DE1589740A1 - Strahlungsverstaerker - Google Patents

Strahlungsverstaerker

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DE1589740A1 DE19671589740 DE1589740A DE1589740A1 DE 1589740 A1 DE1589740 A1 DE 1589740A1 DE 19671589740 DE19671589740 DE 19671589740 DE 1589740 A DE1589740 A DE 1589740A DE 1589740 A1 DE1589740 A1 DE 1589740A1
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Description

EItro GmbH & Co
Gesellschaft für Strahlunpstechnik Heidelberg, Schloßwolf sbrunnenwe» .?3- 3 5
"Strahlungsverstärker"
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsverstärker, dessen Grundlage
die Inversion diskreter Ener^ieniveaus eines optischen Materials und stimulierte Emission ist·
Die der Erfindung; zugrunde liegende Aufgabe besteht insbesondere in der Schaffung eines speziellen Strahlun^sverstärkers, der u. a. *ura Empfang monochromatischer Strahlung verwendet werden kann und gegenüber breitbandigen Photonen-Detektoren wesentlich empfindlicher ist. Außerdem soll sich der Strahlungeverstärker zur Darstellung eine « Bilde« eignen.
T)' -ς Aufgabe ist erfindumcsfeeÄß dadurch gelSst, daß der Strahlung« verstärker aus einer großen Anzahl von Blasetverstärkern aufgebaut ist, von denen leder nach Art einer Lichtleitfaser ("Fiber") ausge bildet ist, die in an eich bekannter Weise aus eine» geeigneten aelektiv-fluoreszenten Material besteht und außen mit einem Mantel umgeben ist, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechung*-' Index des selektiv-fluoreszenten Materials, und daß die optisch aktiven Lichtleitfasern in dieser Anordnung gemeinsam optisch werden.
Ba hat sich gezeigt, daß ein nach der Erfindung ausgebildeter StrahlunfjsverstÄrker mit ffroßem Vorteil sowohl als Oszillator zur
003810/U6A ,
BAD ORiGiKAt L '
Aussendunß kohΛrenter elektromagnetischer Strahlung ale auch selektiver Verstärker fUr den Empfang derartiger Strahlung werden kann.
Haw Prinzip den Fa*orver«tJlrlr*rs soll zun.'irhet an Hand »1«r «chema-' tischen Dorntetlunir »remyß Kljyur 1 nilher orlAutert worden.
In l'ltfur I ist ein I.nnKnechni tt durch *» i non oin/.rtlnen nrt ^ ich be kannten Faser- Vernt.'lrker d«r'»«nt«il 11, (rtinho Aj>j)l ioi!-Opti<5n/Vol. 3iNo. 10/Ontober 1964, Seiten UK2-H35).
Er enthfltt in dar MLtto da« aelektJ v-f ltioresrente Material. 1, das in vorli etTonrtnn Πβ I spiel aus Neodym- OI as besteht und das zu einer dünnen Faser vom Durchmesser d verarbeitet Ist. Dieser Durchmesser d lie.?t in der Größenordnunc der Wellenlitn'ie der zu verstärkenden Strahlung.
Da der Faser-Verstarker gleichzeitig ein Lichtleiter sein soll, ist das selektiv-fluorosxente Material 1 mit einem Mantel 2 umhOllt, dessen Brechungsindex n2 kleiner ist als der Brechungsindex ov>d·« Veodym-Glases- An den Grenzflachen zwischen dem selektiv-fluoreszenten Material 1 und dem Mantel 2 tritt Totalreflexion auf. Wenn
n2 der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, so gilt sin PC =· .....
Ist B die Intensität der in den Faserverstärker eintretenden, E, dieieni^e der austretenden Strahlung, so ergibt sich der Verstärkungsfaktor zu:
E0 BAD
Tm Folgenden wird der Erfindun?ege?enstand weiterhin für den Fall erläutert, daß dor Strahlun«?sverstärker nach eine« weiteren Merkmal der Brfindumg ohne optieehe Rückkopplung betrieben wird.
Tn diesem Fall eind Vorkehrungen rcetroffen, die eine optische Kopplung zwischen Eingang und Aus^an^ der Lichtleitfaser verhindern« so daß er nicht als Oszillator wirkt.
ErzCUiTt man nun durch optisches Pumpen eine Inversion des selektivfluoreszenten Materials in der Lichtleitfaser, «o arbeitet diese als Verstärker für die Strahlung einer diskreten Vellenlänfre. WIhIt «an N*ody«-Glae ala selektiv-fluoreszentes Material, so erhalt «an eine Strahlunijeverstärkunij bei der Wellenlänge ,A. = 1,06 *»«.
Durch die erfindun^efremäßo VereIniirunt einer <?eeiirnet rroßon Ansahl von Lichtleitfasern zu einem Faserbündel kann ein erfindun^sifenÄßer StrahlunifsverstÄrker geschaffen werden, der die lesamte in diese« eintretende Strahlung verstärkt und gleichzeitig an einen beliebigen Ort weiterleitet. Dieser Strahlun'jsverstärker ist vorzüglich als selektiver Verstärker für den E«pfanir «onochromatischer Strahlung sowie tür Dilddarstellun/t verwendbar.
Die aus ihm austretende verstärkte Strahlung kann mit Hilfe eines breitbandiffen Photonen-Detektors, der in dem betreffenden Spektralbereich empfindlich ist, engezeifirt werden, wobei die aus ledern Verstärkerelement austretende Strahlune einem Bildpunkt im Bildfeld a« Verstärkereingamr zugeordnet werden kann.
Da die Verstärkung eine Funktion des seitlichen Verlaufe der Pu«pener^ie ist, kann der erfindun^sgeelße Strahlungsverstärker auch
009810/U64
als seitlich getasteter Verstarker betrieben und auf einfache Art im Impulsbetrieb eingesetzt werden.
Ein Ausfuhrungebeispiel eines Strahlungsverstärkers nach der Erfindung ist in den Figuren 2a und 2b gezeigt.
Tn der Fipur 2a ist er im Längsschnitt, in Figur 2b im Querschnitt dargestellt.
Die Anordnung besteht au« einer Gasentladungslampe 10· einem Bündel aus einer großen Anzahl von Lichtleitfasern 11, die zueinander parallel verlaufend - ringförmig die itasentladungslampe 10 umgeben, und einem um die Lichtleitfasern 11 herumliegenden zylindrischen Reflektor 12. Dei den Lichtleitfasern ti handelt es sich beispielsweise um Neodym-Glasfasern, wie sie bereits weiter oben erläutert wurden. Xn der Praxis werden etwa 100 - 1000 solcher Lichtleitfasern zu einem die Gasentladungslampe umgebenden Bündel vereinigt.
Ein Anwendungsb·!spiel für einen al« selektiver Verstarker verwendeten Strahlungeverstärker nach der Erfindung vird an Hand der FLßur 3 besprochen. Es handelt sich hierbei um die Anwendung ftir Nachtsichtgeräte. Das Ob iektfeld wird aüt Hilfe eines Neodym»
Lasersenders 3 kohärent bestrahlt. Die von einem Obiekt 4 zurückgeworfene Strahlung gelangt durch ein Objektiv 5 und ein Spektralfilter 6 zu eine« Faser-Verstärker 7, der gemäß FIr- 2a ausgebildet ist. Mit Hi^fe eines mit dem Faser-Verstärker 7 gekoppelten IR-Bildwandlers 8 wird die zurückgeworfene verstärkte Obiektstrahlung zur elektronesoptisehen Bilderzeugung nutzbar gemacht. Da· auf de« Leuchtschirm des IR-BiIdwanc lere B sichtbar werdende Elektrona-nblld kann durch eine Lupe 9 betrachtet werden. nn/~';-4At
bad υ""'·-" 009810/U64 ' _s_
Besondere Vorteile eines derartigen Systems zur Nachtbeobachtung mit BiIdverstärkung liegen vor allem in der erzielbaren hohen Empfindlichkeit, in der sehr großen Reichweite und der Tatsache, daß die erforderliche Sendeleistung relativ klein sein kann. Außerdem sind größere objektseitige Gesichtsfeldwinkel möglich.
Eine weitere günstige Anwendungemöglichkeit ergibt sich fUr optische Abtastsystem« großer Empfindlichkeit.
Hierfür wird der in Figur 3 gezeisjte TR-Bildwandler 8 durch einen Photomultiplier mit nachfolgendem elektronischem Speicher ersetzt. Das Objekt wird mit Hilfe eines Sendestrahle kleiner Strahldivergenz punktförmig abgetastet. Die vom Objekt zurückgeworfene Strahlung wird durch einen"Faser-Verstärker zum Photomultiplier geleitet.
Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Strahlungsverstärker für zeitlich getastete Nachtsichtgeräte ("gated viewing") bestens geeignet. Dazu wird ein gepulster Laser-Sender mit einem empfangeseitigen Strahlunftsverstärker entsprechend der in FJ ffur 3 gezeigten Anordnung kombiniert.
Der Laser-Sender emittiert kurze Impulse mit Impulsbreiten von etwa 10 - 100 nsec. Die Empfindlichkeit des Strahlungsverstärkere wird dann al« Punktion der Zeit variiert. Dies wird durch eine zeitliche Korrelation zwischen dem Sendeimpuls und dem Pumpimpule des Strahlungeveretärkers realisiert.
Die Vorteile eines derartigen zeitlich getasteten Nachtsichtgerätes für kohärente Strahlung äußern sich neben sehr guter Kontraetauf-10sung, Auftreten nur minimaler Störungen durch Streuung der
Q0981Q/U64 „,«,n^ciNAL -6-
Atmosphäre und gleichzeitiger Möglichkeit der Entfernungsmessung, vor allem in optimaler Empfindlichkeit des Empfangssystems und sehr hoher Reichweite.
Zu den bisher geschilderten Anwendun'jsbeispielen für den erfindungegemäüen Strahlungsveratärker, in denen er als selektiver Verstärker für den Empfang monochromatischer Strahlung verwendet wird, kann noch ein weiteres hinzugefügt werden, n.imlic.h die Anwendung des Strahlungsverstärkers als Empfänger für Laser-Entfernungsmesser. Auch hier ergeben sich Vorteile, wie z.B.. größere Reichweite und höhere Empfangsempfindlichkeit.
Gemäß weiterer Auslestaltung der Erfindung ist es nun möglich, daß der erfindun^sgemäße Strahlungsverstärker mit zusätzlicher optischer Rückkopplung als Oszillator betrieben wird.
Ein derartiger optischer Sender, bestehend aus einer Vielzahl von Veretärkerelementen, besitzt gegenüber bekannten Festkörperlasern insbesondere folgende Vorzüge:
hoher Pumpwirkungegrad, gttnetige Kühlungsraöglichkeiten, homogenere Energieverteilung im Sendestrahl und daraus resultierend höhere
' Energiedichte der ausgesendeten Strahlung.
Ee bietet eich schließlich noch die Möglichkeit an, zwei derartig« Anordnungen hintereinander au schalten, wobei die «ine als Oszillator die andere als Verstarker für die vom Oszillator ausgesandte ι Strahlung betrieben wird.
j Solche Anordnungen sind zur Erzeugung von Riescnimpulsen im Gigawatt- : bereich
S Vs ^1Q / 1 U 6 A - PatentaneprOche ~

Claims (6)

1. ttrfchlungevatrstttrker mit* der (J rund I a ι;«* der Invention d l nUi Knerßieniveaus eines optischen Materials mtil *timullerter Emission, gekennzeichnet durch eine bunde I t'fti'm lire \'«roi ni ji einer groOsn Anzahl von optisch aktiven Lichtlei LfaHern, die in an sich bekannter Weise innen aus einem selektiv-fluoreazenten Material bestehen und außen jeweils mit einem Mantel umgeben sind, dessen Brechungsindex kleiner int als der Urechunr.'iindex don selektiv-fluoreszenten Materials» Weiter gekennzeichnet dadurch, daß die optisch aktiven Lichtleitfasern in dieser Anordnung gemeinsam optisch gepufwäic werden.
2. StrahluncsrerstSrker nach Anspruch I1 dadurch Tekennzeiclinet, dafi er ohne optische Rückkopplung betrieben wird.
3· StrahlungsverstÄrker nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeich-' net, dafi er als selektiver Verstarker für den Empfang monochromatischer Strahlung verwendet wird.
4· Strahlungsverstlrker nach Anspruch 3ι dadurch gekennzeichnet, dafi er »ur Bilderzeugung verwendet wird.
5· Strahlungsverstftrker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit zusätzlicher optischer Rückkopplung als Oszillator betrieben wird.
6. Str«hlungsr«rstlrk«r nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, da£ er «it «Ines Strahlungsverstärker nach Anspruch 2 kombiniert ist und in dieser Anordnung sur Erzeugung von Riesenimpulsen dient.
0 C 9 8 i 0 / 1 «; 6 4 b, .u Oi-V^NAU " 2 "
7· Strahlung·veretIrker nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als eelektiv-fluoreezentee Material Neodya-Glae verwendet wird
3. Strahlungarerstärker nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit eine« IR-Dildwandler konbinierbar ist.
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