DE1639056A1 - Abstimmbare optische Maseranordnung - Google Patents

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated . M₉A₆ Duguay -

New York, N.J., 10007, USA

Abstimmbare optische Maser anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf optische Maseranordnungen, und ist im einzelnen auf solche Anordnungen gerichtet, deren Ausgänge innerhalb eines Frequenzbandes abstimmbar sind.

Der optische Maser hat als Generator für phasenkohärentes Licht zahlreiche potentielle Anwendungsmöglichkeiten_e Größeres Interesse wurde dabei auf eine Anwendbarkeit in der Nachrichtenübertragungstechnik sowie in verwandten Gebieten gerichtet. Eine weitere seiner potentiell brauchbaren Anwendungsmögliehkeiten ist seine Verwendung als stabile Quelle für optische Frequenzen, beispielsweise bei zahlreichen Resonanzexperimenten an verschiedenen Atom- und Molekülsystemen, oder seine Verwendung als ein Frequenznormal bei anderen experimentellen Studien« Für solche Anwendungsfälle ist es wünschenswert, daß der Genera·« tor innerhalb eines Frequenzbereichs abstimmbar ist und daß er stabil ist, auf welche Frequenz innerhalb des Bereichs er auch ' immer abgestimmt oder eingestellt ist. Es gibt zahlreiche Abstimmvorrichtungen für Laser, die entweder tatsächlich existieren

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oder nur theoretisch vorgeschlagen worden sind. Jedoch haben diese Anordnungen den Nachteil, daß sie zumeist die für Experimente im Bereich optischer Frequenzen erforderliche Genauigkeit und Stabilität nicht besitzen.

Die vorliegende Erfindung macht von dem Umstand Gebrauch, daß eine Doppler-Verschiebung in der Frequenz eines Lichtstrahls innerhalb eines Kristalls aus elektro-optischem Material unter dem Einfluß eines angelegten sich ändernden elektrischen Felds auftritt. Dieses Phänomen kann zur Erzeugung eines Ausgangslichts verwendet werden, dessen Frequenz innerhalb eines Frequenzbandes kontinuierlich veränderbar ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Ausgang eines eigenschwingungsfestgehaltenen (mode-locked) Lasers durch einen Kristall aus einem geeigneten elektro-optischen Material, z.B. aus Lithiummetaniobat hindurchgeschickt. Gleuchzeitig sind Mittel zum. Anlegen eines vom Laserausgang abgeleiteten dich sinusförmig ändernten elektrischen Felds an den Kristall vorgesehen. Dabei sind geeignete Maßna|mien zum Einstellen der Phase des elektrischen Felds derart getroffen, daß die Lichtimpulse des Lasers durch den Kristall zu einem Zeitpunkt hindurchlaufen, wenn der Brechungsindex des Kristalls wegen des angelegten elektrischen Felds zu- oder abnimmt^ vorzugsweise während der größten An-

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derung desselben. Wie nachstehend noch erläutert werden wird, erzeugt der sich ändernte Brechungsindex eine Doppler-Verschiebung im Freqüenzspektrum der zugeführten Lichtinipulse. Reflektierende Glieder sind an beiden Seiten des Kristalls vorgesehen, so daß jeder Impuls mehreremale den Kristall durchguert, und bei jeder Kristalldurchquerung tritt eine Doppler-Verschiebung auf, es können also beachtliche Frequenzverschiebungen erhalten werden. Die Änderung des Brechungsindexes des Kristalls ist direkt proportional zur Größe des angelegten elektrischen Felds, folglich ist die Gesamtfrequenzverschiebung durch die Zahl der Reflexionen und das angelegte Feld bestimmt, dessen Größe steuerbar gemacht wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung liegt der Kristall in einem Resonator, der durch ein Paar Spiegel mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen gebildet ist. Im einzelnen wird dabei der Eingangsspiegel für die Eingangsfrequenz durchlässig und für ajLle übrigen Frequenzen reflektierend gemacht, während der Ausgangsspiegel für die gewünschte Ausgangsfrequenz durchlässig und für alle übrigen Frequenzen reflektierend ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Ausgangsfrequenz recht stabil.

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Nach der Erfindung schielet man den gepulsten Ausgang eines eigenschwingungsfestgehaltenen Lasers durch einen synchronangeregten elektro-optischen Kristall, um eine Doppler-Verschiebung in der Frequenz der zugeführten Impulse zu erzeugen.

Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile, wie dies aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen noch ersichtlich werden wird; es zeigen?

Fig. IA u. IB Diagramme zur Erläuterung gewisser Grundprinzipien der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 das Diagramm einer während des Betriebs auftretenden Impulsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2.

Zunächst soll das der Erfindung zugrundeliegende Wirkungsprinzip anhand der Fig. IA und IB erläutert werden. In Fig, I ist ein hypothetisches Medium 11 angenommen, dessen Brechungsindex η mit der Zeit linear abnimmt. Eine optische Welle der Frequenz f, die in das Medium 11 einfällt, tritt aus letzterem mit einer linear zunehmenden Phasenvoreilung wieder aus, die sie von einer Welle ununterscheidbar macht, deren Frequenz um

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den Betrag a entsprechend nachstehender Gleichung nach oben verschoben ists

a = Λ (**) Herte (1)

Hierin bedeuten t die Zeit, 1 die Länge des Mediums und ^A. die Wellenlänge im Vakuum.

Selbstverständlich ist das Medium 11 praktisch noch nie reali siert worden. Andererseits ist es aber eine einfache Angelegenheit, den Brechuhgsindex η eines Materials als sich sinusförmig mit der Zeit ändernd zu machen.

In Fig. 1 B ist die Wirkung des Mediums 11 dargestellt, wenn dessen Brechungsindex n, der sich mit einer angelegten Spannung ändert, bei einer Frequenz f gesteuert wird. Es ist einzusehen, daß der Brechungsindex zeitlich sinusförmig mit der Frequenz f ändert. Wenn ein Lichtimpulszug mit einer Impulswiederholungsfrequenz f dem Medium zugeführt wird, unterliegt jeder betrachtete Impuls der gleichen Brechungsindexänderung wie alle übrigen Impulse. Die gegenseitige Phasenlage der Steuerspannung und der einfallenden Impulse kann deshalb derart synchronisiert werden, daß jeder Impuls einer praktisch linearen Brechungsindexabnahme unterliegt (Fig. IB), Folglich wird das

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Frequenzspektrum (Fourierkomponenten) jedes Impulses um den nach Gl, (I) gegebenen Betrag nach oben verschoben*, Diese Frequenzverschiebung ist im wesentlichen eine Doppler-Verschiebung. Aus Fig. IB ist ferner ersichtlich, daß eine Änderung der Phasenbeziehung zwischen den Impulsen und der Steuerspannung den Betrag der Frequenzverschiebung ändert und sogar die Richtung der FrequenzversKhiebung ändern kann.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das in Fig. IB dargestellte Wirkungsprinzip zum Erhalt einer Frequenzabstimmung eines Laserausgangs angewandt ist. Die Anordnung weist einen eigenschwingungsfestgehaltenen Laser 12 auf. Dieser umfaßt ein mit einem gasförmigen selektivfluoreszenten Medium gefülltes Rohr 13, das an beiden Enden mit unter dem Brewster'sehen Winkel geneigten lichtdurchlässigen Scheiben 14, 16 verschlossen ist. Das selektivfluoreszente Medium wird auf irgendeine Weise angeregt, beispielsweise mit Hilfe der dargestellten Elektroden 17 und 18, die in dem Gas nach Anlegen einer Gleichspannung eine elektrische Entladung erzeugen. Das Rohr 13 liegt in einem durch teildurchlässige Spiegel 19 und 21 gebildeten optischen Resonator.

Zwischen dem Ende 16 des Rohrs 13 und dem Spiegel 21 liegt innerhalb des Resonators ein Modulator 22, der vorzugsweise ■

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aus einem erschmolzenen Quarzblock aufgebaut ist₀ Eine stehende Ultraschallwelle wird im Modulator 22 mit Hilfe eines am Block 22 befestigten Wandlers 23 induzierto Der Wandler 23 ist dabei an einen 28-MHz-Oszillator 24 angeschlossen. Da der Block 22 zweimal pro Periode praktisch homogen ist, wird die von der aus Rohr 13 und Spiegeln 19 und 21 bestehenden Anordnung erzeugte Lichtwelle bei 56 MHz moduliert.

Der Ausgang der Anordnung 12 ist eine Folge von Impulsen gleichförmiger Amplitude^, wobei die Impulswiederholungsfrequenz 56 MHz beträgt« Jeder Impuls ist aus einer Mehrzahl Frequenzen aufgebaut, die von den angeregten Eigenschwingungen des Resonators herrühren,, und er besteht bezüglich des Fre~ quenzinhalts aus einer Mehrzahl scharfer Spitzen (jede Spitze stellt eine angeregte Eigenschwingung dar), deren FrequeßE^ abstand gleichmäßig 56 MHz beträgt (Fig. 3).

Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird ein Ausgang des eigens chwingungsf estgehaltene Lasers 12 durch den Resonatorbegrenzungsspiel 19 ausgekoppelt und über Spiegel 26 und 27 in ein Medium 28 eingeführt, das durch einen Brechungsindexänderung(Ä n) bei einer Änderung eines zugeführten elektrischen Felds, also durch einen elektro-optischen Effekt gekennzeichnet ist,, Ein solches Material ist Lithiummetaniobat (LiNbO-)

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und zu Erläute rungs ζ we pken kann das Medium 28 als ein LiNbO„-Kristall betrachtet werden. Ein Paar reflektierender Glieder 29 und 31 sind benachbart den Enden des Kristalls 28 derart angeordnet, daß der vom eigenschwingungsfestgehaltenen Laser 12 herrührende Impulszug den Kristall 28 dreimal durchquert, bis er ihn schließlich verläßt, um einem Verbraucher zugeführt zu werden.

Ein zweiter Ausgang des eigenschwingungsfestgehaltenen Lasers wird am anderen Begrenzungsspiegel 21 des Resonators ausgekoppelt und auf einen Photo multiplier 33 (Sekundärelektronenvervielfacher) üblicher Bauart gerichtet. Der Photomultiplier erueugt aus dem einfallenden Lichtimpulszug einen entsprechenden elektrischen Ausgang mit einer Frequenz von 56 MHz. Dieser 56 MHz-Ausgang wird in einem abgestimmten 56 MHz-Verstärker 34 verstärkt und in der dargestellten Weise dem Kristall 28 zugeführt. Die dargestellte Ankopplung der 56 MHz-Welle an den Kristall 28 besteht einfach aus einem Plattenpaar 36, 37. Die Platten 36, 37 sollen dabei für die zahlreichen bekannten Anordnungen zum Zuführen eines Felds an einen elektro-optischen Kristall repräsentativ sein.

Damit die in Fig. IB dargestellte Phasenbeziehung erreicht wird« ist ein Phasenschieber 38 im Stromkreis zwischen dem Verstärker 34 und den Platten 36 und 37 eingeschaltet, um die

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phase der 56 MHz-Welle gegenüber dem Lichtimpuls zug derart voreilend oder nacheilend einstellen zu können, daß sich die in Fig. IB dargestellte gegenseitige Phasenbeziehung ergibt. Für einen typischen Kristall 28 benötigt ein Lichtimpuls annähernd 0, 2 Nanosekunden zur Durchquerung des Kristalls. Da derjenige Teil der 56 MHz-Sinuswelle, der einen abnehmenden Brechungsindex darstellt, annähernd 5-9 Nanosekunden lang ist, können für einen Lichtimpuls ersichtlich mehrere Kristalldurchquerungen bis zum Lichtimpulsaustriät aus dem Kristall vorgesehen werden. Da der Impuls bei jeder Kristalldurchquerung in seiner Frequenz nach oben verschoben wird, erhält man insoweit eine große Frequenz verschiebung. Es sollte sich verstehen, daß diese Frequenzverschiebung eine Verschiebung der optischen Frequenz einer jeden der in Fig. 3 dargestellten Eigenschwingungsspitzen bedeutet. Der Eigenschwingungs-Abstand bleibt der gleiche, ebenso die Impulswiederholungsfrequenz, jedoch hat sich die FrequenzBusammensetzung jedes Impulses nach höheren Frequenzen hin verschoben. Eine Abwärtsverschiebung kann ersichtlich in der gleichen Weise erreicht werden durch Einstellen der gegenseitigen Phasen der Lichtimpulse und der 56 MHz-Sinuswelle derart, daß jeder Lichtimpuls einem zunehmenden Brechungs» index auegesetzt wird«

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Bei einer typischen Anordnung wurde ein quaderförmiger ferrimagnetischer Einkristall (single domain crystal) aus Lithiummetaniobat der ungefähren Abmessungen 2, 7x11x31 mm, wobei die c-Kristallachse senkrecht zur größten Oberfläche orientiert war, einem längs dieser Kristallachse verlaufenden , sich sinusförmig ändernden Feld ausgesetzt. Das elektrische Feld wurde am offenen Ende einer verkürzten Viertelwellenlängenr bandleitung erzeugt, die durch einen 56 MHz-Gegentaktverstärker gespeist wurde. Die durch ein elektrisches Feld D erzeugte Änderung des Brechungsindexes für längs der c-Achse polarisiertes Licht, der hier betrachtete Fall, ist gegeben durch

η = "V₃₃ ψ = 1, 64 χ 10"⁸E (2)

Hierin bedeuten η den außerordentlichen Brechungsindex (etwa 2, 2 bei einer Wellenlänge von 0, 633 «), r den entsprechenden elektro-optischen Kbiffizienten ( = 3,08 χ 10"⁹ cm/V) und E das elektrische Feld in V/cm. Für ein maximales Feld von annähernd 3 kV/cm beträgt die Doppler-Verschiebung für eine Kristalldurchquerung etwa 850 MHz. Viel größere Verschiebungen können durch Erhöhen der Anzahl der Kristalldurchquerungen (wobei Antireflexionsbeläge auf dem Kristall zur Reduzierung der Verluste vorgesehen sein würden), durch Erhöhen der

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Amplitude des angelegten Felds und durch Ändern der Wellenform des angelegten Felds. Wird die Amplitude des angelegten Felds erhöht, so wird die Form der Brechungsindexänderung, d. h, die Änderungsgeschwindigkeit größer und die Frequenzverschiebung pro Durchquerung größer. Zu diesem Ende ist eine Amplitudeneinstellung 39 am Verstärker 34 vorgesehen. Bei fixierter Anzahl von Durchquerungen ist dies ein zuverlässiger Weg zum Abstimmen des Ausgangs des Kristalls 28 innerhalb eines breiten Frequenzbereichs. Der Ausgang kann auch am Phasenschieber 38 abgestimmt werden, diese Methode neigt jedoch dazu, nichtlinearitäten einzuführen.

Insoweit die Sinuswelle, selbst im Bereich maximaler Steigung nicht linear ist, ist die Brechungsindexänderung in diesem Bereich, streng genommen, nicht linear. Die Linearität kann jedoch gut angenähert werden, und die Zeitspanne der maximalen Brechungsindexänderung kann durch Ändern der Wellenform der angelegten 56 «MHz-Welle geändert werden. Wenn beispielsweise sowohl die 56 MHz-Grundwelle und deren dritte Harmonische dem Kristall in entgegengesetzter Phasenbeziehung bei entsprechender Amplitudenbemessung zugeführt werden, so hat das insgesamt angelegte Feld eine besser linearisierte zeitliche Abhängigkeit als eine reine Sinuswelle in den in Frage kommenden Zeiträumen, was zu einer besserlinearisierten Brechungsindex-

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änderung führt. Zahlreiche andere Wellenformen können erzeugt werden durch Addieren oder Subtrahieren verschiedener Harmonischen im richtigen Verhältnis zur Grundwelle.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist es möglich, die Zahl der Kristalldurchquerungen durch entsprechende Anordnung der Spiegel 29 und 31 zu erhöhen derart, daß jeder Impuls nur eine Durchquerung des Kristalls pro Zyklus des angelegten Felds macht. Dies kann erreicht werden durch Einfügen einer optischen Verzögerungsleitung oder durch Wählen eines, sehr gdoßen Abstands zwischen den Spiegeln. In Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, mit der eine große Anzahl von Durchquerungen pro Halbzyklus des angelegten Felds erreicht werden kann. Der Einfachheit halber ist nur die Frequenzverschiebeanordnung dargestellt.

Die Anordnung nach Fig. 4 weist einen Kristall 41 auf, der in einem durch die reflektierenden Glieder 42 und 43 gebildeten optischen Resonator angeordnet ist. Des weiteren sind Mittel 44, 46 zum Anlegen der synchronen Spannung an den Kristall vorgesehen. Damit eine große Anzahl von Durchquerungen des Kristalls 41 erreicht werden kann, wird der Eingangsspiegel für beispielsweise die Mittelfrequenz f. eines ankommenden Impulses durchlässig gemacht, aber reflektierend für alle übrigen Frequenzen gemacht. Andererseits wird der Spiegel 43 für eine

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gewünschte Ausgangsfrequenz f_o durchlässig, aber für alle übrigen Frequenzen einschl. f₁ reflektierend gemacht. Folglich wird ein Eingangsimpuls den Spiegel 42 passieren, erfährt eine Frequenzverschiebung während seiner ersten Durchquerung des Kristalls 41, wird am Spiegel 43 reflektiert, erfährt eine weitere Frequenzverschiebung und wird dann am Spiegel 42 reflektiert. Die Reflexionen setzten sich solange fort bis die Frequenz des Impulses auf die Durchlaßfrequenz des Spiegels 43 verschoben -worden ist, worauf der Impuls aus dem Resonator über den Spiegel 43 austritt. In den Fällen, in denen die für die Anzahl der gewünschten Durchquerungen erforderliche Gesamtzeit die Länge eines Halbzyklus überschreitet, können die Spiegel 42 und 43 so weit voneinander entfernt angeordnet werden, daß jede folgende Durchquerung mit dem folgenden Zyklus der Welle zusammenfällt, wodurch der Synchronismus aufrechterhalten wird.

Bei Anwendungen der Erfindungsprinzipien konnten Frequenzver-

Schiebungen bis zu 4, 8 χ 10 Herb erreicht werden. Wie vorstehend erwähnt, können größere Frequenzverschiebungen erreicht werden durch entsprechendes Steuern der verschiedenen Systemparameter, Darüber hinaus können, da der Frequenzverschiebeeffekt kumulativ ist, mehrere Kristalle hintereinandergeschaltet werden, um noch größe Frequenzverschiebungen zu

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erreichen. Des weiteren können wegen ddieser additiven Wirkung in den Fällen, in denen ein erster Kristall in einem bei der Grundfrequenz resonannten Resonator untergebracht ist, die zur Änderung der Wellenform entsprechend den obigen Ausführungen zu benutzenden Harmonischen einem zweiten Kristall zugeführt werden, der optisch in Serie mit dem ersten geschaltet ist.

Die Erfindung ist zwar anhand elektro-optischer Kristalle beschrieben worden, es gibt jedoch viele weitere Materialien, die eine Brechungsindexänderung in Abhängigkeit eines Magnetfelds (magneto-optische Kristalle), von der Temperatur, von elastischen Wellen, insbesondere Ultraschallwellen, udd dergl. zeigen. Derartige Materialien sind jedenfalls für die Zwecke der Erfindung geeignet, dementsprechend soll der hier benutzte Ausdruck ¹¹FeId" allgemein als der die Brechungsindexänderung jeweils erzeugende Parameter bedeuten.

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Claims (8)

1639Q56. 4$ PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung mit einem der Erzeugung eines fortlaufenden Ausgangsimpulszugs dienenden Maser-Oszillator, einem Glied aus einem Medium, dessen Brechungsindex sich entsprechend einem angelegten Feld ändert, und einer Einrichtung zum Zuführen der Maserausgangsimpulse an das Glied für einen Durchgang durch daselbe,

dadurch gekennzeichnet, daß zum Ändern des Frequenzspektrums der Impulse Mittel (33, 34, 38, 37, 36) zum synchron mit den zugeführten Impulsen erfolgenden Anlegen eines sich ändernden Felds an das Glied (28) vorgesehen sind·

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Frequenzverschiebungsbetrags die Amplitude des angelegten Felds (bei 39) entsprechend geändert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Einrichtung (29, 31; 42, 43) zum Erzeugen mehrerer Durchquerungen der Impulse durch das Glied (28; 41) hindurch vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen ersten und einen zweiten teildurchlässigen

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er

Spiegel (42, 43) aufweist, die benachbart den Enden des Glieds (41) angeordnet sind, daß der erste Spiegel (42) bei der Frequenz (f ) der zugeführten Impulse durchlässig, aber bei anderen Frequenzen reflektierend ist und daß der zweite Spiegel (43) bei der Frequenz (f..) der zugeführten Impulse reflektierend, aber für Impulse einer Frequenz (f ) durchlässig ist, die von der (f..) der zugeführten Impulse verschieden ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (38) zum Einstellen der Phase des angelegten Felds gegenüber der Phase der das Glied (28, 41) durchquerenden Impulse derart vorgesehen ist, daß die Impulse das Glied während desjenigen Teils des Zyklus des angelegten Felds durchqueren, in welchem der Brechungsindex des Glieds einer maximalen Änderungsgeschwindigkeit unterliegt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als das Glied ein Lithiummetaniobat-Kristall vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als die Quelle der Impulse ein eigenschwingungsfestgehaltener Laser vorgesehen ist.

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8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das an das Glied angelegte Feld vom Ausgang des eigenschwingungsfestgehaltenen Lasers abgeleitet wird.

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