DE1639567B1

DE1639567B1 - Device for amplifying extremely short electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1639567B1
Application number: DE19631639567
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl-Phys Dr Rer Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-10-31
Filing date: 1963-10-31
Publication date: 1970-03-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verstärkung extrem kurzer elektromagnetischer Wellen mit vorzugsweise im Bereich der optischen Wellen gelegener Frequenz, bestehend aus einem stabförmigen, stimulierbaren Medium mit mehreren Energieniveaus und mit reflexionsfreier Grenzfläche zum Durchtritt von Signalenergie, einer Vorrichtung zur Zufuhr von Pumpenergie, durch die für wenigstens zwei Energieniveaus die Besetzungszahl in der Weise veränderbar ist, daß das energetisch höhere Energieniveau eine größere Besetzung als das energetisch niedrigere Energieniveau hat, und einer Koppelvorrichtung für Signalenergie.The invention relates to a device for amplification extreme short electromagnetic waves with preferably in the range of optical waves located frequency, consisting of a rod-shaped, stimulable medium with several energy levels and with a reflection-free interface for the passage of Signal energy, a device for supplying pump energy through which for at least two energy levels the occupation number is changeable in such a way that the energetic higher energy level has a larger occupation than the energetically lower energy level has, and a coupling device for signal energy.

Für die Verstärkung extrem kurzer elektromagnetischer Wellen mii vorzugsweise im Bereich der optischen Wellen gelegener Frequenz sind unter dem Fachausdruck »Laser« Einrichtungen bekannt, die in letzter Zeit vor allem Festkörper, wie Rubin-Einkristalle, aber auch gasförmige Medien, wie ein Neon-Helium-Gemisch, verwenden. Von einer ausführlichen Beschreibung derartiger Einrichtungen kann abgesehen werden, weil hierüber bereits ausführliche Arbeiten in der Literatur vorliegen. Als Beispiel wäre die Arbeit von Yariv-Gordon in der Zeitschrift Proc. of the IEEE, Januar 1963, zu nennen.For the amplification of extremely short electromagnetic waves with a frequency preferably in the range of optical waves, devices are known under the technical term "laser", which lately mainly solids, such as ruby monocrystals, but also gaseous media, such as a neon-helium Mixture, use. A detailed description of such devices can be dispensed with because extensive work on this is already available in the literature. An example would be Yariv-Gordon's work in Proc. of the IEEE, January 1963 .

Bei üblichen bekannten Laseranordnungen ist das stimulierbare Medium in einem Resonanzsystem, wie einem Fabry-Perot-Resonator angeordnet, in dem sich durch bewußt eingeführte Reflexionen Schwingungen in Form stehender Wellen ausbilden. Derartige Einrichtungen können sowohl als Oszillatoren als auch als Verstärker betrieben werden.In commonly known laser arrangements, the medium is stimulable arranged in a resonance system, such as a Fabry-Perot resonator, in which create vibrations in the form of standing waves through consciously introduced reflections. Such devices can be operated both as oscillators and as amplifiers will.

Beim Oszillatorbetrieb wird dem Medium so viel Pumpenergie zugeführt, daß die Schwelle der Selbsterregung überschritten wird. Dabei ist jedoch ohne zusätzliche Mittel keine monochromatische Strahlung möglich, weil wegen der großen geometrischen Erstreckung des stimulierbaren Mediums ün ergleich zur Betriebswellenlänge das Resonanzsystem vielfach mehrdeutig ist. Außerdem führt die Mehrdeutigkeit der Resonatoren zu zeitlichen Instabilitäten des erzeugten Lichtes bzw. der erzeugten elektromagnetischen Wellen, die durch Wechselwirkung der verschiedenen, in einem solchen Resonator erzeugten Wellenform zustande kommen.With oscillator operation, the medium is supplied with as much pump energy as that the threshold of self-excitement is exceeded. However, this is without additional Medium no monochromatic radiation possible because of the large geometric Extension of the stimulable medium equal to the operating wavelength of the resonance system is often ambiguous. In addition, the ambiguity of the resonators leads to temporal Instabilities of the generated light or generated electromagnetic waves, generated by the interaction of the different, in such a resonator Waveform come about.

Im Gegensatz zum Oszillatorbetrieb darf beim Verstärkerbetrieb dem Medium nur so viel Pumpenergie zugeführt werden, daß die Schwelle der Selbsterregung nicht erreicht wird. Dies hat zur Folge, daß nur eine geringe Verstärkung möglich ist. Durch das Resonanzsystern ist die Einrichtung ferner extrem schmalbandigo so daß es Schwierigkeiten bereitet, die Resonanzfrequenz des Resonanzsystems auf die Signalfrequenz abzustimmen.In contrast to the oscillator operation, the Medium only so much pump energy can be supplied that the threshold of self-excitation is not achieved. As a result, only a small gain is possible is. Due to the resonance system, the device is also extremely narrow-band that it is difficult to adjust the resonance frequency of the resonance system to the Match the signal frequency.

Eine andere bekannte Verstärkereinrichtung arbeitet ohne Resonanzsystem. Sie ist daher breitbandig und kann wegen der höherlieggenden Schwelle der Selbsterregung stark gepumpt werden. Trotzdem ist die Verstärkung wegen des nur einmaligen Durchlaufs der Signalenergie durch das stimulierbare Medium für die meisten Anwendungsfälle nicht ausreichend. In einer Einrichtung mit mehreren derartigen hintereinandergeschalteten Stufen (Bell Syst. Techn. Jour., Vol. 41, 1962, S. 1371 bis 1397) läßt sich zwar eine höhere Gesamtverstärkung erzielen, jedoch ist der finanzielle Mehraufwand für das stimulierbareMediumund diezwischen deneinzelnen Stufen erforderlichen Isolatoren beträchtlich. Außerdem bringen diese Isolatoren wiederum Verluste.Another known amplifier device operates without a resonance system. It is therefore broadband and, because of the higher self-excitation threshold, can be pumped strongly. Nevertheless, because the signal energy only passes through the stimulable medium once, the amplification is inadequate for most applications. In a device with several stages of this kind connected in series (Bell Syst. Techn. Jour., Vol. 41, 1962, pp. 1371 to 1397) , a higher overall gain can be achieved, but the additional financial outlay for the stimulable medium and the isolators required between the individual stages considerably. In addition, these isolators in turn cause losses.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, für eine Einrichtung der einleitend beschriebenen Art ohne optischen Resonator eine die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermeidende Lösung anzugeben, die sowohl zur reinen Verstärkung von ihr zugeführten extrem kurzen elektromagnetischen Wellen als auch als Oszillator für solche Wellen dienen kann.The object of the invention is for a Device of the type described in the introduction without an optical resonator has one disadvantage indicate the known devices avoiding solution, both to the pure Amplification of extremely short electromagnetic waves applied to it as well can serve as an oscillator for such waves.

Ausgehend von einer Einrichtung zur Verstärkung extrem kurzer elektromagnetischer Wellen mit vorzugsweise im Bereich der optischen Wellen gelegener Frequenz, bestehend aus einem stabförmigen, stimulierbaren Medium mit mehreren Energieniveaus und mit reflexionsfreier Grenzfläche zum Durchtritt von Signalenergie, einer Vorrichtung zur Zufuhr von Pumpenergie, durch die für wenigstens zwei Energieniveaus die Besetzungszahl in der Weise veränderbar ist, daß das energetisch höhere Energieniveau eine größere Besetzung als das energetisch niedrigere Energieniveau hat, und einer Koppelvorrichtung für Signalenergie, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur auf Seiten des einen Endes des stabförmigen stimulierbaren Mediums ein voll reflektierender Abschluß entweder unmittelbar auf der Stirnfläche dieses Endes oder dieser Stirnfläche benachbart vorgesehen und das andere Ende des stabförmigen stimulierbaren Mediums reflexionsfrei ausgebildet ist und daß ferner die gesamte Einrichtung so aufgebaut ist, daß Mehrfachreflexionen der zu verstärkenden Wellen im stimulierbaren Medium nicht auftreten.Starting from a device for amplifying extremely short electromagnetic Waves with a frequency preferably in the range of optical waves, consisting of from a rod-shaped, stimulable medium with several energy levels and with reflection-free interface for the passage of signal energy, a device for the supply of pump energy, through which the occupation number for at least two energy levels is changeable in such a way that the energetically higher energy level a greater one Occupation than the energetically lower energy level, and a coupling device for signal energy, this object is achieved according to the invention in that only on Sides of one end of the rod-shaped stimulable medium a fully reflective one Completion either directly on the face of this end or this face provided adjacent and the other end of the rod-shaped stimulable medium is designed to be reflection-free and that furthermore the entire device is constructed in this way is that multiple reflections of the waves to be amplified in the stimulable medium do not occur.

Durch die französische Patentschrift 1323 829 ist auch ein Laser bekannt, bei dem ein stabförmiges stimulierbares Medium innerhalb eines Fabry-Perot-Resonators angeordnet ist, der aus zwei einander gegenüberstehenden ebenen Spiegeln besteht, die unmittelbar an das stabförmige stimulierbare Me-Im dium oder im Abstand zu diesem angeordnet sind. Einer der Spiegel enthält eine kleine öffnung zur Auskopplung der Signalenergie. Im Bereich dieser öffnung besteht zwar an sich die Möglichkeit, daß ein geringer Prozentsatz der Signalenergie das stimulierbare Medium in beiden Richtungen nur einmal durchläuft. Im weitaus größeren Bereich zwischen den spiegelnden Flächen bildet sich aber eine kräftige Vielfachreflexion aus, die für den Grundcharakter dieses Lasers bestimmend ist. Er gehört also ebenfalls zur Gattung der von einem Resonator Gebrauch machenden Laseranordnungen.From the French patent specification 1323 829 a laser is also known in which a rod-shaped stimulable medium is arranged within a Fabry-Perot resonator, which consists of two opposing flat mirrors which are directly attached to the rod-shaped stimulable medium or at a distance are arranged for this. One of the mirrors contains a small opening for coupling out the signal energy. In the area of this opening there is actually the possibility that a small percentage of the signal energy passes through the stimulable medium only once in both directions. In the much larger area between the reflective surfaces, however, a powerful multiple reflection forms, which is decisive for the basic character of this laser. It therefore also belongs to the genus of laser arrangements making use of a resonator.

Eine bevorzugte Ausführung für den reflexionsfreien Abschluß des Endes des stabförmig begrenzten Mediums besteht darin, daß dieses durch eine zur Stabachse unter dem Brewsterschen Winkel geneigt verlaufende ebene Stirnfläche begrenzt ist.A preferred design for anechoic termination of the end of the rod-shaped limited medium consists in that this through a to the rod axis at the Brewster's angle inclined flat end face is limited.

Ein solcher reflexionsfreier Abschluß ist auch auf seiten des reflektierenden Abschlusses der Einrichtung dann erforderlich, wenn die erwünschte Reflexion in einem vorgegebenen Abstand von dem stabförmigen Medium erfolgt.Such a reflection-free termination is also on the part of the reflective Completion of the establishment required if the desired reflection in takes place a predetermined distance from the rod-shaped medium.

Bei der Erfindung wird für den Fall, daß die Einrichtung als Oszillator Verwendung findet, von der überlegung ausgegangen, daß es zur Vermeidung der ein 'aangs geschilderten Schwierigkeiten darauf ankommt, Mehrfachreflexionen der zu verstärkenden Wellen in dem für die Verstärkung benutzten Medium zu vermeiden, denn die Mehrdeutigkeit der bekannten Einrichtungen beruht gerade auf dem durch Mehrfachreflexionen verursachten Mehrfachdurchgang, der die Bildung stehender Wellen in dem Medium begünstigt. Der praktisch vollkommen reflexionsfreie Abschluß zumindest an einem Ende des stabförmigen stimulierbaren Mediums ermöglicht im Fall der Verwendung der Einrichtung als Generator die Erzielung der Abstrahlung weitgehend kohärenter extrem kurzer elektromagnetischer Wellen. Das ist möglich, weil durch entsprechendes Pumpen des Mediums gegebenenfalls unter zusätzlicher Kühlung desselben bis auf Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunktes schon bei zweimahgem Durchlauf die Verstärkung pro Längeneinheit des Verstärkungsweges so hoch getrieben werden kann, daß das innere Rauschen, welches von der Fachwelt auch als »Fluoreszenz-Rauschen« bezeichnet wird, auf den geforderten Ausgangspegel verstärkt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Verstärkung dieses Fluoreszenz-Rauschens in der erfindungsgemäßen Einrichtung sehr frequenzselektiv ist. Es ist damit die Frequenz der extrem kurzen elektromagnetischen Wellen weitgehend unabhängig vom Einfluß äußerer optischer Reflexionsstellen.In the invention, for the case that the device is used as an oscillator Use is based on the consideration that it is to avoid the one The difficulties outlined above depend on the multiple reflections of the too to avoid amplifying waves in the medium used for the amplification, because the ambiguity of the known Facilities just rests on the multiple passage caused by multiple reflections, the formation of standing Favors waves in the medium. The practically completely reflection-free conclusion at least at one end of the rod-shaped stimulable medium made possible in the case the use of the device as a generator largely achieves the radiation coherent extremely short electromagnetic waves. That is possible because through appropriate pumping of the medium, if necessary with additional cooling of the same except for temperatures just above absolute zero at two mahgem Pass the gain per unit length of gain path driven so high can be that the internal noise, which is also known by experts as "fluorescence noise" is referred to, is amplified to the required output level. It is to take into account that the amplification of this fluorescence noise in the inventive Facility is very frequency selective. It is therefore the frequency of the extremely short electromagnetic waves largely independent of the influence of external optical reflection points.

Bei der analogen Anwendung der Erfindung als Verstärker ist es, falls eine weitgehend lineare Verstärkung gefordert wird, wichtig darauf zu achten, daß keine übersteuerung des Mediums eintritt, die an sich durch den Pegel des zugeführten Signals oder des Fluoreszenz-Rauschens mög glich ist.In the case of the analog application of the invention as an amplifier, it is if a largely linear gain is required, it is important to ensure that no overdrive of the medium occurs, which is in itself due to the level of the supplied Signal or fluorescence noise is possible.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowohl für den Fall des Oszillators als auch für den Fall des reinen Verstärkers bestehen in folgendem: Eine erste vorteilhafte Mö-lichkeit zum reflexionsfreien Abschluß des stabförmigen stimulierbaren Mediums an einem seiner Enden ist, wie bereits erwähnt, die Begrenzung des betreffenden Stabendes in an sich bekannter Weise durch eine zur Stabachse unter dem Brewsterschen Winkel geneigt verlaufende Stirnfläche. Wie Untersuchungen gezeigt haben, können hierbei die Reflexionsfaktoren, beispielsweise bei einem Rubinstab, unter Anwendung der heutigen Schleiftechnik betragsmäßig kleiner als 10-6 bis 10-7 gehalten werden, und zwar für Strahlen, die parallel zur Stabachse verlaufen. Wird der Stab genügend lang gewählt, bei entsprechend dünnem Querschnitt, so -ist der reflexionsfreie Abschluß des Stabendes praktisch für alle die gesamte Stablänge durchlaufenden Strahlen hinreichend gut. Eine andere Lösung des reflexionsfreien Abschlusses, die gegebenenfalls zusätzlich zu dem Abschluß unter den Brewsterschen Winkel angewendet werden kann, ist die Anordnung wenigstens einer optischen Vergütungsschicht zum übergang von dem stimullerbaren Medium in das anschließende Außenmedium, das inaktiv ist. Es empfiehlt sich ferner, die Begrenzung des stabförmigen stimulierbaren Mediums in dem zwischen den Enden gelegenen Bereich möglichst überhaupt nicht reflektierend oder höchstens diffus reflektierend auszubilden. Beispielsweise kann dies bei Verwendung eines Festkörperstabes als stimulierbares Medium in der Weise geschehen, daß der Stab in dem zwischen den beiden Enden gelegenen Teil auf seiner Außenfläche aufgerauht ist. Eine hierzu alternative Lösung besteht darin, daß das stabförmige stimulierbare Medium in einem Körper aus inaktivem Material eingebettet wird, das praktisch den gleichen Brechungskoeffizienten wie das stimulierbare Medium hat und dessen Durchmesser im Vergleich zu -dem des stabförmigen stimulierbaren begrenzten Mediums derart groß gewählt ist, daß Reflexionen an der äußeren Begrenzung des inaktiven Materials zumindest nicht unmittelbar in das stimulierbare Medium erfolgen.Advantageous embodiments of the invention for the case of the oscillator as well as for the case of the pure amplifier consist in the following: A first advantageous possibility for the reflection-free closure of the rod-shaped stimulable medium at one of its ends is, as already mentioned, the limitation of the relevant rod end in a manner known per se by an end face which runs inclined to the rod axis at the Brewster's angle. As studies have shown, the reflection factors, for example in the case of a ruby rod, can be kept smaller than 10-6 to 10-7 using today's grinding technology, namely for rays that run parallel to the rod axis. If the rod is chosen to be sufficiently long, with a correspondingly thin cross-section, the reflection-free termination of the rod end is sufficiently good for practically all rays passing through the entire length of the rod. Another solution of the reflection-free closure, which can optionally be used in addition to the closure under Brewster's angle, is the arrangement of at least one optical coating for the transition from the stimulable medium to the adjoining external medium, which is inactive. It is also advisable to make the delimitation of the rod-shaped stimulable medium in the area between the ends as non-reflective as possible or at most diffusely reflective. For example, when using a solid-state rod as the stimulable medium, this can be done in such a way that the outer surface of the rod is roughened in the part located between the two ends. An alternative solution is that the rod-shaped stimulable medium is embedded in a body of inert material, which has practically the same refractive index as the stimulable medium and its diameter as compared to - that of the rod-shaped stimulable limited medium is such selected large that Reflections at the outer boundary of the inactive material do not take place at least directly into the stimulable medium.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Oszillator wird zweckmäßig das reflektierende Ende des stabförmigen stimulierbaren Mediums mit einem Abschluß versehen, der vorzugsweise frequenzselektiv oder hinsichtlich der Schwingungsart bzw. der Laufrichtung der Wellen selektiv ist. Als Quelle der zu verstärkenden und von dem Oszillator abzug geb enden Wellen dient dabei vorteilhaft das Eigenrauschen des stimulierbaren Mediums.When using the device according to the invention as an oscillator expediently the reflective end of the rod-shaped stimulable medium with a Provided closure, which is preferably frequency-selective or with regard to the type of vibration or the direction of travel of the waves is selective. As a source of reinforcement and Waves that are subtracted from the oscillator are advantageously used for the inherent noise of the stimulable medium.

Wird die erfindungsgemäße Einrichtung zur Verstärkung extrem kurzer elektromagnetischer Wellen verwendet, so sind bei der Einrichtung zusätzlich noch Mittel für die Zufuhr dieser Wellen vorzusehen. Die Zufuhr erfolgt dabei über das Stabende, welches rellexionsfrei abgeschlossen ist.If the device according to the invention for amplification is extremely short electromagnetic waves are used, so are in addition to the establishment Provide means for feeding these waves. The supply takes place via the Rod end, which is closed without reflection.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Auftrennung des Weges der in den Verstärker eingespeisten Wellen gegenüber den in dem Verstärker verstärkten Wellen ist durch die Verwendung einer Polarisationsweiche am rellexionsfrei abgeschlossenen Stabende gegeben. In diesem Fall ist im Bereich des reflektierend abgeschlossenen Endes des Stabes aus stimulierbarern Medium eine Einrichtung vorzusehen, welche den Polarisationszustand der verstärkten Wellen gegenüber dem Polarisationszustand der auf die Einrichtung zulaufenden zu verstärkenden Wellen in unterschiedlicher Weise ändert. Eine solche Polarisationsweiche kann beispielsweise aus einem Nicolschen Prisma bestehen, und als den Polarisationszustand verändernde Einrichtung ist beispielsweise ein Faradaydreher am reflektierend abgeschlossenen Stabende denkbar. Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.An advantageous way of separating the path in the Amplifier fed waves versus the amplified in the amplifier waves is sealed by the use of a polarization switch on the non-reflective Given end of rod. In this case it is finished in the reflective area End of the rod of stimulable medium to provide a device which the polarization state of the amplified waves versus the polarization state of the waves to be amplified approaching the device in different Way changes. Such a polarization switch can, for example, consist of a Nicolian Prism exist, and as the polarization state changing device is for example a Faraday rotator at the reflective end of the rod is conceivable. Below the invention is explained in more detail on the basis of exemplary embodiments.

F i g. 1 zeigt zunächst ein Beispiel für einen mölichen Aufbau eines Oszillators nach der Lehre der Erfinduna. Ein Stab 1 aus stimulierbarem Medium, wie Rubin, ist am einen Ende 2 zu einem total reflektierenden Prisma geschäffen, das einen Prismenwinkel von 901 hat. Am anderen Stabende ist die Endfläche 3 ebenflächig unter einem Winkel von etwa 601 zur Stablängsachse geschliffen und poliert, so daß parallel zur Stabachse, die strichpunktiert eingezeichnet und mit 7 bezeichnet ist, auf diese Endfläche auftreffende Strahlen unter dem Brewsterschen Winkel von etwa 300 auf diese Endfläche 3 auftreffen und damit diese praktisch reflexionsfrei passieren. Die Form des stabförmigen Körpers ist zum besseren Verständnis der F 1 g. 1 zusätzlich noch in F i 2 gesondert gezeigt. Der stabförmige Körper 1 ist in seinem zwischen den Enden 2 und 3 gelegenen Bereich auf der Außenseite aufgerauht. Die Zuführung der für das Arbeiten erforderlichen Pumpenergie, die von einer beim Ausführungsbeispiel ebenfalls stabförmigen Lichtquelle 4 geliefert wird, geschieht über ein Beleuchtungssystem mit einem elliptischen Zylinderspieggel 5. Der Stab 1 und die stabförmige Lichtquelle 4 liegen mit ihren Längsachsen 6, 7 dabei praktisch in den beiden Brennlinien des elliptischen Zylinderspiegels.F i g. 1 initially shows an example of a possible structure of an oscillator according to the teaching of the invention. A rod 1 made of a stimulable medium, such as ruby, is sheared at one end 2 to form a totally reflective prism which has a prism angle of 901 . At the other end of the rod, the end face 3 is ground and polished flat at an angle of approximately 601 to the longitudinal axis of the rod, so that rays impinging on this end face at the Brewster's angle of approximately 300 parallel to the rod axis, which is drawn in dash-dotted lines and denoted by 7 3 and thus these pass practically without reflection. The shape of the rod-shaped body is for a better understanding of the F 1 g. 1 also shown separately in F i 2. The rod-shaped body 1 is roughened on the outside in its area located between the ends 2 and 3. The supply of the pump energy required for the work, which is supplied by a rod-shaped light source 4 in the embodiment, is done via a lighting system with an elliptical cylinder mirror 5. The rod 1 and the rod-shaped light source 4 are practically in the with their longitudinal axes 6, 7 both focal lines of the elliptical cylinder mirror.

Eine andere besonders- vorteilhafte Ausnutzung der Pumpenergie ist möglich, wenn als Spiegel für das Pumplicht ein Rotationsellipsoidspiegel in exfokaIer Anordnung verwendet wird, der Gegenstand eines älteren Vorschlags ist.Another particularly advantageous use the Pump energy is possible if the mirror for the pump light is an ellipsoid of rotation mirror is used in an excerpt form which is the subject of an earlier proposal.

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung im Oszillator ist derart, daß von der Lichtquelle4 über die Beleuchtungseinrichtung 5 das Pumplicht auf das stimulierbare stabfönnige Medium 1 konzentriert wird und dabei, wenn die Energie des Pumplichtes genügend hoch gewählt wird, das stiniulierbare Medium 1 in einem gewissen Spektralbereich in den verstärkungsfähigen Zustand bringt. Das in dem stimulierbaren Medium dabei vorhandene Fluoreszenz-Rauschen wird im stimulierbaren Medium verstärkt. Nimmt man als Bereich des Fluoreszenz-Rauschens einen beispielsweise am Ende 2 gelegenen Bereich an, so durchläuft dieses den Stab nur einmal in Richtung zum Ende 3, wobei es beispielsweise um den Faktor 100 bis 1000 verstärkt und über das Ende 3 abgestrahlt wird. Hingegen wird Fluoreszenz-Rauschen, welches überwiegend aus dem Ende 3 des stabförmigen stimulierbaren Mediums stammt und sich auf das Ende 2 hin ausbreitet, dort reflektiert und nochmals durch den stabförmigen Körper 1 geführt und verstärkt. Derartiges Fluoreszenz-Rauschen wird dann bei den angenommenen Werten um den Faktor 104 bis 106 verstärkt. Es stellt also den überwiegenden Teil der Ausgangsenergie, der über das Ende 3 abgegeben wird, dar. Die Abstrahlung über das reflexionsfrei abgeschlossene Ende 3 des stabförmigen Körpers 1 aus stimulierbarem Medium erfolgt innerhalb eines gewissen Raumwinkels. Dieser Raumwinkel ist durch die Bedingung bestimmt, daß alle von der Endfläche 2 ausgehenden Strahlen die Endfläche 3 im unmittelbaren Weg passieren müssen. Bei einem ausgeführten Oszillator dieser Art wurde als stimulierbares Medium ein Rubin mit 0,035% Chrom verwendet, der eine Länge von 138 mm und einen Durchmesser von 7 mm hatte. Es handelt sich hierbei um einen 901-Rubin, d. h., die Kristallachse des Rubineinkristalls war -unter 901 zur Stabachse orientiert. Als Lichtquelle 4 diente eine Blitzlampe mit einer Länge von etwa 15 cm und einem Durchmesser von etwa 7 mm. Der Stab aus aktivem Material wurde hierbei mit verdampfendem Stickstoffgas auf eine Temperatur von etwa 1300 Kelvin gekühlt, bei einer Pumpenergie in der Größenordnung von 400 bis 1000 Wattsekunden pro Impuls. Mit diesen Betriebsbedingungen arbeitet die Einrichtung als Lichtoszillator in der vorstehend beschriebenen Weise unter Emission eines intensiven, scharf gebündelten Lichtstrahls im Bereich des roten Lichtes. Wie die experimentelle überprüfung ergeben hat, handelte es sich hierbei ausschließlich um verstärktes Fluoreszenz-Rauschen.The mode of operation of this device in the oscillator is such that the pump light is concentrated from the light source 4 via the lighting device 5 onto the stimulable rod-shaped medium 1 and, if the energy of the pump light is selected sufficiently high, the stimulable medium 1 in a certain spectral range in the brings amplifiable state. The fluorescence noise present in the stimulable medium is amplified in the stimulable medium. If one assumes an area at end 2, for example, as the area of fluorescence noise, then it passes through the rod only once in the direction of end 3, where it is amplified, for example, by a factor of 100 to 1000 and emitted via end 3. In contrast, fluorescence noise, which originates predominantly from the end 3 of the rod-shaped stimulable medium and spreads towards the end 2, is reflected there and again guided through the rod-shaped body 1 and amplified. Such fluorescence noise is then amplified by a factor of 104 to 106 with the assumed values. It thus represents the predominant part of the output energy which is emitted via the end 3. The radiation via the reflection-free closed end 3 of the rod-shaped body 1 made of a stimulable medium takes place within a certain solid angle. This solid angle is determined by the condition that all rays emanating from the end face 2 must pass the end face 3 in the immediate way. In an implemented oscillator of this type, a ruby with 0.035% chromium, which had a length of 138 mm and a diameter of 7 mm, was used as the stimulable medium. This is a 901 ruby, i. That is, the crystal axis of the ruby single crystal was oriented at 901 to the rod axis. A flash lamp with a length of about 15 cm and a diameter of about 7 mm was used as the light source 4. The rod made of active material was cooled to a temperature of about 1300 Kelvin with evaporating nitrogen gas, with a pump energy of the order of 400 to 1000 watt seconds per pulse. With these operating conditions, the device works as a light oscillator in the manner described above with the emission of an intense, sharply focused light beam in the range of red light. As the experimental check has shown, this was exclusively a matter of increased fluorescence noise.

Hinsichtlich des Abschlusses 2 ist auch an andere Endbegrenzungen als Prismen gedacht. Beispielsweise ist eine normale zur Stablängsachse ausgerichtete ebenflächige oder gekrümmte Begrenzung, die gegebenenfalls zusätzlich verspiegelt ist, mit Erfolg anwendbar.With regard to degree 2, there are also other end limits intended as prisms. For example, a normal to the rod longitudinal axis is aligned flat or curved boundary, which may also be mirrored is applicable with success.

Eine vorteilhafte Ausbildung dieser Art ist die beispielsweise in F i g. 3 schematisch gezeigte. Dabei ist die Beleuchtungseinrichtung, die beispielsweise so wie in F i g. 1 gezeigt ausgebildet sein kann, aus Gründen der übersichtlichkeit weggelassen. Es ist in diesem Fall der Stab 1 am einen Ende mit einer gekrümmten Fläche 9, z. B. parabolischer Gestalt, begrenzt. Diese Begrenzungsfläche ist vorzugsweise in an sich bekannter Weise mit einer optischen Vergütungsschicht 10 zur Verringerung von Reflexionen an dieser Stelle versehen. Die Be-renzungsfläche ist in der Form derart gewählt, daß sie die durch die Pfeilrichtung angedeuteten, in Stab 1 parallel verlaufenden Strahlen in einem Punkt sammelt. In dem Brennpunkt der Begrenzungsfläche q ist eine Lochblende 11 vorgesehen, die nur Strahlen passieren läßt, welche aus parallel zur Stabachse verlaufenden Strahlen gesammelt werden. Derartige Strahlen treten durch die dementsprechend im öffnungsdurchmesser bemessene Lochblende 11 hindurch und treffen auf einen reflektierenden Kugelspiegel 12, der diese Strahlen in den Stab 1 reflektiert, wobei diese im wesentlichen wieder parallel zur Stablängsachse ausgerichtet sind. Diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung hat den zusätzlichen Vorteil, daß der öffnungswinkel der über die Brewstersche Fläche 3 abgestrahlten Wellen wesentlich gegenüber dem in der F i g. 1 dargestellten Fall verringert ist. Zur weiteren Erhöhung der Frequenzselektivität der gesamten Einrichtung kann in diesem äußeren Reflexionsweg, beispielsweise zwischen der Lochblende 11 und dem KugeIspiegel 12, wie gestrichelt angedeutet, ein frequenzselektives Resonanzsystem, beispielsweise ein gekrümmte Endflächen aufweisender Fabry-Perot-Resonator R, eingebaut werden.An advantageous embodiment of this type is that shown in FIG. 3 shown schematically. The lighting device, for example as shown in FIG. 1 shown can be omitted for the sake of clarity. It is in this case the rod 1 at one end with a curved surface 9, e.g. B. parabolic shape, limited. This boundary surface is preferably provided in a manner known per se with an optical coating layer 10 to reduce reflections at this point. The Be-renzungsfläche is selected in the mold such that the direction indicated by the arrow, collects in rod 1 extending parallel rays into one point. At the focal point of the boundary surface q, a perforated diaphragm 11 is provided which only allows rays to pass which are collected from rays running parallel to the rod axis. Such rays pass through the perforated diaphragm 11 with the corresponding opening diameter and strike a reflecting spherical mirror 12, which reflects these rays into the rod 1 , whereby these are again aligned essentially parallel to the rod longitudinal axis. This embodiment of a device according to the invention has the additional advantage that the opening angle of the waves emitted over Brewster's surface 3 is significantly greater than that shown in FIG. 1 illustrated case is reduced. To further increase the frequency selectivity of the entire device, a frequency-selective resonance system, for example a Fabry-Perot resonator R with curved end faces, can be installed in this external reflection path, for example between the perforated diaphragm 11 and the spherical mirror 12, as indicated by dashed lines.

Es ist an sich für einen Helium-Gaslaser und auch für Festkörperlaser, die als optisches Resonanzsystem ausgebildet sind, bekannt, wenigstens eine der Endflächen unter dem Brewsterschen Winkel geneigt auszuführen, und zwar, um die Reflexion für die in der Einfallsebene polarisierte Strahlung zu vermindern. Hierbei handelt es sich aber nicht um von stehenden Wellen praktisch freie Verstärkungsysteme, sondern um Oszillatorsysteme, die, wie einleitend dargelegt, auf der Bildung stark ausgeprägter stehender Wellen und damit innerer Rückkopplung des gesamten Systems arbeiten und hierzu gegebenenfalls durch äußere Spiegel zu einem Resonator nach dem Fabry-Perot-System ergänzt sind. Der Grund für die Anwendung von Endflächen, die unter dem Brewsterschen Winkel ausgerichtet sind, ist bei den bekannten Einrichtungen, nach Möglichkeit Reflexionsverluste vor der durch den Spiegel des Resonanzsystems festgelegten Begrenzung weitgehend zu unterbinden. Diese bekannten Einrichtungen haben also die eingangs bereits erwähnte Eigenschaft der Vieldeutigkeit, deren Vermeidung gerade die Aufgabe der Erfindung ist. Die erwähnten bekannten Einrichtungen unterscheiden sich weiterhin von einer erfindungsgemäßen Einrichtung noch durch die im Vergleich zum Erfindungsgegenstand relativ geringe Verstärkung pro Längeneinheit des Verstärkungsweges. Bei bekannten Ausführungen dieser erwähnten Einrichtungen liegen die Verstärkungswerte beispielsweise bei 1,05 für eine Verstärkungsweglänge von etwa 5 bis 10 cm, während für eine solche Verstärkungsweglänge beim Erfindungsgegenstand die Verstärkungswerte beispielsweise in der Größenordnung von 105 bis 106 ohne Schwierigkeiten gewählt werden können. Das ist vor allem durch entsprechend starkes Pumpen erreichbar, vorzugsweise unter gleichzeitiger KüWung des Festkörpers auf eine entsprechend tiefe Temperatur, beispielsweise die von flüssigem Stickstoff.It is known per se for a helium gas laser and also for solid-state lasers which are designed as an optical resonance system to make at least one of the end faces inclined at the Brewster angle in order to reduce the reflection for the radiation polarized in the plane of incidence. However, these are not amplification systems that are practically free of standing waves, but oscillator systems which, as explained in the introduction, work on the formation of strongly pronounced standing waves and thus internal feedback of the entire system and, if necessary, through external mirrors to a resonator after the Fabry-Perot system are added. The reason for the use of end faces which are aligned at the Brewster angle is, in the known devices, to largely prevent reflection losses before the delimitation established by the mirror of the resonance system, if possible. These known devices thus have the property of ambiguity already mentioned at the beginning, the avoidance of which is precisely the object of the invention. The known devices mentioned also differ from a device according to the invention by the relatively low gain per unit length of the gain path compared to the subject matter of the invention. In known designs of these devices mentioned, the gain values are, for example, 1.05 for a gain path length of about 5 to 10 cm, while for such a gain path length in the subject matter of the invention, the gain values, for example, of the order of 105 to 106 can be selected without difficulty. This can be achieved above all by means of correspondingly strong pumping, preferably with simultaneous cooling of the solid to a correspondingly low temperature, for example that of liquid nitrogen.

Claims

Claims: 1. Device for amplifying extremely short electromagnetic waves with a frequency preferably in the range of optical waves, consisting of a rod-shaped, stimulable medium with several energy levels and with a reflection-free interface for the passage of signal energy, a device for supplying pump energy through the occupation number for at least two energy levels can be changed in such a way that the energetically higher energy level has a greater occupation than the energetically lower energy level, and a coupling device for signal energy, d a - characterized in that only on the side of one end of the rod-shaped stimulable Medium a fully reflective closure is provided either directly on the end face of this end or adjacent to this end face and the other end of the rod-shaped stimulable medium is non-reflective and furthermore the entire device is constructed in such a way, that multiple reflections of the waves to be amplified do not occur in the sterilizable medium.

2. Device according to claim 1, characterized in that the reflection-free closed end of the rod-shaped stimulable medium is limited by a flat end face which is inclined to the rod axis at Brewster's angle. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection-free closed end of the rod-shaped stimulable medium merges into a body of material permeable to the waves, which is inactive and has practically the same refractive index as the rod-shaped stimulable medium. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reflection-free closed end of the rod-shaped stimulable medium is provided with at least one optical coating for a reflection-free transition into the external medium. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the delimitation of the rod-shaped stimulable medium in the area between the ends -elegenen area is at most diffusely reflective. 6. Device according to claim 5, characterized in that when using a solid body as a rod-shaped stimulable medium, the rod is roughened in the part located between the ends on its outer surface. 7. Device according to claim 5, characterized in that the stabfönnige stimulable medium is embedded in a body which consists of inactive material which has practically the same refractive index as the stimulable medium and whose diameter is chosen so large compared to that of the stabförinigen stimulable medium is that reflections at the boundaries of the inactive material take place at least not directly into the stimulable medium. 8. Device according to claim 1, characterized in that the termination reflecting the signal energy is designed to be frequency and / or type of vibration selective. 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the coupling device for the signal energy is a polarization switch. 10. Device according to one of claims 1 to 8, characterized by its use as an oscillator in such a way that the pump energy supplied to the rod-shaped stimulable medium is dimensioned for the self-excitation of the device using the fluorescence noise.