DE1614648C3 - Optischer Sender - Google Patents

Description

Senders ein mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG: Nd³⁺), dann kann der nichtlineare Frequenzwandler in vorteilhafter Weise ein Körper aus Lithium-Nioabt (NiNbO₃) sein. In diesem Falle beträgt die Wellenlänge der im stimulierbaren Medium erzeugten kohärenten Strahlung 1,06 μΐη, die beim Durchgang durch den Lithium-Niobat-Körper in eine Wellenlänge von 0,503 ,um umgewandelt wird. Die Frequenzwandlung ist mit einem Energieverlust behaftet, der mit wachsender Energie der dem nichtlinearen Frequenzwandler zugeführten Strahlung zunimmt, so daß auch eine solche Anordnung im Sinne einer Gegenkopplung stabilisierend auf die Amplitude der Ausgangsstrahlung einwirkt.

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 eine schematische Darstellung eines optisehen Senders nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Energieniveauschema für ein Absorptionsfilter,

F i g. 3 ein weiteres Energieniveauschema für ein Absorptionsfilter,

F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen optischen Sender nach der Erfindung.

Der optische Sender nach der F i g. 1 weist ein stimulierbares Medium M auf, das in Reihe mit zwei Absorptionsfiltern A₁ und A₂ in der optischen Achse eines von zwei planparallelen Spiegeln S₁ und S₁, begrenzten optischen Resonators angeordnet ist. Der Spiegel S₁ ist voll reflektierend, während der Spiegel S₂ in geringem Maße zur Auskopplung der Laserstrahlung teildurchlässig ausgebildet ist. Das Absorptionsfilter A₁ ist ein nichtlinear absorbierender Stoff, der wenigstens im spektralen Bereich der induzierten Emission für eine mit wachsender Energiedichte der Strahlung zunehmende Absorption bemessen ist. Das Absorptionsfilter A₁, ist gemäß der Erfindung ein bei der Wellenlänge der Strahlung selektiv sättigbarer absorbierender Stoff, dessen Sättigungserscheinungen mit zunehmender Energie der Strahlung vom Absorptionsfilter A _x überkompensiert werden.

Die Eigenschaften des Absorptionsfilters A₁ lassen sich in besonders einfacher Weise mit einem Stoff erreichen, dessen Energieniveauschema dem im Diagramm der F i g. 2 gezeigten entspricht. Das Energieniveauschema nach der F i g. 2 sieht drei Energieniveaus E₁, E₁, und E₃ vor, von denen das Energieniveau E₁ das Grundniveau darstellt. Der Abstand zwischen dem Energieniveau E₁ und dem Energieniveau E₉ einerseits und dem Energieniveau E₉ und dem Energieniveau E₃ andererseits ist in beiden Fällen gleich und hat den Wert h ■ v, worin A das Plancksche Wirkungsquantum und ν die dem Abstand entsprechende Frequenz ist. Ein Stoff dieser Art ist beispielsweise Kohlendioxydgas (CO₉), das bekanntlich eine Vielzahl von Rotationsschwingungstherme mit Frequenzabständen um 10 ,um aufweist. Besonders günstig gestalten sich die nichtlinearen Absorptionseigenschaften dann, wenn der hinsichtlich seiner beiden Übergänge näherungsweise gleiche Frequenzabstände aufweisende Stoff zusätzlich einen unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt, vorzugsweise einen stark unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt, hat. Dieser Zusammenhang läßt sich an Hand der folgenden Überlegungen rasch übersehen.

Ohne Strahlung gilt für die Besetzungszahlen N₁, N₂ und N₃ für die drei Energieniveaus JE₁, E_n und E₃

N₁ = N^N₂ = N₃ = O.
Für den Wirkungsquerschnitt sei angenommen

σ₂₁ < a₃.₂ (z. B. ö._i2 = 10² ■ σ₂₁)
Damit berechnet sich der Absorptionskoeffizient

= o_ä

_äl

- AQ

- N₃)

Bei niedriger Strahlungsleistung ist

und es gilt für den Absorptionskoeffizienten α 1 bei niedriger Strahlungsleistung

^{= σ}21

^σ32

O₂₁-N₀

,In Übereinstimmung mit einem unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt soll bei hoher Strahlieistung der Übergang E₂-E₁ in Sättigung gehen, was N₂ = N₁ bedeutet.

Hinsichtlich des Überganges E₁, -^- E₃ sollen dagegen die Relaxationseigenschaften keine Sättigung zulassen, was N₃ <^ N₂ bedeutet.

Für den Absorptionskoeffizienten α 2 bei hoher Strahlleistung gilt dann

\2 = σ₃₂ · N₂

N₀

Es ergibt sich damit für den Absorptionskoeffizienten α 2 bei hoher Strahlung der 50fache Wert des Absorptionskoeffizienten α 1 bei kleiner Stahlleistung. Der Absorptionskoeffizient steigt also mit wachsender Energiedichte. Der dafür verantwortliche nichtlineare Prozeß ist die Sättigung im Übergang E₂-^E₁.

Ähnliche Verhältnisse lassen sich in vielen Atomsystemen mit mehr als zwei Energieniveaus realisieren. Besonders eignen sich dabei solche Stoffe, bei denen die Frequenzabstände wenigstens zweier Übergänge bzw. zweier Energieniveaupaare zur Frequenz der induzierten Emission in einem Verhältnis ganzer Zahlen stehen. Ein einfaches Energieni'veauschema hierfür zeigt das Diagramm der Fig. 3. Der nichtlinear absorbierende Stoff besteht auch hier wiederum aus drei Energieniveaus E₁, E₂ und E.,, von denen das Energieneveau E₁ das Grundniveau darstellt und bei dem sich die Frequenzabstände zwischen dem Energieniveaupaar E₀-E₃ (A · v) und dem Energieniveaupaar E₁-E₁, (2 h · v) zur Frequenz der induzierten Emission im Verhältnis 1: 1 und 1:2 verhalten. Die mit zunehmender Energiedichte ansteigende Absorption kommt hier dadurch zustande, daß unter dem Einfluß der Strahlung »Zwei-Quantenprozesse« stattfinden, d. h. daß die induzierte Emission mit der Frequenz ν nicht nur den Übergang von Atomen des Energieniveaus E, zum Energieniveau E₃, sondern auch den Übergang von Atomen in Richtung JS₁ —>- E, anregt, wenn auch mit erheblich geringerer Wahrscheinlichkeit. Da bei fehlender Strahlung für die Besetzungszahlen N₁, N₀ und N₃ der drei Energieniveaus E₁, E₉ und E₃ wiederum gilt

N₁ = N₀-N₂=N₃ = O,

kann eine Absorption im Übergang E₉ -»- E₃ erst stattfinden, wenn der Übergang E₁ —=>- E₉ (2 h ■ v) im

Zuge der Einstrahlung der stimulierten Emission mit der Frequenz ν zu einer, wenn auch sehr geringen Besetzung des Energieneveaus E₂ geführt hat. Damit wird aber dann die viel stärkere Absorption des »Ein-Quantenprozesses« im Übergang E., ->■ E₃ wirksam. Da im Ein-Quantenprozeß die Absorption proportional der Energiedichte der Strahlung, im Zwei-Quantenprozeß jedoch proportional dem Quadrat der Energiedichte ist, nimmt infolge dieser Nichtlinearität die Absorption der beiden Übergänge mit wachsender Energiedichte zu.

Eine weitere Möglichkeit der Realisierung des Absorptionsfilters A₁ nach Fig. 1 besteht in dem bereits erwähnten nichtlinearen Frequenzverdoppler. Stoffe mit wenigstens zwei Energieniveaupaaren, deren Frequenzabstände unterschiedlich sind und zur Frequenz der induzierten Emission in einem harmonischen Verhältnis stehen, gibt es in großer Vielfalt, da derartige Übergänge nach der Quantenmechanik grundsätzlich in jeder Substanz auftreten. Der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang auf die von Laηdο 11 und Börnstein herausgegebenen »Physikalisch-chemische Tabellen« und »Zahlen- und Funktionswerte aus Physik und Chemie« hingewiesen.

Die gewünschten Eigenschaften eines nichtlinear absorbierenden Stoffes mit wenigstens zwei Energieniveaupaaren, deren Frequenzabstände verschieden sind und zur Frequenz der induzierten Emission in einem harmonischen Verhältnis stehen, lassen sich dadurch in einfacher und vorteilhafter Weise steuern, daß dem Absorptionsfilter A₁ eine Hilfsanregungsquelle zugeordnet ist, die für das Anregen eines der an den absorbierenden Übergängen beteiligten Energieniveaus zur Steuerung eines oder mehrerer absorbierender Übergänge bemessen ist. In Anwendung auf das Energieniveauschema nach der F i g. 3 bedeutet dies, daß mittels der Hilfsanregungsquelle der Übergang E₁ ->- E₂ angeregt wird, so daß in Abhängigkeit dieses Anregungsvorgangs die Absorption des Überganges E₉ -y E₃ gesteuert werden kann. Besteht das Absorptionsfilter aus einem Halbleiter oder einem Gas, so kann der Anregungsvorgang in Form eines Stromflusses durch den Halbleiter bzw. durch das Gas mittels Gasentladung erfolgen. Auch eine Lichteinwirkung auf ein Gas, einen Halbleiter oder einen Kristall ist möglich.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Art für einen optischen Sender ist in der F i g. 4 im Schema angegeben. M bedeutet wiederum das angeregte stimulierbare Medium, das zusammen mit dem steuerbaren Absorptionsfilter A₁ und dem Absorptionsfilter A., in der optischen Achse des von zwei ebenen Spiegeln S₁ und S₂ begrenzten optischen Resonators angeordnet ist. Hinter dem teildurchlässigen Spiegel S₉ ist in Strahlrichtung ein weiterer teildurchlässiger Spiegel S₃ angeordnet, der zur Strahlrichtung unter einem Winkel von 45° geneigt ist. Ein geringer Teil des Laserausgangsstrahls wird am Spiegel S_s senkrecht zur Strahlrichtung abgelenkt und einer Photodiode PH zugeführt, die mit dem Eingang eines Verstärkers V verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V ist mit den Elektroden des hier elektrisch steuerbar ausgeführten Absorptionsfilters A₁ verbunden. Der Steuerkreis für das steuerbare Absorptionsfilter A₁ ist im Sinne einer Gegenkopplung so bemessen, daß bei ansteigender Amplitude des Laserausgangsstrahls das steuerbare Absorptionsfilter A₁ für eine zunehmende Absorption und umgekehrt gesteuert wird.

Hierzu !"Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 lichtquelle u. dgl. mehr. Bereits geringfügige Ände- Patentansprüche: rungen bzw. Schwankungen dieser Art beeinflussen die Ausbildung der Moden im Resonator in erhebli-

1. Optischer Sender (Laser) mit einem stimu- ehern Umfange und damit die Amplitude der durch lierbaren Medium, das zusammen mit einem der 5 die Auskoppelvorrichtungen nach außen abgegebe-Amplitudenstabilisierung dienenden Absorptions- nen Energie der Strahlung. Insbesondere lösen sie bei filter, dessen Absorption bei wachsender Energie- zahlreiche Laseranordnungen heftige Relaxationsdichte der kohärenten Strahlung nichtlinear zu- schwingungen aus.

nimmt, innerhalb eines mit einer Auskoppelvor- Von der durch einen Laser erzeugten kohärenten

richtung versehenen optischen Resonators an- io Strahlung wird in zahlreichen Anwendungsfällen

geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, nicht nur eine ausreichend stabilisierte Amplitude,

daß zur zusätzlichen Frequenzstabilisierung im sondern auch eine hohe Frequenzstabilität erwartet,

optischen Resonator (S₁, S_v) neben dem obenge- Für die Frequenzschwankungen sind in erster Linie

nannten ersten Absorptionsfilter (A₁) ein zweites ebenfalls thermische Einflüsse sowie mechanische

selektiv sättigbares Absorptionsfilter (A₂) an- 15 Veränderungen maßgebend.

geordnet ist und daß das erste Absorptionsfilter Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen (A _t) für ein solches Absorptionsverhalten bemes- amplitudenstabilisierten optischen Sender der einleisen ist, daß mit wachsender Energiedichte der tend beschriebenen Art hinsichtlich einer Verbessekohärenten Strahlung die Sättigungserscheihun- rung der Stabilität seiner Frequenz gegenüber störengen des zweiten Absorptionsfilter (A.-,) vom er- 20 den Einflüssen mit einfachen Mitteln weiterzubilden, sten Absorptionsfilter (A₁, A₁) derart überkom- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch pensiert werden, daß die kohärente Strahlung gelöst, daß zur zusätzlichen Frequenzstabilisierung einem stabilen Höchstwert ihrer Intensität zu- im optischen Resonator neben dem obengenannten strebt. ersten Absorptionsfilter ein zweites selektiv sättigba-

2. Optischer Sender nach Anspruch I, dadurch 25 res Absorptionsfilter angeordnet ist und daß das ergekennzeichnet, daß dem ersten Absorptionsfilter ste Absorptionsfilter für ein solches Absorptionsver- (A₁, A₁) eine Hilfsanregungsquelle (Ph, V) zu- halten bemessen ist, daß mit wachsender Energiegeordnet ist, die für das Anregen eines der an den dichte der kohärenten Strahlung die Sättigungserabsorbierenden Übergängen beteiligten Energie- scheinungen des zweiten Absorptionsfilters vom erniveaus (E₁, E.„ E_a) zur Steuerung eines oder 30 sten Absorptionsfilter derart überkompensiert wermehrerer der absorbierenden Übergänge bemes- den. daß die kohärente Strahlung einem stabilen sen ist. Höchstwert ihrer Intensität zustrebt.

3. Optischer Sender nach Anspruch 2. dadurch Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß gekennzeichnet, daß das erste Absorptionsfilter die zusätzliche Verwendung eines Güteschalters in (A₁, A₁) ein nichtlinearer Frequenzwandler ist. 35 Form eines selektiv sättigbaren Absorptionsfilters ne-

4. Optischer Sender nach Anspruch 3, bei dem ben der durch ebenfalls ein Absorptionsfilter erreichdas stimulierbare Medium ein mit Neodym do- ten Amplitudenstabilisierung eine Frequenzstabilisietierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG: Nd³⁺) rung, und zwar bei außerordentlich geringem techniist, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer sehen Aufwand, ermöglicht. Güteschalter dieser Art, Frequenzwandler ein Körper aus Lithiumniobat 40 wie sie beispielsweise bei Riesenimpulslasern (deut-(NiNbO₃) vorgesehen ist. sehe Offenlegungsschrift 1 439 744) zur Anwendung

gelangen, unterstützen an sich nach Art seiner Mitkopplung die vorhandenen störenden Amplituden-

Schwankungen der Laserausgangsstrahlung, weil eine

45 Zu- oder Abnahme der Energie der kohärenten Strahlung durch die hierzu sich in gleicher Richtung

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen ändernden Sättigungserscheinungen dieses Absorp-Sender (Laser) mit einem stimulierbaren Medium, tionsfilters die Amplitudenschwankungen der Ausdas zusammen mit einem der Amplitudenstabilisie- gangsstrahlung vergrößern. Die selektiv sättigbaren rung dienenden Absorptionsfilter, dessen Absorption 50 Eigenschaften eines solchen Absorptionsfilters haben bei wachsender Energiedichte der kohärenten Strah- aber den Vorteil, daß sie im Sinne einer Frequenzstalung nichtlinear zunimmt, innerhalb eines mit einer bilisierung auf die Anordnung einwirken. Durch die Auskoppelvorrichtung 'versehenen optischen Resona- erfindungsgemäße Überkompensation der Sättigungstors angeordnet ist. erscheinungen des zusätzlichen Absorptionsfilters Anordnungen dieser Art sind beispielsweise durch 55 lassen sich die frequenzstabilisierenden Eigenschafdie Literaturstelle »Applied Physics Letters«, Bd. 11, ten dieses zusätzlichen Absorptionsfilters ausnutzen, Nr. 7, 1. Oktober 1967, S. 213 bis 215, bekannt. Das ohne daß hierdurch die gewünschte Amplitudenstabi-Absorptionsfilter, dessen Absorption bei wachsender lisierung beeinträchtigt wird.

Energiedichte der kohärenten Strahlung nichtlinear Für manche Anwendungszwecke ist es vorteilhaft,

zunimmt, stellt praktisch eine Art Gegenkopplung 60 dem ersten, der Amplitudenstabilisierung dienenden

dar, durch die dem Einfluß von Störeffekten auf die Absorptionsfilter eine Hilfsanregungsquelle zuzuord-

Amplitude der erzeugten bzw. verstärkten kohären- nen. die für das Anregen eines der an den absorbie-

ten Strahlung wirksam entgegengearbeitet wird. renden Übergängen beteiligten Energieniveaus zur

Solche Störeffekte sind thermisch bedingte gerin<;fü- Steueruns eines oder mehrerer der absorbierenden

gige Änderungen der Abmessungen des stimulierba- 65 übergänge bemessen ist.

ren Mediums, Änderungen an der Oberfläche der Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das erden Resonator darstellenden Spiegel, unvermeidbare ste Absorptionsfilter ein nichtlinearer Frequenz-Schwankungen in der Energiezufuhr der Anregung- wandler, lsi das stimulierbarc Medium des optischen