DE1614997A1 - Optischer Sender oder Verstaerker(Laser) - Google Patents
Optischer Sender oder Verstaerker(Laser)Info
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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 O1 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:
M0 o Can 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, Mrl 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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-8-
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.
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 (10)
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
MQ - 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,
209810/1388
16U997
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.
209810/1388
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