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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