DE1614555C3 - Anordnung zur Amplitudenmodulation von kohärentem Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Amplitudenmodulation von kohärentem Licht mit zwei optischen Resonatoren, von denen der erste als optischer Sender ausgebildet ist und das von einer Energiequelle angeregte stimulierbare Medium enthält und der zweite optische Resonator einen Laufzeitspeicher darstellt, innerhalb dessen die vom Modulationssignal steuerbare Modulationszelle angeordnet ist, die wenigstens den vom zu modulierenden Licht im zweiten Resonator eingenommenen Querschnitt als Apertur aufweist.

Ein solcher Lichtmodulator ist durch die Literatursteile Proceedings of the IRE, Band 50, Nr. 7, Juli 1962, Seiten 1686 und 1687, bekannt, bei dem der zweite Resonator von den verspiegelten Stirnflächen eines ADP-Kristalls gebildet wird. Hierbei ist der eine Spiegel, der zugleich Teil des das Lasermedium enthaltenden ersten Resonators ist, nur teilweise reflektierend ausgebildet, d. h., daß beide Resonatoren stark miteinander verkoppelt sind.

Im Unterschied zu einem Laser mit innerer Modulation, bei dem innerhalb des einzigen Resonators in axialer Erstreckung hintereinander das stimulierbare Medium und die Modulalionszelle angeordnet sind, können bei der bekannten Doppelresonatorausführung die bei einer solchen internen Modulation auftretenden hohen Resonatorverluste des optischen Senders herabgesetzt werden. Dieser Herabsetzung der Verluste sind jedoch im Hinblick auf die starke Verkopplung beider Resonatoren enge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus hat diese spezielle Ausführungsform den Nachteil, daß neben der eigentlichen gewünschten Amplitudenmodulation zusätzlich noch eine Frequenzmodulation der stimulierten Strahlung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung zur Amplitudenmodulation der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die bei relativ kleiner elektrischer Modulationsgröße, wie sie bei Anwendung der inneren Modulation grundsätzlich gegeben ist, die Verluste des das stimulierbare Medium enthaltenden ersten Resonators auf einen vernachlässigbaren Wert herabsetzt und darüber hinaus eine reine Amplitudenmodulation der stimulierten Strahlung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden optischen Resonatoren weitgehend entkoppelt sind und die Modulationszelle innerhalb des zweiten Resonators durch eine Modulationsweiche gleicher Apertur ergänzt ist, die zugleich die Auskoppelvorrichtung für das modulierte Licht darstellt.

Bei der Erfindung wird von einer Variante der durch die Literaturstelle Journal of Applied Physics, Vol.35, Nr. 10, Oktober 1964, Seiten 2870 bis 2876, insbesondere Seite 2875. Fig. 2, angegebenen Auskoppelmodulation in der Weise Gebrauch gemacht, daß innerhalb des zweiten Resonators die Modulationszelle und die Polarisationsweiche angeordnet werden, wodurch eine weitgehende Entkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Resonator ermöglicht wird. Diese weitgehende Entkopplung bedeutet eine entsprechende Herabsetzung der Verluste des ersten Resonators durch die Modulationszelle in Verbindung mit der Polarisationsweiche, ohne daß hierdurch der Wirkungsgrad der Modulationszelle herabgesetzt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zur rückwirkungsfreien Einkopplung des kohärenten Lichtes des optischen Senders aus dem ersten optischen Resonator in den zweiten optischen Resonator zwischen beiden optischen Resonatoren ein optisches Ventil angeordnet.

Zweckmäßig ist die Modulationszelle ein elektrooptischer Kristall, beispielsweise eine Kerrzelle oder ein optischer Faradaydreher, und die Modulationsweiche ein Polarisator, beispielsweise ein Nicoisches Doppelprisma.

Im Hinblick auf die gute Entkopplung zwischen beiden Resonatoren kann zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Modulationszelle der sie darstellende elektrooptische Kristall mit transversalem Feld verwendet sein, der hierfür ein großes Verhältnis zur Stirnfläche zu Dicke aufweist.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
F i g. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 wie auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen ist die Lichtquelle ein Laser, bei dem innerhalb eines aus ebenen Spiegeln 1 und 1' begrenzten optischen Resonators ein von einer Anregungsenergie P angeregtes stimulierbares Medium 2 in Stabform angeordnet ist. Zur Erhö-

hung der linearen Polarisation des Laserstrahls L sind die Stirnflächen des stabförmigen stimulierbaren Mediums 2 unter dem sogenannten »Brewsterwinkel« angeschnitten.

Der eigentliche Modulator, der bei der Anordnung nach der F i g. 1 wie auch bei den übrigen Anordnungen dem Laser nachgeschaltet ist, besteht aus einem optischen Resonator mit den ebenen Relektoren 3 und 3', in dem der die Modulationszelle darstellende elektrooptische Kristall 4 mit den Steuerelektroden 5 und 5' und die aus einem Nicoischen Doppelprisma bestehende Modulationsweiche 6 angeordnet sind. Mit einer Kerrzelle als elektrooptischem Kristall 4 wird zur Modulation des Laserlichtes der zwar höhere Verlust in Kauf genommen, aber dafür der einfachere und wirkungsvollere transversale Effekt ausgenutzt. Die Wirksamkeit dieses transversalen Effektes wird noch dadurch gefördert, daß dem Kristall 4 ein großes Verhältnis von Stirnfläche zu Dicke gegeben ist.

Der stark gebündelte Laserstrahl L wird in den den Laufzeitspeicher darstellenden optischen Resonator unter einem gegen die Ebene der Reflektoren 3 und 3' leicht von 90° abweichenden Winkel eingekoppelt. Er läuft dann unter mehrmaliger Reflexion an beiden Reflektoren 3 und 3' von oben nach unten durch den Laufzeitspeicher hindurch und durchsetzt dabei entsprechend oft den Kristall 4 und die Modulationsweiche 6. Der Energiefluß des Laserstrahls wird so mit anderen Worten hinsichtlich der Wirksamkeit des elektrooptischen Kristalls 4 um die Anzahl seiner im optischen Resonator auftretenden Reflexionen erhöht. Die nach jeder Reflexion des Laserstrahls L am Reflektor 3' in der Modulationsweiche 6 senkrecht nach unten aus dem Laufzeitspeicher heraus abgelenkten Komponenten mit einer zur Polarisationsebene des Laserstrahls L senkrechten Polarisation sind in der F i g. 1 mit L 1 bis LS bezeichnet. Sie weisen einen gegenseitigen Phasenunterschied auf, der durch die für die einzelnen Komponenten unterschiedliche Laufzeit des Laserstrahls im Laufzeitspeicher gegeben ist. Sofern die Frequenz der an den Elektroden 5 und 5' des Kristalls 4 anstehenden Modulationsgröße so klein ist, daß hierfür der gegenseitige Phasengangunterschied der Komponenten LX bis L 5 vernachlässigbar ist, so können diese Komponenten unmittelbar zum Modulatorausgangssignal zusammengefaßt werden. Andernfalls muß eine den Phasengangunterschied zwischen den einzelnen Komponenten ausgleichende Laufzeitanordnung vorgesehen werden. Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 besteht diese Laufzeitanordnung aus den den einzelnen Komponenten L 1 bis L 5 zugeordneten optischen Verzögerungsleitungen V2 bis V5, deren Laufzeiten zueinander im Verhältnis ganzer Zahlen stehen. Die Komponente L 1 dient den weiteren Komponenten L 2 bis L 5 als Bezugsschwingung und benötigt daher selbst keine Verzögerungsleitung.

Das Ausführungsbeispiel nach der F i g. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 im wesentlichen dadurch, daß hier der Laserresonator und der den Laufzeitspeicher darstellende optische Resonator zu einem miteinander gekoppelten Resonatorsystem vereinigt sind. Hierbei wird die Funktion des Reflektors 3 nach der F i g. 1 vom Reflektor Γ des Laserresonators mit übernommen.

Eine verlustlose Einkopplung der Energie des Laserstrahls L' in den den Laufzeitspeicher darstellenden Resonator des Modulators ist nur möglich, wenn beide Resonatoren auf analoge Moden abgestimmt sind. Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 2 wird diese Abstimmung dadurch wesentlich vereinfacht, daß sich durch die Kopplung beider optischer Resonatoren

ίο automatisch nur solche Moden ausbilden können, die den Grenzbedingungen beider Resonatoren genügen. Darüber hinaus hat die Kopplung der beiden Resonatoren den Vorteil, daß sie zugleich im Sinne einer höchst erwünschten axialen Modenselektion des Laserresonators zur Auswirkung kommt. Die Anordnung nach der F i g. 2 unterscheidet sich von der Anordnung nach der F i g. 1 auch noch dadurch, daß hier von einer scharfen Bündelung des Laserstrahls L' abgesehen wird, d. h. der Laserstrahl praktisch den ganzen Querschnitt der

20· Modulationsweiche 6 und des elektrooptischen Kristalls 4 ausfüllt. Die aus dem Modulator über die Modulationsweiche 6 ausgelenkten Komponenten Li lassen sich hier hinsichtlich ihres gegenseitigen Phasengangunterschiedes natürlich nicht mehr ausgleichen. Dies ist aber, wie oben bereits angeführt wurde, nicht erforderlich, wenn die Bandbreite des zu modulierenden Signals nicht allzu groß gewählt wird. Der Prozeß beschränkt außerdem die erzielbare Bandbreite dann nicht wesentlich, wenn die bei einem Durchlauf ausgekoppelte Energie klein gegen die im Resonator gespeicherte ist.

Wie einschlägige der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, ist es bei gekoppelten Resonatoranordnungen auch vorteilhaft, wenn der beiden optischen Resonatoren gemeinsame Reflektor 1' hinsichtlich seines Reflexionsfaktors von in der Regel 99% etwas vermindert wird. Dadurch lassen sich nämlich die Absorptionsverluste dieses Reflektors stark verringern. Es ist jedoch sinnvoll, die Reflexion dieses Reflektors noch so groß zu lassen, daß der das stimulierbare Medium enthaltende Teilresonator für sich schwingungsfähig bleibt.

Das Ausführungsbeispiel nach der F i g. 3 entspricht seinem Aufbau dem der F i g. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß hier als Modulationszelle an Stelle eines elektrooptischen Kristalls 4 in Verbindung mit einem die Modulationsweiche darstellenden Polarisator eine Ultraschallzelle 7 verwendet wird, bei der die Funktion der Modulationsweiche von den Reflektoren Γ und 3' in Verbindung mit einem verspiegelten Prisma 8 ausgeübt wird. Die Ultraschallzelle 7 wird von der mit M bezeichneten, das Modulationssignal erzeugenden Quelle erregt. Der durch die Zelle hindurchtretende Laserstrahl wird dabei an der in der Ultraschallzelle erzeugten stehenden Welle wie an einem Gitter teilweise gebeugt. Diese Beugung erfolgt bei jedem Durchlauf des aus den Reflektoren 1' und 3' gebildeten, den Laufzeitspeicher darstellenden Resonators. Die gebeugten Anteile Liί und L/2 treten nach ihrer Reflexion an den Reflektoren Γ und 3' und den verspiegelten Seitenflächen des Prismas 8 senkrecht zur Resonatorachse aus dem Resonator aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:'

1. Anordnung zur Amplitudenmodulation von kohärentem Licht mit zwei optischen Resonatoren, von denen der erste als optischer Sender ausgebildet ist und das von einer Energiequelle angeregte stimulierbare Medium enthält und der zweite optische Resonator einen Laufzeitspeicher darstellt, innerhalb dessen die vom Modulationssignal steuerbare Modulationszelle angeordnet ist, die wenigstens den vom zu modulierenden Licht im zweiten Resonator eingenommenen Querschnitt als Apertur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optischen Resonatoren (1, 1'; 3, 3') weitgehend entkoppelt sind und die Modulationszelle (4) innerhalb des zweiten Resonators (3, 3'; 1, 3') durch eine Modulationsweiche (6, 8) gleicher Apertur ergänzt ist, die zugleich die Auskoppelvorrichtung für das modulierte Licht darstellt. · ·

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur rückwirkungsfreien Einkopplung des kohärenten Lichtes des optischen Senders aus dem ersten optischen Resonator (1, Γ) in den zweiten optischen Resonator (3, 3'; I₁ 3') zwischen beiden optischen Resonatoren ein optisches Ventil angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationszelle ein elektrooptischer Kristall (4), beispielsweise eine Kerrzelle oder ein optischer Faradaydreher, und die Modulationsweiche (6) ein Polarisator, beispielsweise ein Nicoisches Doppelprisma, ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Kristall (4) mit transversalem Feld verwendet ist und hierfür ein großes Verhältnis von Stirnfläche zu Dicke aufweist.