-
| Hohlspiegelsystem für Molekularverstärker |
| ----------------------------------------- |
| Die Erfindung bezieht AM auf ein Hohlopiegelsystem für |
| die Übertragung der Pumplichtenergie von einer i'umplicht- |
| quelle zu einem stimulierbaren Medium eines ?olohular
ver-- |
| oleula.x°@rez=;-i:äx=°ero. |
| stürker; , insbesondere optischen |
| Das Arbeitsprinzip einen '.Ialekularver ..a .irk .°e. W
:f=-._ |
| in der Literatur schon hinreichend beschrieben, |
| soll zurr besseren Vers üKnünis zunKehs ; puh an:.t@. .ä ää |
| einfachen Beispiels nochmals kurz nu f dir |
| eines derartigen |
| f1;. zAgt ein JJ1.it@t._;ii@t@ -!.k: -teil .l%.- -'e!.' . r
._ . . _ .*. - |
| Ene rge .und auf der Abo.. i.se AM eigener!."
- : Min -., .._ |
| c;-!Ii.., 11 |
| l : 11111. -_, -_ 1..-_ ._." . ..
... - . . - ' |
stellung der Energieverteilung für ein stimulierbares Medium mit
drei Energieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus sind mit E1, E2 und E3 bezeichnet.
Ihre Besetzung, darunter wird die Anzahl der jeweiligen Atome mit diesem Energiezustand
verstanden, ist im thermischen Gleichgewicht so, daß die höheren Energieniveaus
weniger besetzt sind als die tieferen Energieniveaus. Die Verteilung entspricht
einer Boltzmann-Verteilung und ist in der Fig. 1 mit B bezeichnet. Der Schnittpunkt
dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an, welche Besetzungszahlen den
einzelnen Energieniveaus zukommen. Beim Festkörper-Molekularverstärker, das ist
ein Molekularverstärker, bei deni das stimulierbare Medium aus einem Festkörper,
wie Rubin od.dgl., besteht, wird die Aufspaltung in die einzelnen Energieniveaus,
beispielsweise durch ein äußeres ?.Iagnetfeld entsprechender Orientierung und Größe
erzwungen. Es können aber auch im stimulierbaren ?,Iedium eigene Energieniveaus,
die keine zusätzlichen äußeren Mittel erfordern, Verwendung
| finden. Die Aufspaltung wird so gewählt oder es wird ein |
| solche:; @,tini;zl-ic:x-bares triedium ver"rendet, daß der
Ab- |
| stand den den Energieniveaus E1 an d .E2 dem Produkt |
| h ' f@ und der Abstand der Energieniveaus E1 , E J dem |
| @'xodukt :: f'p entspriL#rit, worin h das Plancksche Wir- |
| f J die Signalfrequenz und fn die Frequenz |
| @-e1 @;alfii zuge #iitirte:i Pumpschwingung bedeuten. |
| vur;ran@; in e-ir:@@r;a d@@L@artigen i |
| ML,'k:11,". rieht f? t@'la 1"J1!.? ,*@ t1 g t vor |
| @;:2t' fumIIErgi @...' i1 f1le: Be ;.3L3tZllii., . |
| 1.v #..._@jeiiii,Ae1@t@ 11 n3 |
auf n3' erhöht. Weil die Zahl der Atome in dem stimulierbaren Medium
festliegt, verringert sich damit die Besetzung bei Ei um den gleichen Betrag. Die
Besetzung geht also für E
i zurück von ni auf ni'. Es ist somit für E2 eine
größere Besetzungszahl (n2) erzwungen als für Ei, das die Besetzung n,' hat. Wird
nun eine äußere Signalschwingung mit der Frequenz fs zugeführt, so gehen Atome mit
dem Energiezustand E2 in den Energiezustand E1 über. Gleichzeitig tritt auch eine
gewisse Transportierung von Atomen des Energiezustandes Ei in den Energiezustand
E2 ein. Der Übergang von E2 nach Ei entspricht ex4:er induzierten Emission des stimulierbaren
Mediums auf der Frequenz fs, während der Übergang von Ei nach E2 einer Absorption
der induzierten Signalenergie entspricht. Durch die mittels des Pumpens erzwungene
Besetzung der Energie#I1iveaus E, und
E 2 überwiegt jedoch
| die induzierte Emission gegL der @br-or;.-ti, so |
| daß insgesamt mehr Signalenergie c3::.- . ~@a.@:Az fs
vom |
| stimulierbaren Medium emittiert wird, als einfa:#I.ende |
| bzw. induzierende Signalenergie mit der Frequenz f. |
| in dem stimulierbaren Medium absorbiert wird. |
| Das |
| ist nur eines der mögli.-,.4en |
| "_'ysteme, nach denen Molekularverstärker arbeiten können. |
| 3s gibt auch Systeme mit beispielsweise vier und mehr |
| ';-weaus, auf deren Erläuterung zur Vereinfachung hier |
| ...: näher eingegangen werden soll, da sie analog |
| eitere. A2:-: Pumpschwingung werden zwar im Bereich |
| ledrigeb Signalfrequenzen Schwingungen im Mikrowellen- |
bereich verwendet, jedoch hat sich gezeigt, da13 z. B.
-
zur Verstäryzung von Mikrogellen als Pumpschwingungen auch Lichtschwingungen
mit Vorteil verwendbar sind. Liegt
schließlich, wie beim
Laser, die Signal-Schwingung im Bereich der optischen Frequenzen, so sind als Pumpschwingungen
Lichtschwingungen zu verwenden. Beleuchtungseinrichtungen für diese Zwecke werden
zur Erzielung eines wenigstens einigermaßen tragbaren Wirkungsgrades - bezogen auf
die aufgeviendete Pumplichtenergie - bisher so gestaltet, daß die Lichtquellen über
ein Spiegelsystem in das stimulierbare Medium abgebildet werden. Das stimulierbare
Medium, z. B. das Lasermaterial, hat dabei meist Stabform.
-
Bei einer bekannten Ausführung ist dieses stabförmige stimulierbare
Medium von einer wendelförmigen Xenon-Blit--lampe umschlossen und diese Beleuchtungsvorrichtung
befindet sich mitsamt dem stabförmigen stimulierbaren Medium zentrisch in einem
beispielsweise zylindrischen Reflektor mit Kreisquerschnitt. Der Wirkungsgrad dieser
Ausbildung einer Beleuchtungseinrichtung ist relativ gering.
-
Eine Verbesserung wird jedoch nach bekannten Vorschlägen dann erzielt,
wenn die Pumplichtquelle und das stiinulierbare Medium örtlich getrennt und in den
beiden Brennpunkten, Brennlinien oder Brennkreisen eines elliptischen Spiegelsystems
derart angeordnet werden, daß die von dem einen Brennpunktrder einen Brennlinie
oder dem einen Brennkreis ausgehende Pumplichtenergie sich wenigstens nahezu vollständig
in dem anderen Brennpunkt, in der anderen Brennlinie oder in dem anderen Brennkreis
konzentriert, in der sich das stimulierbare Medium,
z.8. das Lasermaterial,
befindet. Es wird auf diese Weise jedoch wegen der unvermeidbaren Abbildungsfehler
n:i alle vorhandene Pumplichtenergie dem stimulierbaren Medium zugeführt und vor
allem, wenn es sich um optisch dünnes stimulierbares Medium handelt, Brie schizach
dotierten Rubin, wird für die Anregung des stimulierbaren Mediums nur ein geringer
Anteil der gesamten Pumplichtenergie durch Absorption im stimulierbaren Medium ausgenutzt.
Bekannt ist auch ein optischer Molekularverstärker, bei dem innerhalb eines kugelförmigen
Hohlspiegels längs dessen Durchmesser eine stabförmige Pumplichtquelle und ein atabförmiges
stimulierbares Medium angeordnet sind. Die Pumplichtquelle erstreckt sich vom Mittelpunkt
bis zu der einen Hohlspiegelwand. Das stimulierbare Medium ist erheblich kürzer
als die Pumplichtquelle und ragt von der gegenüberliegenden Hohlspiegelwand in den
Hohlspiegel hinein. Auch bei dieser Ausführungsform eines optischen l:olekularverstärkers
wird nur ein geringer Teil der gesamten Pumplichtenergie durch Absorption im stimulierbaren
Medium ausgenutzt, ereil ein erheblicher Anteil der Pumplichtenergie am stimulierbaren
Medium vorbeigeht. Denselben Nachteil freist ein optischer Molekularverstärker mit
einem kreiszylindrischen Hohlspiegel auf, zu dessen Brennlinie parallel, eng benachbart
und exfokal eine Pumplichtquelle und ein stimullerbar eü ?.:ediu r:@ angeordnet
sind, deren T@urcrmesäc° kl(zin e:,geii dyri Durchmesser dis Horilspiegel ä sind.
| Bekanxi; ist weiter ein |
| steti"#:ncier 'Dellen füx°@:::.. |
einander gegenüberstehenden und das stimulier bare 11ledium begrenzenden
Spiegeln besteht, von denen wenigstens einer konkav gegen das stimulierbare Medium
ist. Bei dieser Anordnung handelt es sich jedoch um kein Spiegelsystem für die Beleuchtung
de; stimulierbaren Mediums, sondern um einen optischen Resonator für das Laserlicht.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hohlspiegelsystem für
einen Holekularverotürker zu realisieren, bei dem der Anteil des im stimulierbaren
Medium absorbierten Pumplichts bezogen auf die von der Pumplichtquelle zur Verfügung
gestellte Energie -gegenüber den bisher bekannten Molekularverstärkern wesentlich
erhöht ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein parabolisch-zylindrischer,
rotationsparabolischer oder ein zwischen den Brennlinien bzw. Brennpunkten geöffneter
elliptisch-zylindrischer oder rotationselliptischer Hohlspiegel vorgesehen ist,
daß zwischen der inneren Brennlinie bzw. Brennpunkt und der zur Parabelachse oder
großen Ellipsenachse senkrechten Apertur ein parallel zu dieser angeordnetes stimulierbares
Medium vorgesehen ist, daß die Pumplichtquelle innerhalb des vom stimulierbaren
Medium und dem Hohlspiegel begrenzten Raumes vorgesehen ist, und daß ein der Rückführung
des durch das stimulierbare ldediun hindurch aus diesem Raum austretenden Puriulichts
dienender weiterer Spiegel vorgesehen ist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der weitere Spiegel ein die Öffnung des Hohlspiegels im Bereich seiner Apertur
abschließender, senkrecht zur Parabelachse bz"-r. zur großen E11ip:eriach:,e angeordneter
ebener Spiegel ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung gibt der geöffnete elliptisch-zylindrische oder rotationselliptische
Hohlspiegel zusammen mit dem weiteren Spiegel einen geschlossenen elliptisch-zylindrischen
oder rotationselliptischen Hohlspiegel ab.
-
Man kann sich die wesentliche Verbesserung durch die erfindungsgemäßen
Lösungen daraus erklären, daß das von der Pumplichtquelle stammende Pumplicht in
den Bereich des stimulierbaren Mediums praktisch vollständig gespiegelt wird, unter
Verneidung der sonst vorhandenen Abbildungsfehler, und daß, außerdem bei einem optisch
dünnen beleuchteten stimuliL,-baren Medium das Pumplicht mehrmal: durch Reflexion
das stimulierbare Medium durchdringt, wobei jedesmal ein gewisser Anteil des Pumplichts
im stimulierbaren Medium absorbiert wird. Gerade hierfür ist es besonders vorteilhaft,
als Pumplichtquelle eine, bezogen auf ihr eigenes Punplicht, optisch üurvne Quelle,rie
eine Gasentladungslampe, vor allem eine Hochdri@:ic yj g Vorzusehen. Wie der Erfindung
zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, gilt nämlich auch für derartige
Beleuchtungseinrichtungen der bekannte Zehrsatz, daß die Energiedichte am Abbildungsort
höchstens gleich der Energiedichte Inder Lichtquelle sein kann. Durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung wird eine Erhöhung der Energiedichte der
Pumplichtquelle und damit im stimulierbaren Medium, verbunden mit einer besseren
Lichtausnutzung, erreicht.
-
':'wehstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung mit wesentlichen
Einzelheiten gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die
Fig.2 zeigt einen parabolischen Zylinder 1, der auf seiner Innenfläche möglichst
vollständig reflektierend ausgebildet ist. Z.B. kann der parabolische Zylinder 1
aus einem Metallblech bestehen, das auf der Innenseite mit einem vollständig reflektierenden
Überzug versehen ist. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch ercriesen, wenn
der parabolische Zylinder 1 aus Aluminium insbesondere hohen Reinheitsgrades hergestellt
wird, und die Eigenschaft möglichst vollständiger Reflexion durch Oberflächer politur
seiner Innenfläche erhält. Der parabolische Zylinder 1 ist durch einen ebenen Spiegel
2 abgeschlossen, der in gleicher Weise als Spiegel ausgebildet sein kann, wie der
parabolische Zylinder 1. Die Flächennormale dieses Spiegels wird vorteilhaft senkrecht
zur Brennlinie des zylindrischen Parabols ausgerichtet. Vorteilhaft ist es weiterhin,
wenn der ebene Spiegel den Ausschnitt des zylindrischen Parabols symmetrisch begrenzt.
Vor dem ebenen Spiegel 2 ist das zu beleuchtende stimulierbare Medium 3 in Form
einer wenigstens teilweise den ebenen Spiegel abdeckenden Platte angeordnet. Die
eigentliche Pumplichtquelle befindet sich in der Brennlinie 4 des parabolischen
Zylinders und hat die Form eines Stabes 5. Die Pumplichtquelle ist zweckmäßig eine
Gasentladungslanpe, wie eine Xenon-Lampe, deren Anschlüsse 6, 6' seitlich herausgeführt
sind.
-
Die lichttechnische Wirkungsweise der in der Fig.2 gezeigten Beleuchtungseinrichtung
kann man sich wie folgt vorstellen: Von der stabförmigen Pumplichtquelle ausgehendes
Pumplicht wird zum überwiegenden Teil durch Reflexion an der Innenwand des parabolischen
Zylinders 1 als paralleles Strahlenbündel in Richtung auf den ebenen Spiegel 2 gerichtet.
Dabei tritt dieses Pumplicht durch das zu beleuchtende stimulierbare Medium 3 hindurch.
Das
bei diesem ersten Durchgang nicht im stimulierbaren Medium
3 absorbierte Pumplicht wird an dem ebenen Spiegel 2 reflektiert und durchdringt
ein zweites Mal das optisch ab.1-- -3rende stimulierbare Medium 3. Sovreit noch
Pumplichtenergie nach diesem zweimaligen Durchgang durch das optisch absorbierende
stimulierbare Medium vorhanden ist, entspricht diese etwa einem parallelen Strahlenbündel,
das in den parabolischen Zylinder eintritt. Dieses Pumplicht erfährt eine Reflexion
in Richtung auf die Brennlinie und vor allem, wenn die Pumplichtquolle 5 ebenfalls
optisch dünn ist, wird das Pumplicht zu einer nochmaligen Durchquerung in Richtung
auf das optisch absorbierende stimulierbare Medium 3 und den ebenen Spiegel 2 abgelenkt.
?Elan erhält somit einen Durchgang des erstmalig von der Pumplichtquelle 5 ausgehenden
Pumplichts durch das lichtabsorbierende stirulierbarc Medium 3, und zwar so oft,
bis dieses Pumplicht praktisch vollkommen aufgebraucht ist. Wenn die Pumplichtquelle
für das Pumplieht nicht ideal optisch dünn ist, tritt durch das in die Pumplichtquelle
reflektierte Pumplicht zusätzlich noch eine Art Rückheizung der Pumplichtquelle
ein, die sich ebenfalls in einer Steigerung der Energiedichte der Pumplicht quelle
5 bemerkbar macht. IJan kann damit zur Erzielung einer bestimmten Energiedichte
die aufzuwendende Energie gegenüber bekannten Einrichtungen nennenswert reduzieren.
-
Handelt es sich bei dem beleuchteten stimulierbaren Medium 3 uni das
stimulierbare Medium eines Lasers, so tritt das sekundär ausgelöste Laser-Licht
an den freien
| Stirnzeiten, d.h. an der oberen und unteren Begrenzung:l#- |
| fläche des parabolischen Zylinders aiz:ä den Körper > aus |
| Da in der Regel auch stab1:ävrUge"rir:@@53..chtqueL'en
das |
| Pumplicht nicht nur oenkr(3c:ki't zu ihr-, r ""tbaiise, sonderi-i |
auch in hierzu seitlicher Richtung abgeben, empfiehlt es sich,
zur Erfassung auch dieses seitlichen Pumplichts den parabolischen Zylinder an der
oberen und unteren Begrenzung durch je einen ebenen Spiegel abzuschließen, dessen
Spiegelfläche dem Innenraum des parabolischen Zylinders zugewandt ist. Beim Ausführungsbeispiel
ist der obere dieser Abdeckspiegel durch eine Strichelung 7 angedeutet.
-
Von besonderem Vorteil ist für die gezeigte und beschriebene Beleuchtungseinrichtung,
daß es nicht auf hohe Exaktheit in der Form des parabolischen Zylinders 1 ankommt,
denn es wird bezüglich des stimulierbaren Mediums nicht nach dem Abbildungsverfahren
gearbeitet, sondern nur eine Reflexion eines Pumplichtes derart vorgenommen, daß
dieses möglichst oft das lichtabsorbierende stimulierbare Medium 3 durchdringt.
-
Das lichtabsorbierende stimulierbare Medium 3 muß auch nicht zwingend,
wie in der Fig.2 gezeigt, die Form einer Platte haben, sondern es können z.B. auch
mehrere Stäbe kreisförmigen oder quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitts
nebeneinander vor der spiegelnden Fläche des Spiegels 2 im Pumplichtbereich angeordnet
werden. Dies ist vor allem fertigungstechnisch eine wesentliche Erleichterung, weil
sich Platten mit größeren Abmessungen und einheitlicher Dotierung für Zaser nur
mit großem Aufwand herstellen lassen. -Wie in der Fig.3 gezeigt, ist anstelle eines
parabolischen Zylinders auch ein Paraboloid verwendbar. Ein solches ist in der lig.3
mit 8 bezeichnet und durch einen vorzugswc:i:;c, ebenen Spiegel @ abgeschlossen,
dessen Normale parallel zur Rotationsachse 10 des Paraboloids 8 iot. Die Pumplichtquelle
ist
in diesem Fall im Brennpunkt 11 des Paraboloids auf der Rotationsachse anzuordnen
und hat zweckmäßig vrenigstens näherungsweise die Eigenschaft einer punktförmigen
Pumplichtquelle. Eine für diese Zwecke gut geeignete Pumplichtquelle ist beispielsweise
eine Quecksilberdampf-Hochdrucklampe mit kugelförmigem Kolben des Entladungsgefäßes
und kleinem Elektrodenabstand. Eine andere gut brauchbare Pumplichtquellc für diese
Zwecke ist eine räumlich ähnlich gestaltete Xenon-Kurzbogen-Lampe. Das lichtabsorbierende
stimulierbare Medium hat beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 die Form einer
Kreisscheibe hinreichender Dicke. Vor allem bei optisch dünnem stimulierbaren Medium
nimmt diese Kreisscheibe in der Regel sogar die Form eines kurzen Kreis@.rlinders
an. Das lichtabsorbierende stimulierbare Medium 12 muß sich nicht über die gesamte
spiegelnde Fläche des Spiegels 9 erstrecken, sondern kann auch nur Teile davon abdecken.
| Bei Verwendung dieser '11z-kz7° für einen |
| Zaser kann auch hier das entspreche>@dr= ,-ast ..',Licht seitlich |
abgenommen werden, z.B. durch eine Aussparung im parabolischen Zylinder, die sich
über die gesamte oder nur einen Teil deo Scheibenumfanges erstreckt.
-
Die beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen er:',iglichen aber auch
noch eine andere Betriebsart, bei der sozusagen das Laserlicht in seiner Abstrahlungsrichtung
wenigstens nahezu mit der Richtung des Pumplichts zusammenfällt.
-
Beide Lichtarten unterscheiden sich dann praktisch nur wurch ihre
Wellenlänge. Man ist daher auch hier in der Lage, durch Zuordnung von zusätzlichen
Spiegeln, die praktisch nur das Laserlicht wenigstens teilweise reflektieren, die
Einrichtung zu einem Zaser mit optischem Pabry-Perot-
Resonator
zu ergänzen. Beispielsweise ist dies dadurch möglich, daß ein solcher Spiegelbelag,
der für das Pumplicht praktisch vollkommen und für das Laserlicht nur sehr wenig
durchlässig ist, auf der der Dichtquelle 5 bzw. 11 zugewandten Pläche des stimulierbaren
Mediums 3 bzw. 12 vorgesehen wird. Die Spiegel 2 bzcr. 9 sind dann so auszubilden,
das sie praktisch vollkommen das Pumplicht und nur teilweise das Laserlicht reflektieren.
Wird beispielsweise Rubin als lichtabsorbierendes atimulierbares Medium in einem
Laser verwendet, so sind als Spiegel sogenannte dielektrische Spiegel für diesen
Zweck geeignet, die durch viertelwellenlängendicke Schichten für bestimmte Wellenlängenbereiche
sperrend wirken. Diese dünnen Schichten werden bekanntlich aufgedampft und je nach
der Anzahl dieser dünnen Schichten auf dem dielektrischen Spiegel und der Art des
zur Anwendung kommenden Materials sind die Durchlas-- und Sperrbereiche des Spiegels
in an sich bekannter Weise frequenzverachieden. Die Fig.4 zeigt eine VYeiterbildung
der Erfindung, bei der beispielsweise in einem elliptischen Zylinderspiegel 13 in
der einen Brennlinie 14 eine stabförmige Pumplichtquelle 16 angeordnet ist und das
stimulierbare Medium 17 den Raum zwischen den Brennlinien 14, 15 unterteilt. Zu
diesem Zweck erstreckt sich das etwa plattenförmige atimulierbare Medium 17 über
die gesamte Breite den elliptischen Zylinders 13. Sämtliches von der Pumplichtquelle
16 ausgehende Licht tritt daher durch das stimulierbare Medium einmal oder mehrmals
hindurch. Vor allem, wenn die Unterteilung symmetrisch erfolgt, kann die Hälfte
des elliptischen Zylindern, die die Brennlinie 15 umfaßt, in Portfall kommen und
das stimulierbare Mediums 18, rrie angedeutet, durch einen wenigstens für das Pumplicht
vollständig reflektierenden Spiegel
19 abgeschlossen werden.
Diese
Beleuchtungseinrichtung ist auch in der Weise reali-
| sier , daß die Pumplichtquelle exfokal angeordnet wird. |
| Auc: -st ein Ellipsoid anstelle des elliptischen Zylin- |
ders anwendbar. Ebenso ist auch daran gedacht, in beiden Brennlinien bzvr. Brennpunkten
oder exfokal in beiden Spiegelhälften Pumplichtquellen vorzusehen.
-
Der in dem Ausführungsbeispiel nach der Fig.4 gezeigte Spiegel wird
zweckmäßig zweiteilig, vor allem durch Teilung in einer Symmetrieebene gefertigt.