DE1614325A1

DE1614325A1 - Einrichtung zur Steuerung des Guetefaktors Q eines Resonators eines optischen Senders fuer kohaerente elektromagnetische Strahlung zum Zwecke der Erzeugung von Riesenimpulsen(Q-Schaltung)

Info

Publication number: DE1614325A1
Application number: DE19671614325
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dieter Pohl
Original assignee: POHL DIPL PHYS DIETER
Current assignee: POHL DIPL PHYS DIETER
Priority date: 1967-01-31
Filing date: 1967-01-31
Publication date: 1970-08-20
Also published as: US3617927A; FR1588184A

Description

16143:

Dipl.-Phys. Dieter Pohl
8 München 25
ütztalerstraße 5b

Einrichtung zur Steuerung des Gütefaktors Q eines Resonators eines optischen Senders für kohärente elektromagnetische Strahlung zum Zwecke der Erzeugung von Riesenimpulsen (Q-Sehaltung)

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des Gütefaktors Q eines auf beiden Seiten durch Reflektoren und auf der einen Seite zuzüglich durch ein Steuerglied abgeschlossenen sowie ein aktives verstärkendes Medium enthaltenden Resonators eines optischen Senders für kohärente elektromagnetische Strahlung zum Zwecke der Erzeugung von Riesenimpulsen (Q-Schaltung).

Blaue TR- Es sind bereits derartige Einrichtungen bekannt, die aus Reihe

Heft71
S.28-33»
Verlag
Hallwag

einem Rubinstab als aktives Medium und je einem beiderseits des Rubinstabes liegenden Spiegel bestehen, wobei

a) zwischen dem einen Spiegel und dem Rubinstab eine Kerr^zelle angeordnet,

b) einer der Spiegel als Drehspiegel ausgebildet und

c) zwischen dem einen Spiegel und dem Rubinstab ein sättigbarer Absorber angeordnet ist.

Die Einrichtungen nach a bzw. b haben den Nachteil, daß umfangreiche und sehr präzis arbeitende Steuereinrichtungen zur Steuerung der Kerrzelle bzw. des Drehspiegels erforderlich sind, damit der Gütefaktor zu einem vorbestimmten Zeitpunkt sehr rasch erhöht wird. Die Einrichtung nach b hat weiterhin den Nachteil, daß die Forderung des raschen Erhöhens schlecht erfüllbar ist* Die Einrichtung nach c ist zwar in ihrem Aufbau wesentlich einfacher. Sie hat aber den Nachteil, daßder sättigbare Absorber frequenzabhängig ist, so daß er nui· für jeweils eine optische Senderfrequenz nutzbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED

PiIr jede Frequenz ist ein anderer Absorber notwendig. Im übrigen stehen nur ganz wenige derartige Absorber zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Einrichtungen zu vermeiden und dabei auch eine möglichst hohe Strahlungsintensität (Riesenimpulse) bei beliebigen optischen Sendern zu erreichen.

Die Erfindung besteht darin, daß auf der einen Seite ein zu einer stimulierten Brillouin-Streuung anregbarer und das Streulicht in das aktive Medium des optischen Senders rückkoppelnder Körper angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich auch durch einen einfachen Aufbau wie die bekannte Einrichtung nach c aus, sie ist aber gegenüber dieser allgemein verwendbar für beliebige Frequenzen sowohl im sichtbaren als auch im unsichtbaren Bereich, da man mit wenigen Substanzen den gesamten für optische Sender infrage kommenden Frequenzbereich überstreichen kann.

Es kann dabei zweckmäßig sein, daß der gering reflektierende Reflektor in Strahlenrichtung gesehen vor dem Körper angeordnet ist.

Eskann aber auch ebenso zweckmäßig sein, daß der gering reflektierende Reflektor in Strahlenrichtung gesehen, nach dem Körper angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Einrichtung nach der Erfindung mit dem gering reflektierenden Reflektor vor dem Körper besteht darin, daß in ansich bekannter V/eise zwischen dem Medium und dem Körper eine Sammellinse so angeord- _j net ist, daß der Brennpunkt innerhalb des Körpers liegt. Die Anordnung der Sammellinse hat bekanntlich den Vorteil, daß die Strahlungsdichte im Brennpunkt innerhalb des Körpers erhöht wird. Dadurch setzt aber auch schon bei. geringerer Einstrahlungsxntensität die stimulierte Brillouin-Streuung ein. Derartige Einrichtungen mit Sammellinsen sind bereits

DAS pn"*"·¹")/ / ι / ·» '

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bei optischen Sendern für stimulierte Strahlung mit ..littein zur Steuerung des Gütefaktors Q des optischen Resonators bekannt. Dabei kann die Sammellinse zwischen dem gering reflektierenden Heflektor und dem Körper angeordnet sein.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung mit dem gering reflektierenden Reflektor nach dem Körper ist es vorteilhaft, daß in an-.sich bekannter Weise zwischen Medium und Körper bzw. zwischen Körper und gering reflektierendem Reflektor je eine Sammellinse angeordnet ist. Auch solche Anordnungen sind durch den obengenannten optischen Sender für stimulierte Strahlung bekannt geworden.

Anstelle des einen gering reflektierenden Reflektors können in weiterer vorteilhafter Weise bei Einrichtungen nach der Erfindung mit dem gering reflektierenden Reflektor nach dem Körper und gegebenenfalls mit zwei Sammellinsen zwei derartige Reflektoren vorgesehen sein.

In vorteilhafter Weise kann bei einer Einrichtung ns cn .der Erfindung mit einem vorzugsweise hochreflektierenden Reflektor auf der anderen Seite einer der gering reflektierenden Reflektoren auch auf der anderen Seite angeordnet sein. Diese beiden Anordnungen haben den weiteren Vorteil, daß durch die Kombination der beiden Reflektoren jeweüs ein neuer zusammengen^trvUr Reflektor mit stark frequenzabhängigem Reflexionsvermögen entsteht. Durch V/ahl des Abstanden der beiden gering reflektierenden Reflektoren bzw. der auf der anderen Seite angeordneten Reflektoren werden im optischen Sender nur noch Frequenzen mit einer Differenz£e*e*teawi erzeugt, -iie gieicn der Lifferenz-i'requenz ist, die bei der Brillouin-Streuung auftritt. Dadurch wird es nxglich, daß bei nocn geringerer Einstrahlungsintensität die stimulierte Brillouin-Streuung einsetzt. Schließlich besteht eine weitere vorteilhafte Einrichtung nach der Erfindung darin, daß zwischen den; Reflektor-uf der anderen Seite und dem Körper ein teildurchli-.soi^er schrägstehender o;iegel angeordnet ist. Da^?nit kann das von der.. Sender abgebetene Nutzlicht den ie·,· eiligen Bedürfnissen οι uinial angebaut -,veraen. Die Einrichtung r:ac:: der Erfindung soll nun an Kaiia aer ritr^raii, die-beii35i-3.'^v.eii?e verschiedene Anordnungen darstellen, erläutert -.ver'der..

BAD ORIGINAL _ _:

C? " "H/ U7 %

Figur 1 'seigt einen optischen Sender, der zwischen einem total reflektierenden Prisma 2 und einem gering reflektierenden Reflektor 3 ein verstärkendes, aktives Medium 1, zum Beispiel einen Rubinstab, enthält. In diesem System kann sich bei geeigneter Anregung des aktiven Mediums 1 eine normale optische Oszillation aufbauen. ])urch den Reflektor 3 verläßt dabei ein paralleler Lichtstrom dieses System, durchsetzt den teildurchlässigen, schräge teilenden Spiegel 9 und wird durch die Linse 7 in den zu stimulierter Brillouin-Streuung (SBS) anregbaren Körper 4- fokussiert. Dieser Körper kann zum Beispiel eine mit optischen Fenstern versehene Küvette, gefüll't mit Schwefelkohlenstoff, sein. Nach Überschreiten einer "bestimmten Einsatzintensität des einfallenden Lichtes, das von dem System 1, 2, 3 ausgesandt wird, bauen sich, ausgehend vom Fokus 8 Hyp^erschallwellen 5 au-, an denen der größte Teil des einfallenden Lichtes in die Einfallsrichtung zurückreflektiert v/ird. Bas zurückreflektierte Licht wird beim Durchlaufen des aktiven Mediums 1 verstärkt, an dem Prisma 2 reflektiert, im Medium 1 abermals verstärkt und läuft in Richtung des ursprünglich einfallenden Lichtes ex'neut in den Körper 4. In dem Körper 4 wird es wiederum reflektiert» Durch diesen Mechanismus erhöht sich die Intensität des Lichtes zwischen dem Prisma 2 und dem Körper ständig, bis die in dem aktiven Medium 1 gespeicherte nutzbare Energie ganz in Licht umgewandelt ist« Dieser Vorgang dauert etwa 2 · 10~⁸s, wcbei der den Sender verlassende Lichtstrom eine Spitzenirtensitat von nehreren hundert Megawatt erreichen kann (Riesenirapuls). Der Lichtstrom 6 verläßt den Sender durch den Körper 4, der auch während der SBS eine verbleibende niedrij/e Transmission besitzt, und in der abgebildeten Anordnung außerdem über den teildurchlässigen, schrägstehenden Spiegel 0.-e--. Durch Veränderung des Reflexionsvermögen dieses Spiegels 9 kanr der Verlauf und die Intensität des Riesenimpulses dem jeweiligen Zweck optimal angepaßt v/erden.

Abbildung 3 zeigt die Intensität eines so erzeugten Riesenirapulses als Funktion der Zeit.

_ 5 —

Abbildung 4 zeigt das Frequenz-Spektrum dieses Riesenimpulses. Es zeigt mehrere Maxima im Frequenzabstand 3»6 GHz, die der bei der SBS in Schwefelkohlenstoff auftretenden Frequenzversohiebung entsprechen. Der gesamte} von dem optischen Sender im Riesenimpulsbetrieb überstrichene Frequenzbereich beträgt hier etwa 18 G-Hz, was ein sehr kleiner Wert ist im Vergleich zu den Werten, die beim Riesenimpulsbetrieb bei den bekannten Anordnungen mit Kerrzelle oder rotierendem Reflektor auftreten.

Abbildung 2 zeigt eine Anordnung, bei der an Stelle eines gering reflektierenden Reflektors 3 vor dem Körper 4 zwei gering reflektierende Reflektoren 3' hinter dem Körper 4 angeordnet sind. Die Kombination der beiden bewirkt, daß der optische Sender nur Licht in Frequenzen emittiert, die eine bestimmte Differenz haben. Diese Differenz wird durch den Abstand der beiden Reflektoren festgelegt und wird vorteilhaft so gewählt, daß die erwähnte Frequenzdifferenz gleich der Frequenzdifferenz ist, die zwischen einfallendem und in Rückwärtsrichtung Brillouingestreutem Licht besteht. In dieser Anordnung ist der Einsatzwert für stimulierte Brillouin-Streuung im Körper 4 besonders niedrig, wodurch sich besonders günstige Betriebsbedingungen ergeben. In einer solchen Anordnung werden bereits vor Erreichen der Einsatz-Intensität für SBS im Körper Hyperschallwellen erzeugt, was die Ausbildung der SBS begünstigt und zu besonders stabilen Betriebsbedingungen.führt.

Bei den Einrichtungen nach der Erfindung zur Erzeugung von Riesenimpulsen mit optischen Sendern regt Licht eines normalen optischen Senders einen Körper 4 zu SBS an, wobei das gestreute Lieht in das aktive Medium zurückreflektiert wird. Die Streuung erfolgt genau in Rückwärtsrichtung, wobei der größte Teil (lfc.90 io) des einfallenden Lichts in reflektiertes Brillouin-Licht umgewandelt wird. Dadurch wird eine Güteerhöhung des Resonators des optischen Senders erzielt und es kommt zum Aufbau eines Riesenimpulses. Zuvor muß die Einfallsintensität den kritischen Einsatzwert für SBS Überschreiten, was bei Verwendung eines hochveretärkenden Mediums 1 und geeigneter Körper 4 durch Fokussierung leicht erreicht werden kann.

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Riesenimpulse können zum Beispiel sowohl mit einem Rubin (0,7 cm Durchmesser χ 15 cm Länge) als auch mit einem Nd-Glasstab (1,4· cm Durchmesser χ 18 cm Länge Schott LG55) erzeugt werden (Abb. 1). Vor dem Medium 1 befindet eich die Sammellinse 7 (f * 5 cm) und ein mit CS« gefüllter Küvettenkörper 4 (Länge 15 cr$. In dieser Anordnung beträgt die Spitzenintensität im Normalbetrieb 15-20 kW, während SBS bei. etwa 10 kW einsetzt. Der Riesenimpuls verläuft nahezu in einer Gauß-Funktion mit^ 100 MW Spitzenintensität und—25 ns volle Halbwertsbreite (Abb. 3). Spektrum, Verlauf und Intensität des Riesenimpulses lassen sich aus den Bilanzgleichungen für die Inversion und für die Photonen in den einzelnen Eigenschwingungen m ermitteln. Dabei wird die Frequenzverschiebung ^kg-ng ^β -2k · v/c zwischen einfallendem und gestreutem Licht durch einen Eigenschwingungskonversions-Term berücksichtigt (k Wellenzahl des Lichtes des optischen Senders, ν Schallgeschwindigkeit, c Lichtgeschwindigkeit). Für GSp und h = 1.06/ura (Ud-Sender) beträgt ~ )

^O.I cm~ ). Diese Verschiebung ist klein gegenüber der Verstärkungslinienbreite und führt zum Aufbau einer Reihe von sich zeitlich überlappenden Einzelimpulsen mit der Wellenzahl-Differenz^ kg™,
Der Photonenfluß berechnet sich zu

p_ffi(t) = const·exp - (t/t_H) 'i^/^^/^t O)

(trt Halbwertsbreite des &esamtimpulses, tg_Bg Konversionsfaktor)

Die Integration von Gl. (1) ergibt eine spektrale Energieverteilung, die experimentell durch Fabry-Perot-Aufnahmen bestätigt werden kann (Figur 4). Abbildung 2 zeigt eine Abwandlung des Versuchsaufbaus nach Abbildung 1. Der Resonator enthält nun einen Resonanzreflektor,bestehend aus zwei niedrig reflektierenden Reflektoren 3¹, welcher Eigenschwingungen mit der WellenzahldifferenzAk_RR erzeugt. Jede Eigenschwingung besteht aus zwei gegenläufigen Wellen. Wie in der Anordnung nach Abb. 1 wird die vom aktiven Medium 1 in die Küvette

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laufende Welle k durch SBS umgewandelt, aber sie verstärkt jetzt eine "bereits vorhandene, entgegenlaufende Welle -(k_o-Äkg_BS), fallsÄ,k_fiR "Akggg erfüllt ist. Der konvertierte Strahl baut sich also nicht₉ wie in Abb. 1, aus dem Rauschen der/ normalen Brillouin-Streuung auf. Bas Ergebnis ist eine bessere i^uzierbarkeit und ein verringerter Solwellwert. Experimentell läßt sieh bestätigen: Riesenimpulse lassen sioh nur dann erzeugen, wenn die Reflektoren 5* ^au^^^sES abgestimmt sind· Die maximale Abweichung, bei dar Riesen=· impulse auftreten, entspricht ungefähr der PhonosienXinienteeite (CSg 8 » 2 · ICT* om £5j)« Prinzipiell kann man auf diese Weise Phononenlebensdauern bestimmen, denn das rüoklaiifende Lieht wird nur verstärkt, wenn die erzwungene, (photo«)elaetisohe Welle.mit der freien Welle ständig in Phase 1st.

xio InShBU ist» einfach, leicht justierbar und als CJüt a schalter für optische Hochleistungssendsr in einem weiter* Fraqmesisfeereioh geeignet. Besonders wichtig ist die Anwendbarkeit in Infs?arot©B_s da in aieseiu Bereich die sonst so praktischen eittigbarsn farbstoff© gismoist intiabil sind« Bas Spektrum der SBS-Rieseriiapulss Isestsht stets -my.s ren Frequenzen; der gröS-te Teil der Intensität ist auf g©_s benachbarte Fe¹Squensen kontentrisrt (vsrgl. Abb= 4}«

Als Stand der Technik wurde noch beriioksichtigts

*», Si» Blo@mberg@n» P. Iss,ll©iaand₉ Phya. Quant »Electronics S. 137» McSraw-Hill Book Comp.Inc._s S₀Y₀1966? dort finden sich ausführliche Mteräturangafeen sur SBS«

2_O G.ß.Bret, M.M. Benaries₉ Appl.Shvs.letters 8 (1966) 15t§ M.Maier, W.Rother, W.Kaiser, Physics Letters 25 (1966)83.

. Pleury, siehe Ref»1_s S₀241_o

31.1.1967

BAD 009834/1474»

Claims

Dipl.-Phys. .Dieter Pohl

München 25 Q

Ötztalerstraße 5b

Patentanspruch e

1. Einrichtung zur Steuerung des Gütefaktors Q eines auf beiden Seiten durch Reflektoren und auf der einen Seite zusätzlich durch ein Steuerglied abgeschlossenen sowie ein aktives verstärkendes Medium enthaltenden Resonators eines optischen Senders für kohärente elektromagnetische Strahlung zum Zwecke der Erzeugung von Riesenimpulsen (Q-Schaltung),

da.durch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite, vorzugsweise mit dem gering reflektierenden Reflektor,das Steuerglied als ein zu einer stimulierten Brillouin-Streuung anregbarer und ans Streulicht in das aktive Mediiim (1) des optischen Senders rückkoppelnder Körper (4) ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der gering reflektierende Reflektor (3) in Strahlenrichtung· gesehen vor dem Körper (4) angeordnet ist (Abb. 1).

3. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch' gekennzeichnet, daß der gering reflektierende Reflektor (3¹) in Strahlenrichtung gesehen nach dem Körper (4) angeordnet ist (Abb. 2)

4. Einrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen dem Medium (i) und dem Körper (4) eine Sammellinse (7) so angeordnet ist, daß der Brennpunkt (8) innerhalb des Körpers (4) ^liegt· .

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_ 2 —

5. Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse" (7) zwischen dem gering reflektierenden Reflektor (5) und dem Körper (4) angeordnet ist»

6. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß in an sich "bekannter Weise zwisohen Medium (1) und Körper (4) "bzw. !zwischen Körper (4) und gering reflektierendem Reflektor (3<) je eine Sammellinse (7) bzw. (7¹) angeordnet ist. ■

7» Einrichtung nach Anspruch 3 oder 6,'

dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des einen gering reflektierenden Reflektors zwei derartige Reflektoren (3¹)'vorgesehen sind (Abb. 2).

8. Einrichtung nach Anspruch 7 mit einem vorzugsweise hochreflektierenden Reflektor auf der anderen Seite,

dadurch gekennzeichnet, daß einer der gering reflektierenden Reflektoren (3¹) auch auf der anderen Seite angeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Reflektor (2) auf der anderen Seite und dem Körper (4) ein teildurchlässiger schrägstehender Spiegel (9) angeordnet ist.

31.1.1967

©09834 /1474

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