DE1639030A1 - Optischer Sender oder Verstaerker - Google Patents
Optischer Sender oder VerstaerkerInfo
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Description
Western Electric Company Incorporated P8W. Smith 1
New York, N. Y., 10007 U. S. A.
Die Erfindung bezieht sich auf optische Sender oder Verstärker (Laser),
insbesondere auf Einfrequenz-Oszillatoren, in denen innere Eigenschwingungsauswahl
bewirkt wird.
Das Aufkommen der optischen Sender oder Verstärker mit stimulierbarem
Medium hat die Erzeugung und Verstärkung kohärenter elektromagnetischer
Wellen im optischen Frequenzbereich ermöglicht wobei
sich dieser Frequenzbereich vom weitesten infraroten bis zum ultravioletten
Bereich des Spektrums erstreckt.
Wegen der in diesem Bereich vorhandenen extrem hohen Frequenzen,
körinen mit solcher Art erzeugten kohärenten Wellen hohe Mengen von
Informationen übertragen werden. Die resultierende Ausdehnung des nutzbaren Teils des elektromagnetischen Spektrums ,hat. daher die Zahl
der für Nachrichtenübertragungszwecke und dergleichen verfügbaren
Frequenzkanäle stark erhöht.
Ein wesentliches Element des optischen Senders oder Verstärkers mit
stimulierbarem Medium ist, wenn derselbe als Oszillator betrieben
wird, ein auf die stimulierte Emission angepaßter optischer Resonator»
20/1716 BADORlGlNAi.
1839030-
Der Entwurf von Resonatoren bei Frequenzen des Mikrowellenbereichs
ist eine vergleichsweise einfache Angelegenheit, typische Resonatorformen
haben hierbei Abmessungen, die einer einzelnen Wellenlänge
bei der gewählten Frequenz entsprechen. Die Anwendung dieses Resonatorbauprinzips
bei optischen Sendern oder Verstärkern ist jedoch wegen der hier extrem kleinen Wellenlänge nicht praktikabel. Es ist
daher notwendig, optische Resonatoren zu entwerfen, die in ihren Abmessungen
viele tausendmal größer sind als die Ausgangswellenlänge bei der Betriebsfrequenz. Infolgedessen sind Resonatoren für optische
Sender oder Verstärker zwangsläufig vielfach Eigenwert-Vorrichtungen. Bei den typischen optischen Resonatoren mit endständigen parallelen
Spieg@lns wofür der Fabry-Perot-Resonator repräsentativ ist, hat sich
gezeigt, daß der Resonator zu einer Beine charakteristischer Schwingungsformen
(Resonanz- oder Eigenschwingungen) angeregt werden kann. Diese Eigenschwingungen unterscheiden sich voneinander in der Zahl
der Feldänderungen sowohl längs der die beiden endständigen Spiegel
verbindenden Achse wie aueh in den zu dieser Achse quer orientierten Ebenen. Alle Eigenschwingungen, die die gleiche Feldverteilung in
Querrichtung (Transversalfeldverteilung) besitzen, haben unabhängig von der Anzahl unterschiedlicher axialer oder Longitudinaländerungen
den gleichen Beugungsverlust. Diese "Longitudinalresonanzen" werden
bei Frequenzen auftreten, für die die Länge des optischen Resonators
einem ganzzahügen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.
OFUGINAL
183903α
Liefert daher das stimulierbare Medium des optischen Senders oder
Verstärkers Verstärkung über einen ausreichenden Frequenzbereich,
so können eine Mehrzahl dieser Longitudinalresonanz-Eigenschwingungen
gleichzeitig angeregt werden, obgleich nur die Transversaleigenschwingung niedrigster Ordnung zugelassen ist.
Die Gegenwart zahlreicher Eigenfrequenzen in einem optischen Sender
oder Verstärker für Nachrichtenübermittlungszwecke ist jedoch üblicherweise nachteilig. So wird beispielsweise im wesentlichen mehr Leistung
in einem optischen Sender oder Verstärker benötigt, der in vielen Eigenschwingungen
schwingt, als in einem solchen, der in nur einer einzigen
Eigenschwingung schwingt, um die gewünschte wohldefinierte Ausgangslinie als eich klar von der Hintergrundemission abhebend zu erzeugen,
Außerdem hat die Anregung zahlreicher Eigenschwingungen auf die
Stabilität des optischen Senders oder Verstärkers nachteilige Wirkung,
ferner auf den Modulationsprozeß sowie auf den Demodulationsprozeß.
Dies sind sämtlich Faktoren, die bei Übertragungssystemen von großer
Bedeutung sind, ·
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Resonator für optische Sender
oder Verstärker zu schaffen, der ein Eigenschwingungssystem besitzt,
bei welchem nur eine einzige von einer Mehrzahl Eigenschwingungen
des das stimulierbare Medium enthaltenden Resonators bevorzugt angeregt
wird.
V- .,^s- ,BAD OFUGINAL
1839030
Eine Diskrimination nach einer einzigen Longitudinaleigenschwingung
kann erreicht werden durch Unterteilen der stimulierten Energie in
zwei Teile, von denen ein jeder individuell in räumlich getrennten Resonatoren in Resonanz gebracht wird, wobei diese Resonatoren einen gemeinsamen
endständigen Spiegel besitzen. Durch Entwurf des Hilfsresonators
der Art, daß er ein schmalbandigeres Reflexionsvermögen
als der Hauptresonator besitzt, können die dem Hauptresonator züge- A
ordneten unerwünschten Seiten-Eigenfrequenzen unterdrückt werden«
Es wurde jedoch gefunden, daß die tatsächliche Amplitude und Frequenz
der resultierenden einzigen Eigenschwingung dazu neigen, zeitlich zu fluktuieren.
Bisher hat man, um eine derartige unerwünschte Drift bei der gewünschten Mittelfrequenz zu überwinden, die Resonanz des Haupthohlraums
auf ein stabileres Element "festgebunden". Sowohl ein Resonator« der
völlig außerhalb des Resonators des optischen Senders oder Verstärkers
w gelegen ist, als auch ein Resonator, der zum Teil durch einen Teil des
Resonators des optischen Senders oder Verstärkers gebildet ist, sind
als Mittel dafür vorgeschlagen worden, die Stabilität der stimuliert emittierten Ausgangsstrahiung zu verbessern» In jedem Falle jedoch
erforderte das Wirkungsprinzip hierbei eine Modulation der Resonanz*·
frequenz des Bezugsresonators mit der resultierenden Modulation der
Aus gangs strahlung. In vielen Fällen ist eine von Modulation freie stimuliert emittierte Ausgangsstrahlung erwünscht.
009Ö26/17Ü
BAD ORIGINAL
1839030 *"
Eine derartige Ausgangsstrahlung wird entsprechend der Erfindung
in einer Vier-Spiegel-Resonatoranordnung erreicht. Hierbei werden Änderungen in der Energiehöhe innerhalb des Hauptresonators dazu benutzt,
die Frequenzdrift der aus dem Resonator abgelenkten Wellenenergie zu korrigieren. Im einzelnen ist bei einem erfindungsgemäß
amplituden- und frequenz stabilisierten optischen Sender oder Verstärker
ein Primärresonator mit einem ersten und einem zweiten enständigen Reflektor vorgesehen, die senkrcht zur Achse des Resonators orientiert
sind, ferner ein innerhalb des Primärresonators gelegenes stimulierbares
Medium sowie ein Sekundärresonator, der einen der endständigen
Reflektoren des Primärresonators und einen weiteren endständigen Reflektor umfaßt, dessen Achse senkrecht zur Achse des Primärresonators
orientiert ist. Ein in der Achse des Primärresonators angeordneter
Energieteilungskörper zweigt einen Teil der auf den gemeinsamen Reflektor hin laufenden Energie aus dem Resonator für den Verbraucher
ab. Der Sekundärresonator ist für optimalen Ausgang justiert, und die
Differenz zwischen einer Bezugsspannung und der Energie im Primärresonator
wird dazu benutzt, die Resonanz des Primärresonators auf
diejenige des Sekundärresonators festzubinden.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben;
es zeigenj
Fig. 1 eine halbschematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung des Wirkungsprinzips und
Fig. 4A und 4B Diagramme zur Darstellung des unstabilisierten
bzw. stabilisierten Ausgangs der Anordnung nach Fig. 1.
Der optische Sender oder Verstärker 10 der Figs, 1 weist ein stimulierbares
Medium auf, das in einem eigenschjjringungsselektiven Resonator
untergebracht ist. Ein Paar in axialem Abstand voneinander angeordneter paralleler Reflektoren 11, 12 definieren die Enden eines Primärresonators,
dessen Länge gleich L + L_ ist. Die Oberfläche der Reflektoren
11 und 12 können eine Metallschicht auf einem dielektrischen Grundkörper aufweisen, oder eine Mehrzahl Schichten mit abwechselnd
hohem und niedrigem Brechungsindex, wobei jede dieser Schicht eine
viertel Wellenlänge bei der gewünschten Betriebsfrequenz dick ist. Soll
Energie über die Resonatorenden abgezogen werden, so können einer
oder beide der Reflektoren 11 und 12 teildurchlassig gemacht werden.
Die Durchlässigkeit beträgt dabei typis eher weise einige Prozent. Ansonsten
würde das Reflexionsvermögen der Reflektoren 11 und 12 besser
als 99% gemacht.
Ein dritter Reflektor 14, dessen üormale senkrecht zur Achse 15 des
Primärresohators orientiert ist, liegt einem Strahlteilkörper oder
Energie aufteilkörper 13 gegenüber. Der Reflektor 14 bildet daher über
diesen Strahlteilkörper zusammen mit dem Reflektor 12 einen Sefcundärresonator
der Länge L -I- L„. Für bestimmte Anwendungsfälle mag es
BAD ORIGINAL
183SO3a
vorteilhaft sein, den Strahlteilkörper 13 unter dem Brewster*schen
Winkel anzuordnen. Die Normale des Reflektors 14 würde dann so angeordnet
sein, daß der durch die Teile 12, 13 und 14 gebildete Sekundärresonator
weiterhin eine resonante Einrichtung bildet. Die Oberfläche des Reflektors 14 ist typischerweise physikalisch ähnlich zu der der
Reflektoren 11 und 12, obgleich auch die Krümmung verschieden sein kann. Üer Strahlteilkörper 13 kann beispielsweise ein unter 45 gegenüber
der Achse 15 geneigter halbversilberter Spiegel sein, um etwa
gleiche Aufteilung der einfallenden Energie zu erreichen» Falls gewünscht,
können auch andere Energieaufteilungsverhältnisse verwendet werden. Bei gegebenen Werten für Lt, L0 und L4 werden die Reflektoren 11,
und 13 so gewählt, daß ihre Krümmungen gleich denen der hierauf einfallenden
Lichtstrahlen sind«
Das stimulierbare Medium, das in der dargestellten Anordnung ein Gas
oder eine Gasinischung ist, liegt zwischen Reflektor 11 und Strahlteilkörper
13, Bei dieser Anordnung liegt das stimulierbare Medium ausschließlich
im Primärresonator, Das stimulierbare Medium ist, wie
aus der Zeichnung ersichtlich, in einem Rohr 16 eingeschlossen, dessen
Stirnflächen J7 Und 18 gegenüber der optischen Achse etwa um den
Brewster^chen Winkel geneigt sind« Das gasförmige stimulierbare
Medium kann beispielsweise eine Helium/Neon-Mischung sein, die mit
Hilfe einer Hochfrequenz quelle 19 upd das Rohr 16 umgebenden leitenden
Streifen 20 angeregt wird. Optische Sender oder Verstärker mit gas-
009826/1710
ORtGlHAt
1 §39038 *"
förmigem stimulierbarem Medium, ebenso die Wirkungsweise derselben
ist allgemein bekannt. Falls gewünscht, können zwei identische gasförmige Medien mit einer zwischengeschalteten Methangaszelle, zur Unterdrückung unerwünschter 3, 39-Mikron-Schwingungen verwendet werden.
Jedoch unabhängig hiervon kann die Erfindung in gleicher Weise auch
bei festen oder flüssigen stimulierbaren Medien ebenso auch bei gasförmigen stimulierbareh Medien anderer als der erwähnten Zusammen-
^ s "„ setzung Verwendung finden. Auch kann anstelle der dargestellten Hochfrequenzanregung
eine Gleichstromanregung vorgesehen sein, falls dies
gewünscht sein sollte.
Der Reflektor 14 ist als auf einem Grundkörper 21 montiert dargestellt.
Dieser Grundkörper ist ein piezoelektrisches Material, dessen Abmessungen
über einen begrenzten Bereich durch die Zufuhr einer von einer Quelle 22 herrührenden Abstimmspannung steuerbar sind. Wie ersichtlich,
kann dann die Resonanzfrequenz des Hilfsresonators der Länge L + L gesteuert werden.
Der Reflektor 11 ist ebenfalls auf einem piezoelektrischen Grundkörper
montiert, an den die Spannung eines Gleichstrom-Differenzverstärkers
geliefert werden kann. Diese Spannung, die über ein Tiefpaßfilter 24 geht,
wird durch einen Vergleich der Ausgangsenergie P_ über die Fotozelle
mit einer Bezugsspannung der Quelle 27 erzeugt. Der Verbraucher 34,
Tier ein Verstärker, ein Modulator oder irgendeine andere Nachrichten-
009026/1710-'
■'■'' \^,$M"'% : .. BAD ORIGINAL
Übermittlungskomponente sein kann, ist für die Verwendung eines unmodulierten
Eingangs vorgesehen, sowie so angeordnet, um die Energie
P1 zugeführt zu erhalten.
}_■■_■_
In Fig. 2 sind die Logitudinaleigenfrequenzen des Primärresonators für
den Transversaleigenwert niedrigster Ordnung durch die kurzen senkrechten
Linien längs der Abszisse des Koordinatensystems 28 dargestellt. Die Linienbreite der stimulierten Strahlung in einem üblichen
optischen Sender oder Verstärker ist durch die ausgezogene Kurve 2 9
dargestellt. Die Kurve 29 gibt die Frequne ζ abhängigkeit des Energie gewinne
pro Durchgang eines Lichtstrahls durch ein typisches stimulierbares
Medium wieder. Der Schwellwert, bei dem der Energiegewinn die Energieverluste infolge Streuung, Reflexion und dergleichen übersteigt,
ist durch die horizontale Linie 30 dargestellt. Es ist daher ersichtlich,
daß sämtliche Eigenwerte, deren Frequenzen zwischen f
"und f, liegen, zu Schwingungen angeregt werden können, wenn nicht
Maßnahmen zu deren Unterdrückung getroffen werden. Ebenso ist ohne
weiteres einzusehen, daß, da ein Einfrequenz-Ausgang üblicherweise
aus technischen Gründen erwünscht ist, derartige Unterdrückungsmaß*·
nahmen eher benötigt werden als nicht. .
Ein einfacher Weg für die Auswahl einer einzigen Eigenschwingung ist
der, die optische Verstärkung über dem ganzen Emissionsband zu reduzieren
oder, als Äquivalent hierzu, den Schwingungseinsatzpunkt
1ΟΟ9β2β/ϊ-71β-
M»mtm Gäfl' . " BAD ORIGINAL
(Schwellwert) zu erhöhen derart, daß letzterer nur von einem engen
Teil der Emissionslinie überschritten wird. Ebenso ist es auch möglich,
die Länge d des Resonators zu reduzieren, um dadurch den Frequenzabstand
zwischen den Eigenwerten zu erhöhen. Diese Maßnahmen haben aber sämtlich den unerwünschten Effekt einer Reduzierung der verfügbaren
Ausgangsleistung. *
fe Entsprechend dem Wirkungsprinzip des Drei-Endspiegel-Resonators
wird die Energie eines nach links längs der Achse 15 in Fig. 1 zum
Strahlteilkörper 13 laufenden Strahls dort aufgeteilt, ein Teil geht hindurch
und läuft über das stimulierbare Medium zum Reflektor 11 des Primärresonators, und der Rest wird reflektiert und läuft zum Hilfsresonator-Reflektor
14, der senkrecht zur Teilachse 32 des Hilfsresonators
orientiert ist. Es ist daher ersichtlich, daß eine Sekundär resonanz für eine Energie erzeugt werden kann, die zwischen den Reflektoren
12 und 14 über den Strahlteilkörper 13 läuft. Die Sekundärresonanzeigenschaft
beeinflußt die Verluste, der die Energie im durch die Reflektoren
11 und 12 gebildeten Primärresonator ausgesetzt ist, und
wird zur Unterdrückung unerwünschter Lagitudinaleigenschwingungen
benutzt. Im einzelnen wird der Sekundärresonator so ausgebildet, daß
er ein hohes Reflexionsvermögen nur über ein Frequenzband besitzt, das viel enger ist als die Schwingungsbandbreite, die nach Fig. 2 .£ - f
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BAD ORIGINAL
1839030
Sind die verschiedenen Abstände zwischen den Heflektoren 11, 12, 14
und dem Strahlteilkörper 13 gegeben durch L , L-, bzw. L„, so kann
die vom Strahlteilkörper 13 längs der Achse 33 abgezweigte Energie
P- bei einer gegebenen Wellenlänge Λ ausgedrückt werden durch
.4RsU1 2
T2 + 4R sin2
wenn R und T das Reflexionsvermögen bzw. Durchlaßvermögen des
Strahlteilkörpers bedeuten» Von den Reflektoren 11, 12 tmd 14 ist
angenommen, daß deren Reflexionsvermögeii R «* 1 ist» Durch Abstimmen
des Hilfsresonators der Art, daß ein hohes spezifisches Reflexionsvermögen
bei in gesehen vom Primärresonator auss vorhanden
ist, wird eine kleine Änderung-in. der Wellenlänge zu einer großen
Änderung in der Dämpfung der Seiten-Eigensehwingungsenergie führen»
Dies deshalb, weil derartige Eigenschwingungen, die üblicherweise
einen Frequenz abstand in der Größenordnung 150 Megaherz von der gewünschten Mittelbetriebsfrequenz fft haben, gekennzeichnet sind
durch einen beträchtlich niedrigeren Reflexionskoeffizienten, Das Abstimmen
des Hilfsresonators kann durch richtige Einstellung entweder von aus L„ oder von aus L_ erfolgen, obgleich es häufig einfacher ist
L_ zu variieren, also die Primärresonatorlänge ungeändert zu lassen.
Die Gesamtlänge L + L„ des Hilfsresonators wird normalerweise so
gewählt, daß sie viel kleiner ist als die Gesamtlänge L + L_ des
Primärresonators.
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In Fig. 2 ist die Wirkung des hinzugefügten Hilfsresonators dargestellt
durch die gestrichelte Dämpfungskurve 31, die einen Teil der periodischen Reflexionskennlinie des Hilfsresonators ist. Es ist zweckmäßig*
den Hilfsresonator als einen zusammengesetzten Reflektor senkrecht '
zur Hauptstrahl-Fortpflanzungsrichtung längs der Achse 15 zu betrachten. Ein derartiger Reflektor ist gekennzeichnet durch ein periodisches
schmalbandiges spezifisches Reflexionsvermögen, der, wenn bei der
gewünschten Frequenz f des Primärresonators zentriert, als hochreflektierender
Endspiegel mit zugeordneter niedriger Dämpfung wirkt. Alle übrigen Frequenzen innerhalb der Periode des Hilfsresonators
sind niedrigerem spezifischen Reflexionsvermögen demgemäß höherer
Dämpfung ausgesetzt, wie dies in Fig. 2 dargestellt iet. Die Periodizität
S der Kurve 31 ist L/(L 2 +L-) mit c gleich der Lichtgeschwindigkeit.
Die Resonanzbreite öS ist in der Hauptsache durch das spezifische
Reflexionsvermögen des Strahlteilkörpers 13 bestimmt. Für höhere spezifische Reflexionsvermögen ist die Breite bS kleiner. Bei einer
optischen Sender- oder· Yerstärkeranordnung, bei der die Seitenfrequenzen
dicht beieinander liegen^, kann es notwendig sein, das spezifische Reflexionsvermögen
des Strahlteilkörpers 13 auf mehr als die vorstehend erwähnten 50% anzuheben, damit die benachbarten Seitenfrequenzen des
Hauptresonators daran gehindert werden in den Bereich niedriger Dämpfung der Kurve 31 zu fallen» Ist der Hilfsresonator richtig abgestimmt,
so sind die Dämpfungswerte bei von der gewünschten Frequenz ffl .
OO9820/171g
BAD ORfQlNAL
entfernten Schwingungsfrequenzen erhöht^, wodurch die Gesamtverstärkung unterhalb des Schwellwertes gedrückt wird, bei dem Schwingung
noch aufrechterhalten werden kann» Das Ergebnis ist eine intensivere Emission bei der einzigen gewünschten Frequenz,,
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß vorgesehenen Rückkopplungs·=
systems kann anhand der Figo 1 erläutert werden,, Die drei reflektierenden
Elemente 12, 13. und "14," die den Hilf sr esonator bilden, wer den wiederum als ein einziger Spiegel variablen spezifischen Reflexions-Vermögens
betrachtete wie dies bereits erläutert worden ist. Wenn der Drei-Spiegel-Endreflektor auf Resonanz bei einer gegebenen Frequenz
abgestimmt ist, so wird sämtliche bei dieser Frequenz einfallende Energie in den Hohlraum des optischen Senders oder Verstärkers
zurückreflektiert, und nichts wird ausgekoppelt. Das heißt, es ist Ρ, ■ 0. Wird die Abstimmung des Drei-Spiegel-Endreflektors
geändert, so wird ein Teil der einfallenden Energie aus dem System
abgelenkt und P1 wird größer als 0. Für ausreichend große Verstimmung
wird die Dämpfung wegen dieser Energie auskopplung im System so groß,,
daß der optische Sender oder Verstärker nicht schwingen wird» Eine
weitere Verstimmung in der gleichen Richtung wird veranlassen, daß Schwingung bei einer Frequenz beginnts die dicht bei der nächsten
Resonanzstelle des Verstärker- oder "Senderresonators li:egto
Das RüekkopplungssiswexHmgephsnoBaea kann verstanden w®rdens wenn
der Energie ausgang am Spiegel 23 mit P_ bezeichnet wird und die
Relativwerte von P und P überwacht werden« Unter den Bedingungen,
bei denen der Brei-Spiegel-Reflektor auf Resonanz bei einer Resonanz»
frequenz des Sender- oder Verstärkerresonators abgestimmt ist, wird
die gesamte einfallende Energie in den Sender- oder Verstärksrresonator
zurückreflektierts und P « 0„ Gleichzeitig jedoch ist, da dies
dem höchsten spezifischen Reflexionsvermögen des Drei-Spiegel-Systems entspricht, die Energie im Hauptresonator und damit auch P- ein
Maximum«·, Wenn die Abstimmung des Drei-Spiegel-Reflektors in einer
der beiden Richtungen geändert wird, nimmt das effektive spezifische Reflexionsvermögen ab, weil ein großer Bruchteil der einfallenden
Energie aus dem System, ausgekoppelt wirda und P0 nimmt ab. Schließ-,
lieh hört die Schwingung auf und sowohl P und P_ sind Null. Es ist
ία
sonach offensichtlich^ daß P- durch ein Maximum während dieses Prozesses
geht/ und daß dieses Maximum, auftritt^, wenn, die Verstimmung
zu einer optimalen Ausgangsauskopplung aus dem System führt.
Fig. 3 zeigt gleichzeitig experimentelle Beobachtungen von P und P
als Funktion der Drei-Spiegel-Reflektorabstimmung unter Verwendung
des optischen Senders oder Verstärkers nach Fig. 1 zu Versuchszwecken.
P, ist als Kurve 40 aufgetragen und P„ als Kurve 41. Wird der optische
Sender oder Verstärker so abgestimmt, daß er bei einer Frequenz F1
arbeitet., die einer der Maxima von P- entspricht^, so verursacht eine'
kleine FrecpieasverscMeistmg {W^ "-F1) ®i®@ &%%&$$. Axaplitudenänderung
009826/1710
BAD ORIGINAL J
V.' . Υ' - - 1039030
4*
a, in P , aber eine viel größere Änderung a „ in P0 Das Vorzeichen
der Änderung in P0 hängt von der Richtung dieser Frequensverschiebung
ab. Daher kann durch Überwachen von P bei auf ein Maximum von P1
abgestimmtem optischen Sender oder Verstärker ein Signal erhalten
werden, dessen Amplitude zunimmt, wenn die Frequenz des optischen
Senders oder Verstärkers in der einen Richtung wegläuft aber abnimmt, wenn die Frequenz in der anderen Richtung wegläuft. Dieses Signal
kann dann zum Erhalt eines Korrektions signals verwendet werden, das
einer piezoelektrischen oder anderweitig ansprechenden Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung des optischen Senders oder Verstärkers
zuzuführen ist.
Es ist daher ersichtliche dal ctes* Drei-Spiegel^Resonator als stabiler
Bezugsresonator verwendet wird, und daß die Hauptfreqtienz des Resonators
des optischen Senders oder Verstärkers auf die Frequenz des
Bezugsresonators festgebunden ist. Der Drei-Spiegel»Resonator sollte
daher so stabil wie möglich ausgebildet werden. Jegliches langsame Weglaufen seiner Resonanzfrequenz, beispielsweise infolge thermischer
Effekte, sollte korrigiert werden durch Verwendung einer Rückkopplungsschleife mit niedriger Zeitkonstante und durch Ableiten eines Signals
von einer äußeren Absorptionszelle. Auf diese Weise kann absolute
Frequenzstabilität aufrechterhalten werden.
Ein experimentelles Modell des frequenzstabilisierten optischen Senders
009826/1716
BAD
oder Verstärkers ist unter Verwendung von Helium/Neon als stimulier·»
.bares Medium aufgebaut worden. Die Abmessungen waren: L + L »
280 cfflj L + L_ * 10 cm. Die Spiegel 11 und 12 waren konkav mit einem
Krümmungsradius-von 14, 00 m und der Spiegel 14 war konvex mit _;
einem Krümmungsradius von 14, 85 m. Der Spiegel 13 war ein Planspiegel mit einem Reflexionsvermögen von 65 % bei 45' Grad. Der verwendete optische Sender oder Verstärker war aus zwei 130 cm langen
hintereinander geschalteten 4mm Rohren aufgebaut, wobei der Zwfschenraum
zwischen den beiden Rohren mit Methangas gefüllt war, um gleichzeitig
die 3, 39 Mikron-Schwingung zu reduzieren. Längs der Rohre des optischen Senders oder Verstärkers waren zum gleichen Zweck
auch Mögnete angeordnet. Bei diesem Aufbau wurde^ gefunden, daß
50 Milliwatt Einfrequenz-Ausgangsleistung erhalten werden konnte. Diese Leistung neigte dazu in einer Transversaleigenschwingung zweiter
Ordnung zu erscheinen. Aber durch leichtes Ausblenden des Strahls konnten 45 Milliwatt zuverlässig bei der Transversalgrundeigenschwingung
erhalten werden. Diese Ausgangsleistungen wurden unter Verwendung
einer Sonnenzelle gemessen, die mit Hilfe einer entsprechend den No rravor Schriften des'^iational Bureau of Standards11 geeichten Thermo«
säule geeicht worden war. Der Einzel-Eigenschwingungsbetrieb wurde
durch Beobachtung des Ausgangs mit einem Abtastinterferometer ger
prüft. ~ . -.".-,;.
009826/ 171 S
Die mechanische Halterung für die Spiegel 11,, 12 und 14 wurde so
stabil wie möglich unter Verwendung massiver Spiegelfassungen und durch Befestigen derselben auf Invar-Halteplatten gemacht» Die Innenräume
der Spiegelfassungen wurden mit Silikongummi gefüllt und die ganze Anordnung wurde mit einer Bleiabschirmung umgeben, die auf
einer Schaumgummilage "ächwamm",
Die Wandler elemente 21, 23 waren 2, 45 χ 2,45 cm große piezoelektrische
Keramikzylinder. Die Zeitkonstante für die erste mechanische
Resonanz der Wandler-Spiegelkombination lag in der Gegend von 1 KHz und das Tiefpaßfilter im Rückkopplungs system war so eingestellt, daß
die Schleifenverstärkung bei dieser Frequenz unterhalb eins fiel. Daher war das experimentelle Rückkopplungs system nur in der Lage, mechanische
Schwingungen bei Frequenzen ausreichend unterhalb 1 KHz aus zukorrigieren. Nichtsdestoweniger wurde durch Beobachten der
Fluktuationen in der Ausgangsleistung gefunden, daß der Resonator des optischen Senders oder Verstärkers auf den Bezugsresonator innerhalb
1 Megaherz festgebunden werden konnte, was gleichbedeutend ist
mit etwa +2 Teile auf 10 . Die Anordnung wurde unter normalen Laboratoriumsbedingungen
betrieben, obgleich das Experiment auf einem stabilen Spezialtisch durchgeführt und darauf geachtet wurde, die Spiegelfassungen
vor akustischen Schwingungen zu schützen.
Das Bückkopplungssystem stellt den Arbeitspunkt des optischen Senders
0 0902 6/171 β
oder Verstärkers so ein, daß P0 in der Fotozelle eine Spannung erzeugt,
die praktisch immer gleich der Bezugs spannung 27 ist. Es ist
daher durch Ändern der Bezugsspannung möglich, den Arbeitspunkt
und folglich P kontinuierlich zu ändern. Normalerweise ist die Bezugsspannung
so eingestellt, daß P1 nahezu ein Maximum ist,-
Fig. 4A zeigt ein Diagramm der Ausgangsleistung als Funktion der Zeit
ohne Rückkopplung. Es ist ersichtlich, daß die Ausgangsleistung, die durch die "Zitterlinie'1 42 dargestellt ist, sich innerhalb einer Minute
beträchtlich ändert.
Fig. 4B zeigt anhand der Kurven 43 und 44 die Wirkung des Rückkopplungssystems.
Da die Größe der mechanischen Bewegungen anhand des Rückkopplungssignals ermittelt werden kann, wenn man beachtet, daß
eine Frequenzänderung von 0/2(L1 + L) [* 54 MHz"] einer Änderung
der Resonatorlänge des optischen Senders oder Verstärkers von λ /2
entspricht, kann der Resonator des optischen Senders oder Verstärkers
als auf den Bezugsresonator auf +1 MHz festgebunden betrachtet werden*
Wegen des benutzten Schreibers, der auf Frequenzen oberhalb 70 Hz
nicht anspricht, wurde ein Prüfversuch mit Hilfe eines Oszillographen
durchgeführt, um zu bestätigen, daß keine hochfrequenten Fluktuationen
im Ausgang vorhanden sind, die anzeigen würden, daß die Kurzzeitstabilität schlechter als +1 MHz wäre.
0ÖS82B/171S
163903(1 "**.
Der freqüenzstabilisierte optische Sender oder Verstärker ist anhand
einer über einen der Endreflektoren des Primärresonätors entnommenen
Ausgangsleistung P9 beschrieben worden. Falls gewünscht, können
die Bndreflektoren maximal reflektierend ausgebildet werden, und es
kann die Primärhohlraum-L·eistüng an einem der beiden unter dem
Brewster1 sehen Winkel angeordneten Fenster 17 und 18 überwacht
werden. Zahlreiche andere Abwandlungen sind möglich*
26/17 16
BAÖ ORiQiNAL
Claims (1)
1. Einfrequenter optischer Sender oder Verstärker mit einem optischen Primärresonator, der zwei senkrecht zur Resonator achse (15)
orientierte einander gegenüberstehende Reflektoren (11,12) aufweist,
einem im Primärresonator liegenden stimulierbaren Medium (16), dessen Verstärkungskennlinie sich über eine Mehrzahl Frequenzen
(f " fu) einschließlich der gewünschten Ausgangsfrequenz (f) erstreckt,
bei denen der Primärresonator resonant ist, einem in der Resonatorachse
(15) und zwischen den beiden Reflektoren (11,12) liegenden Strahlteilungskörper (13), der so orientiert ist, daß ein Teil der vom einen
Reflektor (12) aus in Richtung des stimulierbaren Mediums (16) laufenden
Strahlungsenergie aus dem Primärresonator abgezweigt wird, und einem dritten Reflektor (14), der außerhalb des Primärresonators und
senkrecht zur Richtung-(32)- der abgezweigten Strahlungsenergie angeordnet
ist, wobei der dritte Reflektor (14) über den Strahlteilungskörper
(13) mit dem einen Reflektor (12) einen Hilfsresonator bildet, der bei
der gewünschten Ausgangsfrequenz r.esonant ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung (26) zum Abtasten
der Strahlungsenergiehöhe (P0) im Primär resonator (11,12) vorgesehen
ist, sowie eine Einrichtung (25) zum Ableiten eines Fehlersignals anhand
eines Vergleichs der abgetasteten Strahlungsenergiehöhe (P0) mit
einem Bezugswert (27), und daß das Fehler signal zur Lagesteuerung
009826/1716
des anderen Reflektors (11) des Primärresonators (11,12) vorgesehen
2» Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch lt dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteilungskörper (13$ zum Auskoppeln von
Strahlungsenergie (PJ bei der gewünschten Ausgangsfrequenz |fQ) aus den Resonatoren (11,12; 12,l3> 14) zu einem für den Empfang von un~
modulierter Strahlungsenergie (P-) ausgelegten Verbratteher (34) vorgesehenist. ^
Strahlungsenergie (PJ bei der gewünschten Ausgangsfrequenz |fQ) aus den Resonatoren (11,12; 12,l3> 14) zu einem für den Empfang von un~
modulierter Strahlungsenergie (P-) ausgelegten Verbratteher (34) vorgesehenist. ^
Applications Claiming Priority (1)
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Legal Events
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SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 |