DE1614997A1

DE1614997A1 - Optischer Sender oder Verstaerker(Laser)

Info

Publication number: DE1614997A1
Application number: DE19671614997
Authority: DE
Inventors: Dillon Jun Joseph Francis; Johnson Leo Francis; Remeika Joseph Peter
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-03-23
Filing date: 1967-03-20
Publication date: 1972-03-02
Also published as: NL6703220A; BE695885A; SE335189B; US3526850A; NL6703221A; FR1515521A; BE695884A; GB1178023A; GB1178022A; US3480877A; SE335188B; DE1614996A1

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated New York, N. Y., 10007, USA

Dillon- Johnson- Remeika 9 -16-

Optischer Sender oder Verstärker (Laser)

Die Erfindung bezieht sich auf optische Sender oder Verstärker (Laser), bei denen als das stimulierbare Medium, ein kristalliner Körper aus sättigbaren magnetischen Materialien der Granat-Struktur verwendet wird. Derartige Vorrichtungen ergeben Anordnungen, bei denen magnetische Felder dafür benutzt werden, die stimuliert emittierte Ausgangs Strahlung zu modulieren oder anderweitig zu ändern. Eine bevorzugte Gruppe befaßt sich mit derartigen Anordnungen. Seit dem Aufkommen der optischen Sender oder Verstärker mit stimulierbarem Medium vor einigen Jahren sind große Anstrengungen hinsichtlich der Entwicklung kommerziell erhältlicher Quellen für kohärentes Licht gemacht worden, welche über einen wesentlichen Frequenzbereich hinweg arbeiten; ebenso sind auch große Anstrengungen hinsichtlich aller, mit dem Aufkommen der Laser-Grundkonzeption beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten.

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Demgemäß ist die Raman-Spektroskopie ein wesentlich bedeutsameres Werkzeug geworden, sind schwierige chirurgische Eingriffe ermöglicht worden, ferner extrem feine Bearbeitungs- und Herstellungsmethoden und dergl. mehr.

Es wurde jedoch allgemein erkannt, daß es zumindest ein Anwendungsgebiet gibt, auf dem noch viel Entwicklungsarbeit verbleibt. Auf dem Nachrichtenübertragungssektor hat es, während akzeptable kontinuierlich arbeitende optische Sender sowohl mit gasförmigen als auch mit Festkörper-Medium vorhanden sind, noch keine allgemein anerkannte Methode zum Modulieren des emittierten Lichtstrahls, um dadurch von der enormen Bandbreite mit Vorteil Gebrauch machen zu können, welche jedem Sende eigen ist, der bei optischen Frequenzen arbeitet. Selbstverständlich existieren bedeutsame Beiträge für Modulatoren und parametrische Vorrichtungen, die auf magneto-optischem, elektro-optischem und piezo-optischen Wechselwirkungen beruhen, wobei es für eine jede dieser Vorrichtungen gegenwärtig noch offen ist, ob sie später einmal zum vorherrschenden Modulator-Typus in einem künftigen Nachrichtenübertragungssystem wird. Sämtliche bisherigen Vorrichtungen bildeten gewissermaßen ein Zubehör zum optischen Sender oder Verstärker selbst. Eine derartige Unterteilung

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mag zwar akzeptabel sein, in einzelnen Fällen auch erwünscht, aber alternative Systeme, die auf einer inneren, d.h. innerhalb des optischen Senders oder Verstärkers selbst erfolgenden Modulation oder Abstimmung beruhen, können sich als vorteilhaft erweisen und sollten ebenfalls untersucht werden. Derartige Gesichtspunkte, zumindest diejenigen, welche die magnetischen Wechselwirkungen betreffen, sind bisher vernachlässigt worden. Es ist nichts bekannt darüber, daß ein magnetisches Material als Wirts kr istallgitter. eines stimulierbaren Festkörpermediums verwendet worden wäre.

Es wurde nun gefunden, daß jedes Mitglied einer Klasse von magnetischen Materialien der Granatstruktur, die durch Y₀Fe₁-O₁₀, der Yttrium-Eis en-Granat (YEG), als WirtskristalLgitter für bestimmte bezeichnend emittierende Ionen dienen kann. Bei richtiger Dotierung kann dieses virtuell kohlschwarze Material mit einem Wirkungsgrad als stimulierbares Medium betrieben werden, der mit dem der bekannten besten stimulierbaren Festkörpermaterialien vergleichbar ist.

Ionen, die in einem derartigen Wirtsgitter zu einer Emission stimuliert werden können, sind insbesondere die Ionen von Holmium, Thulium und Erbium. Energieübertragungen von

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einer solchen seltenen Erde auf eine andere ermöglichen eine wirksamere Ausnutzung aller bisher üblichen Anregungsenergiequellen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung erhöht wird. Ein besonders wirksamer optischer Sender oder Verstärker für einen Betrieb in einem wesentlich unter Raumtemperatur liegenden Temperaturbereich macht von allen drei Ionen Gebrauch und kann außerdem auch noch ein viertes Ion enthalten, z.B. Ytterbium, das seinerseits seine absorbierte Energie auf eines der anderen Ionen überträgt.

Geeignete magnetische Granatzusammensetzungen sind neben ~Yf(fc YEG die Seltene-Erde-Granate, nämlich Erbium-Eisen-Granat, Thulium-Eisen-Granat, Lutecium-Eisen-Granat und Ytterbium-Eisen-Granat, ferner ebenso Modifikationen des YEG oder eines dieser Seltene-Erde-Granate, bei denen Eisen teilweise ersetzt ist durch Aluminium, Gallium oder Vanadium, oder bei denen die Yttrium-Gitterplätze teilweise ersetzt sind durch Wismut, einem Kompensationsjod, wie Kalzium, oder Kombinationen irgendwelcher der vorstehend erwähnten Elemente. Andere magnetische Granate sind vom Standpunkt der stimulie rten Emission geeignete Wirtskristallgitter, sie mögen sich aber nicht sonderlich für Vorrichtungen eignen, bei denen eine magneto-optische Wechselwirkung ausgenutzt wird. ^Jf Die angegebenen speziellen Seltene-Erde-Granate sind selbstver-

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ständlich wünschenswert, wenn Energie auf ein verschiedenes emittierendes Ion zu übertragen ist, da hierdurch die Absorbtion verstärkt werden kann. Im allgemeinen sind Seltene-Erde-Granate, bei denen die Yttrium,-Gitterplätze vollständig durch das emittierende Ion eingenommen sind, nicht brauchbar, weil die Gegenwart einer so großen Anzahl emittierender Ionen zu einer Unterdrückung (quenching) führt. Wirtskristallgitter bei denen nominell entweder Yttrium oder die seltene Erde fehlt, können, ausgenommen selbstverständlich die Dotierniveaus der aktiven Ionen, besonders geeignet für bestimmte Anwendungsfälle sein, da Verunreinigungen mit Seltenen-Erden zu einer Resonanzlinienverbreiterung führt, die auf diese Weise vermieden werden kann. Eine illustrative Zusammensetzung dieses Typus ist der Kalzium-Vanadium-Granat oder der Wismut- Kalzium- Vanadium- Granat.

Vom Vorrichtung-Standpunkt aus gesehen kann eine partielle Substitution des Eisens deswegen wünschenswert sein, als hierdurch die Sättigungsmagnetisierung reduziert werden kann. Die Sättigungsmagnetisierung wird dabei entweder im Wege einer Verdünnung herabgesetzt, wie dies der Fall für Aluminium als Substituent ist, oder durch Kompensation, wie diese im Falle von Gallium als Substituent auftritt. Allgemein rührt eine zusammensetzungsmäßige Kompensation auch von der Verwendung

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einer Seltenen Erde, einschließlich der oben angeführten, her.

Gemäß der Erfindung ist gefunden worden, daß stimulierte Emission unter Verwendung eines der emittierenden Ionen Holium, Thulium oder Erbium in einer in Granatstruktur vorliegenden magnetischen Zusammensetzung auftreten kann« Geeignete Wirtskristall-Materialien sind der Prototyp Y Fe O_{1 o}, sowie Modifikationen hiervon einschließlich derjenigen in welchendas Yttrium teilweise oder vollständig ersetzt ist durch eine Seltene Erde, Kalzium oder Wismuth, ebenso diejenigen, in welchen das Eisen teilweise ersetzt· ist durch Vanadium, Aluminium, und Gallium, sowie Mischkristalle aus irgendwelchen der angeführten Verbindungen. Ein Gesichtspunkt der Erfindung beruht auf solchen optischen Sendern oder Verstärker, bei welchen Vorsorge dafür getroffen ist, ein Magnetfeld zuzuführen. Eine Änderung dieses Felds in der Amplitude und/oder in der Richtung kann eine Änderung in der Emittie raus gangs s tr ahlung erzeugen und auf diese Weise als Modulator oder Abstimmkreis dienen, üvdem die Frequenz, Amplitude oder Richtung der stimuliert emittierten Strahlung geändert wird. Diese Wechselwirkungen sind in Verbindung mit sowohl laufenden Wellen wie auc|[ stehenden Wellen von Interesse,

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Es ist zweckmäßig/ die beispielhafte Klasse geeigneter magnetischer Wirtsgitter-Materialien durch die folgende allgemeine Formel auszudrücken:

M_{0 o} Ca_n M¹Fe, V MQ₁₀ 3-2x-y 2x y 5-x-z χ ζ 12

Hierin bedeuten

M zumindest eines der Ionen Yttrium, Erbium, Ytterbium, Thulium oder Wismut,

M¹ zumindest eine der Ionen Holmium, Erbium und Thulium sowie zumindest ein Ion das nicht in M enthalten ist, M^rl samindest eines der Ionen "^jiji Gallium und Aluminium, χ eine Zahl zwischen 0 und 1, 5,

y eine Zahl zwischen 0, 003 und 0, 6 und ζ eine Zahl zwischen 0 und 2, 5.

Selbstverständlich können auch andere Modifikationen im Wirtskristallmaterial ohne schädliche Wirknng durchgeführt werden, in bestimmten Fällen sogar mit günstigen Wirkungen, wie dies noch beschrieben werden wird. Derartige Modifikationen können beispielsweise darin liegen, daß Germanium und Silizium als Substituenten für Eisen vorgesehen sind. Die durch die vorstehende allgemeine Formel definierten Grenzen sind höchstkritisch dahingehend, als sie die Konzentration des emittierwnden Ions M' beeinflussen.

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Die Gründe für die Mindest- und Höchstwerte sind orthodox. Der für das emittierende Ion, allgemein M¹, ausgedrückte Minimalwert soll einen Pegel definieren, der für die simulierte Emission erforderlich ist. Der Höchstwert soll den tolerierbaren Pegel-Wert bezeichnen, der nicht zu einer Auslöschung führt. Bei der schließlichen Analyse ist die Möglichkeit des Überschreitens dieser Grenzen, ebenso die Auswahl einer bevorzugten, innerhalb der Grenzen gelegenen Konzentration anhand der Konfiguration, Größe sowie anderer Erwägungen zu bestimmen. So mögen dicke Elemente die Verwendung kleinerer Konzentrationen an emittierenden Ionen erlauben, während andererseits die Verwendung sehr dünner Elemente größere Konzentrationen erlauben können. Die optimale Konzentration des absorbierenden Ions, M in der allgemeinen Formel, ergibt sich aus dem Entwurfsziel, daß ein vernünftiger Anteil des Anregungslichts innerhalb des Elements absorbiert wird. Diese Erwägung führt allgemein zu kleineren Konzentrationen des absorbierenden Ions (kleinere Werte von x) zum Erhöhen der Dimension in derjenigen Richtung, unter welcher die Anregungsenergie eingeführt wird.

Die Dotierhöhen sind allgemein beschrieben worden. Die Wahl der Ionen und ihre relativen Mengen hängen von zahlreichen Erwägungen ab. So wurde beispielsweise stimulierte Emission

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bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs beabachtet für 0, 06 Holmium-Atome und je O₄ 15 Thulium- und Erbium-Atome. Für viele Zwecke sind Zusammensetzungen dieser Art zu bevorzugen, d.h. solche Zusammensetzungen, bei denen die absorbierenden Ionen Erbium und Thulium je in gleicher Menge und allgemein im Überschuß gegenüber dem emittierenden Ion Holmium vorhanden sind. Man sieht, daß das Thulium-Ion, dessen Absorbtion bei 1,,. 6 bis 1,8 Mikron und bei 1, 1 bis 1, 25 Mikron liegt, in Zusammenwirken^ mit Erbium, dessen Absorption zwischen 1, 4 und 1, 6 Mikron liegt, einen recht großen Anteil der Energie ausnutzen, welche im Wellenlängenbereich der Absorptionskurve von etwa 1 Mikron bis herab zur Emissionsfrequenz von Holmium bei etwa 2, 1 Mikron emittiert wird. Der Umwandlungswirkungsgrad kann noch weiter dadurch erhöht werden, daß Ytterbium eingebaut wird, das von 0, 85 bis 1 Mikron absorbiert und seine Energie auf Thulium und Holmium überträgt.

Während diese Kombination im Tieftemperaturbetrieb bemerkenswert wirksam ist, kann die erhöhte Besetzung des Laser-Grundniveaus in Holmium die Brauchbarkeit bei oder oberhalb Raumtemperatur begrenzen. Für einen Betrieb bei höheren Temperaturen (higher operation) ist es wünschenswert, Thulium als emittierendes Ion zusammen mit Ytterbium oder Erbium als absorbierendes Ion zu verwenden.

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Während einige der erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch dann von Interesse sein werden, wenn kein unter dem Einfluß eines Magnetfeldes erfolgender modifizierter Betrieb ins Auge gefaßt wird, so ist es andererseits zu erwarten, daß diese Vorrichtung in dieser Hinsicht von größter Bedeutung sind« Für die meisten Vorrichtungen, deren Betrieb durch eine Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und der Frequenz oder Amplitude eines stimuliert emittierten Strahls beeinflußt werden kann, ist es häufig wünschenswert, den Wirtskristalls zumindest zeitweise während des Betriebs magnetisch zu sättigen.

Yttrium-Eisen-Granat und andere der in Rede stehenden Zusammensetzungen, bei denen die Yttrium-Gitterplätze teilweise oder vollständig durch andere unmagnetische Ionen substituiert sind, haben Curie-Punkte, die einige hundert Grad oberhalb Zimmertemperatur liegen. Beispielsweise liegt der Curie-Punkt für YEG bei etwa 270 C. Dies wiederum gibt Anlaß für eine magnetische Sättigungsinduktion in der Größenordnung 1500 Gauß bei Zimmertemperatur und etwas höheren Werten für tiefere Temperaturen. Diese Werte können zwar in einigen Fällen zugelassen werden, es wird aber edwartet, daß niedrigere Sättigungswerte für bestimmte andere Fälle vorteilhaft sein werden. Es wurde im Zusammenhang mit

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anderen Anwendungsfällen erkannt, daß Granatzusammen Setzungen mit niedrigeren Sättigungsmagnetisierungen wünschenswert sind, und daß die für diese Zwecke entwickelten Zusammensetzungen geeignete Wirtsgitter-Materialien für die erfindungsgemäßen optischen Sender oder Verstärker sind. Es wurde beispielsweise gefunden, daß bestimmte der Seltene Erden, naenn dieselben das Yttrium ganz-oder teilweise ersetzen, sich so ausrichten, daß sie, weil sie ebenfalls magnetisch sind, mit dem Eisen in Wechselswirkung treten und die Gesamtmagne*· tisierung reduzieren. Diese Gesamtmagnetisierung ist, wie allgemein bekannt, temperaturabhängig und kann tatsächlich zu einem Null-Moment beim sogenannten Kompensationspunkt führen. Derartige zusammensetzungsmäßige Kompensationspunkte treten für eine vollständige Substitution durch Erbium bei etwa 80 Kelvin auf, und bei niedrigeren Temperaturen im Falle einer Ytterbium- und Thulium-Substitution, Ein Arbeitenmit derartigen Zusammensetzungen ermöglicht die Verwendung kleinerer zuzuführender Felder, wobei diese Felder bei Annäherung an die Kompensationspunkte abnehmen.

Eine Kompensation kann auch durch eine Substitution des Eisens erreicht werden. Beispielsweise führt die Verwendung von Aluminium zu einer Erniedrigung der Gesamtmagnetisierung, da eine leichte Bevorzugung hinsichtlich der tetraedrisch ko-

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ordinierten Eisenionen existiert. Das magnetische Moment in derartigen Zusammensetzungen kann wirksam auf einen Wert von etwa 1 n^ reduziert werden, wenn die Zusammensetzung M Fe Al₁ -O₁ „ verwendet wird. Es ist allgemein bekannt, daß Gallium eine noch stärkere Bevorzugung der tetraedrischen Gitterplätze des Eisens zeigt, und daß Gallium für Eisen an diesen Stellen substituiert werden kann, wobei sich die Magnetisierung linear reduziert und durch einen Null-Moment-Kompensationspunkt bei etwa 1, 3 Galliumatomen geht. Größere Galliummengen führen zu einer tatsächlichen Zunahme des Gesamtmoments, das aber dann entgegengesetzes Vorzeichen gegenüber dem den unsubstituierten Materials zeigt. Die Wirkung des Aluminiums ist nur wenig mehr als eine Verdünnung der Magnetisierung, obgleich Aluminium den Curiepunkt etwas erniedrigt. Die Verwendung von Gallium kann andererseits zu einer Reduzierung der Magnetisierung führen, ohne daß hierbei eine nennenswerte Linienverbreiterung auftritt. Es versteht sich, daß ausreichendes Schrifttum bekannt ist, um eine Auswahl, eines magnetischen Wirtsgitters zu ermöglichen, das die gewünschte Sättigungsmagnetisierung bei jeder gegebenen Temperatur und zugleich jene Eigenschaften besitzt, auf welchen die Erfindung beruht. Die Hochfrequenz-Absorbtionskante in der Granatstruktur hängt im Idealfall von der Absorbtion des dreiwertigen Eisens selbst ab. Weder Gallium, noch Aluminium

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noch Vanadium haben Absorptionen im betrachteten Frequenzbereich. Die Seltene-Erde-Absorptionen liegen in diesem Bereich, und die kompensierten Zusammensetzungen welche irgendeiner dieser benutzen, können nicht ohne Rücksicht auf die Energieübertragung und das Emissions verhalten hinsichtlich deri stimulierten Emission gewählt werden.

D. Li. Wood und J. P. Remeika ("journal of Applied Physics", Supplement 1966, Band 37, Seite 1232 ff.; "Optical Transparency of Rare-Earth Iron Garnets¹') haben gezeigt, daß die Hochfrequenz«Absorptionskante in der Granat-Struktur verschärft werden kann durch Verringerung des zweiwertigen Eisens, sie haben auch Mittel und Wege beschrieben, wie dieses erreicht werden kann. Zwar mag diese Verbesserung in der Transparehz wenig Emflüß auf Systeme haben, in denen irgendeines der emittierenden Ionen Holmium, Erbium und Thulium verwendet wird, aber die Verwendung von Ionen, die im Bereich zwischen 1 und 1, Mikron emittieren, oder der Wunsch, eine wirksamere Absorption in diesem Weüenlängenbereich zu haben, kann diese wettere Verfeinerung empfehlenswert machen.

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Die magnetischen Granate als Las er-Wirtsgitter verdanken ihre Betriebseigenschaften teilweise der Gegenwart eines relativ transparenten Bereichs in dem ungefähren Wellenlängenbereich von 1 - 4, 5 Mikron, und alle in Rede stehenden Systeme sind für einen Betrieb in diesem Bereich vorgesehen. Da die einzigen Vorrichtungen, auf welche die Erfindung gerichtet ist, jene sind, bei denen optische Anregung verwendet wird, ist die Wahl einer geeigneten Anregungsquelle bestimmt durch deren Ausgangsleistung in dem angegebenen Bereich. Glücklicherweise liefert die übliche Wolframfadenlampe, da der Wolframfaden praktisch ein schwarzer Strahler ist, einen hohen Bruchteil der insgesamt abgestrahlten Energie in diesem Wellenlängenbereich. Das Energiespektrum einer derartigen Anregungsquelle kann an die Anforderungen dieser Vorrichtung durch Einstellen der Leucht·» Temperatur angepaßt werden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen

Pig. I eine Schnittansicht eines Anregungshohlraums, in dem das erfindungsgemäß vorgesehene stimulierbare Medium angeordnet ist,

Fig. 2 eine Schrägansicht eines stimulierbaren

Mediums mit einer Einrichtung zum Einführen eines Magnetfelds, und

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Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 2.

Die Anordnung nach Fig. 1 weist einen elliptischen Hohlraum auf, in dessen beiden Brennlinien das stimulierbare Medium 2 bzw. die Anregungsquelle 3 angeordnet sind. Das stimulierbare Medium 2 besteht aus einem Einkristall einer magnetischen Granatzusammensetzung, z. B. YEG, das mit einem emittierenden Ion wie Holmium entsprechend den obigen Ausführungen dotiert ist. Das stimulierbare Medium 2 hat beschichte Stirnflächen 4 und 5, jene sorgt'für vollständige und diese für partielle Reflexion» Der stimuliert emittierte Strahl tritt aus der partiell reflektierenden Stirnseite 5 in Richtung des Pfeües 6 aus. Die Anregungsquelle 3 kann, wie beschrieben, eine Wolframfadenlampe sein. _

Die Vorrichtung nach Fig. 2 weist einen Stab 10 als stimulierbares Medium der in Rede stehenden Zusammensetzung auf. Seine Stirnflächen 11 und 12 sind poliert und können beschichtet sein oder nicht, je nachdem ob die Vorrichtung als Oszillator (Sender) oder als Verstärker betrieben werden soll. Der Stab kann ferner noch mit eben polarisierenden Gliedern 16 und/oder versehen sein^ deren Zweck noch erläutert wird. Ein um den Stab 10 gewickelter Leiter 13, der an eine Signalquelle 14 angeschlossen ist, ermöglicht die Einführung eines Magnetfelds

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in Laufrichtung der stimulierten Emission, die durch den

Pfeil 15 angegeben ist (es sei bemerkt, daß der Eingangsstrahl und/oder die Anregungsquelle nicht dargestellt sind). Es ist allgemein bekannt, daß die hier beschriebenen Magnetbezirks-Wirtsmaterialien gyromagnetische Medien für eben polarisiertes Licht bilden, und daß maximale Drehung erzeugt wird durch Verwendung eines parallel zur Laufrichtung der elektromagnetischen Wellen orientierten Felds. Eine Erregung der Wicklung 13 durch die Quelle 14 führt zu einer derartigen Drehung der Polarisationsebene innerhalb des Mediums 10.

Wird die Vorrichtung nach Fig. 2 als Verstärker betrieben, so kann die Drehung der Polarisationsebene innerhalb des Mediums beispielsweise mit Hilfe eines Analysators (nicht dargestellt) festgestellt werden. Da die magnetische Drehung der elektromagnetischen Wellen nicht-reziprok ist, kann die Anordnung, wenn sie als Verstärker betrieben wird, dazu dienen, einen Rücklauf der stimuliert emittierten Energie zu verhindern, so daß das Medium 10 zugleich als sein eigener Richtungsleiter (Isolator) betrieben werden kann.

Wiederum wegen des Umstandes, daß die magnetische Drehung nicht-reziprok ist, ergibt sich, wenn das Medium 10 der Fig. als Oszillator betrieben wird, daß die Wicklung 13 zu einer

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gewissen Auslöschung führte weil sich die vorwärts und rückwärtsbewegenden Wellen subtrahieren (und zwar in jedem aufeinanderfolgenden Bereich, in welchem die E-Vektoren dieser Wellen um angenähert 180 außer Phase sind); folglich reduziert sich die Amplitude der Ausgangsstrahlung der Vorrichtung. Es ist am zweckmäßigsten bei Verwendung dieser Anordnung in digitaler Weise zu arbeiten. Die Quelle 14 kann Gleichstrom, Wechselstrom oder intermittierenden Strom liefern.

Der Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 2 als Vorrichtung entweder für laufende Wellen oder für stehende Wellen in der beschriebenen Weise beruht auf einer ebenen Polarisation der stimuliert emittierten Strahlung. Diese ebene Polarisation kann aus irgendeinem der Gründe spontan auftreten, wie diese bei anderen stimulierbaren FestkörpErnaedien beobachtet worden sind, beispielsweise aufgrund der nicht«äquivalenten Gitterplätze, die von den emittierenden Ionen eingenommen werden, oder aufgrund irgendwelcher anisotroper Eigenschaften des Kristalls selbst. Im Falle eines spontanen Auftretens kann diese ebene Polarisation in reiner Form vorliegen oder lediglich als Komponente zusammen mit einer zirkulären Polarisation auftreten, die bei zahlreichen Anordnungen auftritt. Eine derartige Komponente, die insgesamt zu einer elliptischen Polarisation

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führt, reicht für den beschriebenen Betrieb aus« In bestimmten Fällen kann aber diese Komponente nicht ausreichend sein oder sogar fehlen. In diesen Fällen kann eine ebene Polarisation entweder durch eine oder beide der polarisierenden Elemente 16und 17 eingeführt werden, die in Fig. 2 mit gestrichelten Linien dargestellt sind.

Liegt nur bei 16 ein Polarisator vor, so dient dieser lediglich als reflektierendes Element und führt zu den angegebenen Resultaten, Er bewirkt also eine gewisse Auslöschung für die fortlaufende nicht-reziproke Drehung, die durch jedwede Magnetisierungskomponente in Strahllaufrichtung erzeugt wird. Ist das Element 17 vorgesehen, so kann dieses dem gleichen Zweck dienen und auch die Funktion eines Analysators übernehmen, der jegliche Emission für Licht mit insgesamt um 90 gedrehter Polarisationsebene verhindert. Im entmagnetisierten Zustand bricht die Gesamtmagnetisierung im Stab in zahlreiche Magnetdomänen unter statistischer Orientierung auf, erzeugt deshalb wenig oder überhaupt keine resultierende Drehung, so daß das stimulierbare Medium arbeitet, wenn die Anregungsleistung den entsprechenden Schwellwert überschreitet. Bei entsprechender Wahl der Anregungsenergiehöhe kann eine totale Auslöschung erreicht werden durch, jeden der vorstehend beschriebenen Wirkungsmechanismen, wenn ein Magnetfeld mit einer Komponente in Strahllaufrichtung angelegt

wird. 209810/1388

Der im Zusammenhang mit Fig, 2 beschriebene Betrieb kann erleichtert werden durch Orientieren des Kristalls derart, daß eine Achse leichter Magnetisierbarkeit, eine £lllj -Richtung in die Strahllaufrichtung fällt, Unter diesen Umständen führt das Anlegen eines Magnetfelds in dieser Richtung nur zu einer kleinen oder zu überhaupt keiner Frequenzänderung (auf welchem Phänomen die Anordnung nach Fig. 3 berührt), und es genügen relativ kleine Felder zur Sättigung des Stabs.

Die Anordnung nach Fig. 3 enthält wiederum ein stabförmiges stimulierbares Medium 20, das mit dem Stab 10 der Fig. einschl. aller dort beschriebenen Modifikationen identisch sein kann. Der Stab 20 ist mit polierten Stirnflächen 21 und versehen, die je nach Wunsch verspiegelt sein können oder nicht. Der Einfachheit halber sind weder der Eingangsstrahl noch die Anregungsquelle wie diese für einen Betrieb der Vorrichtung als Oszillator oder als Verstärker erforderlich sein wurden, eingezeichnet. Bei dieser Anordnung wird ein Magnetfeld in einer zur Richtung des stimulierten emittierten Strahls senkrechten Richtung mit Hilfe von Polstücken 26 und 27 eingeführt. Die beiden Polstücke 26 und 27 sind mit einer Wicklung 28 versehen, die an. eine Speisequelle 29 angeschlossen ist. Den Polstücken 26 und 27 ist ein Schwenkmechanismus (nicht dargestellt) beigegeben, mit dessen Hilfe die Hauptachse der

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Polstücke innerhalb einer Ebene senkrecht zum Stab 20 verschwenkt werden können.

Die Wirkung des in normalen Richtung anstehenden Magnetfelds in der Vorrichtung nach Fig. 3 hängt von den Energieniveaus innerhalb des Materials des Elements 20 ab, und zwar entsprechend dem Wirkungsmechanismus nach Zeeman. Verschiedene Zwecke können hiermit erreicht werden. Da die Schwellwerte für die sich unterscheidenden Übergänge (mit · und ohne Anlegen des Felds oder alternativ für verschiedene kristallographische Richtungen in der normalen Ebene) verschieden sein können, kann die Ausgangs strahlung als

. amplitudenmoduliert behandelt werden, oder die Änderung im Schwellwert kann einfach dazu benutzt werden, den optischen Sender oder Verstärker ein- und auszuschalten, und

j zwar wie für die Q-Verschlechterung. Da die Aufspaltung für viele der in Rede stehenden Systeme im wesentlichen anisotrop ist, kann due Frequenz der vorherrschenden Schwingungsform verschoben werden. Dies kann bewerkstelligt werden, : um die Ausgangs strahlung in der Frequenz zu modulieren oder lediglich zum Abstimmen der Strahlung auf einen bestimmten Wert. Je nach dem, welcher Zweck im einzelnen angestrebt ist, kann die Quelle 29 eine Gleichstromquelle sein, auch einstellbar oder veränderbar entsprechend einer gewünschten Nachricht»

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Die dargestellten Vorrichtungen sind lediglich für eine kleine Anzahl der insgesamt möglichen Weiterbildungen der Erfindung repräsentativ. So können zusätzliche ~Vff Einrichtungen vorgesehen sein. Beispielsweise können Hochfrequenz-Anwendungsfälle erfordern, daß das stimulierbare Medium, mit oder ohne einer Anregungsquelle, innerhalb eines Mikrowellen-Hohlraums unterzubringen ist.

Zusammengefaßt beruht die Erfindung auf der Entdeckung, daß YEG und hiermit verwandte ferromagnetische Granatstrukturen geeignete Wirtsgitter für eine stimulierte Emission bilden. Von verschiedenen Systemen stimulierbarer Ionen wurde gezeigt, daß sie wirksam sind. Diese können einfache Systeme sein, bei denen nur das Ion einer einzigen Seltenen Erde verwendet wird, aber auch Systeme bei denen zwei, dreiin vier oder mehr Seltene-Erden vorgesehen sind, um die durch die Anregungs quelle eingeführte Anregungsenergie wirksamer auszunutzen. Diese Entdeckung gibt Anlaß für eine neue Klasse optischer Sender oder Verstärker mit stimulierbarem Medium, deren Bedeutsamkeit in erster Linie auf einer Änderung in der Emissionsfrequenz beruht, soweit diese von der Wirkung des Wirtsgitters auf die stimulierbaren Ionen herrührt, oder von irgendeinem der anderen Beiträge, die einem unterschiedlichen^ Wirtsgittermaterial zugeordnet sind,

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XL·

Es sei bemerkt, daß die meisten der hierin beschriebenen Vorrichtungen, bei denen ein Magnetfeld zur Änderung des Charakters der stimulierten Ausgangs strahlung verwendet wird, kontinuierlich, also im Dauerstrichbetrieb arbeitet. Diese Betriebsart wird für die meisten Anordnungen die bevorzugte sein, bei denen beabsichtigt ist, den Ausgangsstrahl entweder in der Amplitude oder in der Frequenz entsprechend einer Nachricht zu modulieren. Bestimmte andere der ins Auge gefaßten Anordnungen werden jedoch keinen DauerstrichwBetrieb benötigen, vielmehr intermittierend betrieben werden. Während die in Rede stehenden magnetischen Wirtsgitter für beide Zwecke geeignet sind, ist es bekannt, daß Dotierkonzentrationen sowohl der emittierenden als auch der absorbierenden Ionen häufig unter Berücksichtigung des einen oder anderen Ziels bestimmt werden sollten. Demgemäß werden höhere Dotierungskonzentrationen, beispielsweise von 0, 003 Atome aufwärts, für Dauerstrichbetrieb bevorzugt, während es für intermittierenden Betrieb, zumindest bei hohen Leistungen, angezeigt sein kann, die Dotierungskonzentration des emittierenden Ions auf die Größenordnung 0, 0003 Atome und darunter einzustellen.

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Die Bedeutsamkeit dieser stimulierten Emission mit einem sättigbaren magnetischen Wirtsgitter sollte jedoch nicht übersehen werden. Eine Vorrichtungsgruppe, deren Betriebseigenschaften somit wenigsten teilweise von der
Einwirkung eines Magnetfeld auf den Charakter der Ausgangsstrahlung abhängt, ist beschrieben worden. Die in dieser Hinsicht speziell beschriebenen Vorrichtungen sind gleichfalls lediglich repräsentativ für zahlreiche weitere Möglichkeiten. Die Erzeugung stimulierter Strahlung unter derartigen Bedingungen gibt Anlaß für zahlreiche weitere Anordnungen, bei denen die Ze eman-Aufspaltung, Richtungsablenkung, Q-Verschlechterung, Amplituden- ttnd Frequenzmodulation usw. verwendet wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem kristallinen stimulierbar en Festkörpermedium, das durch einen Granat als Wirtsgitter mit hierin eingelagerten stimulierbaren Ionen gebildet ist, die ihrerseits so ausgewählt sind, daß sie stimulierte Emission im ungefähren Wellenlängenbereich von 1— 4, 5 Mikron zeigen,

dadurch gekennzeichnet, daß als das in Granatstruktur vorliegende Wirtsgitter ein ferrimagnetisches Wirtsgitter vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anregen der Ionen eine optische Anregungsenergiequelle vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Festkörpermedium als Einkristall der folgenden Zusammensetzung vorliegt

M_Q - Ca_ M¹Fe, V M" O₁₀ 3-2x-y 2x y 5-x-z χ ζ 12

Hierin bedeuten

M zumindest eines der Ionen von Yttrium, Erbium, Ytterbium, Thulium, Lutecium oder Wismuth,

M¹ zumindest eines der Ionen von Holmium, Erbium und Thulium,

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mit der Maßgabe, daß zumindest ein Ion nicht in M enthalten ist,

M¹¹ zumindest eines der Ionen Gallium und Aluminium, χ eine Zahl zwischen 0 und 1, 5,

y eine Zahl zwischen 0, 003 und 0, 6 und ζ eine Zahl zwischen 0 und 2, 5.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium Holmium enthält und zumindest einegr der Ionen von Thulium, Erbium und Ytterbium,

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium Holmium enthält sowie zumindest ein Ion von .Erbium und Thulium.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium Thulium als ein emittierendes Ion enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einführen eines Magnetfelds in das stimulierbare Medium derart, daß eine Wechselwirkung zwischen dem Feld und der stimuliert emittierten Strahlung gegeben ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld im wesentlichen parallel zum. stimuliert emittierten Strahl verläuft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das Feld im wesentlichen senkrecht zum stimuliert emittierten Strahl verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Ändern der Richtung des Felds vorgesehen ist.

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