DE1815222B2

DE1815222B2 -

Info

Publication number: DE1815222B2
Application number: DE19681815222
Authority: DE
Priority date: 1968-05-15
Filing date: 1968-12-17
Publication date: 1972-01-20
Also published as: DE1815222A1; US3527955A; GB1203160A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Impulse diskreter Mikrowellenfrequenzen mit einer eine Folge von optischen Impulsen mit festen Moden erzeugenden Laseranordnung, einem optisch nichtlinearen Kristall aus der Materialgruppe Quarz, KDP (Kalium-Dihydrogen-Phosphat) und Lithiumniobat und mit einer Einrichtung zum Bestrahlen des optischen Kristalls mit der Folge optischer Impulse.

Der Ausgang eines modenfesten Lasers besteht aus einer Serie von Impulsen, von der jede eine Länge in der Größenordnung von einigen Picosekunden besitzt und einen zeitlichen Abstand von im allgemeinen einigen Nanosekunden aufweist, der durch das Doppelte der optischen Länge des Resonators bestimmt ist. Wenn mit den modenfesten optischen Impulsen ein optisch nichtlineares Material, wie beispielsweise Lithiumniobat, bestrahlt wird, das eine induzierte Polarisation aufweist, die vom Quadrat des bestrahlenden elektrischen Feldes abhängt, dann wird ein Mikrowellenimpuls erzeugt, der die Einhüllende der optischen Impulse verdoppelt.

Hierbei reicht die Reaktionszeit des optischen Materials von Null Hertz bis in den optischen Bereich und stellt somit eine der größten verfügbaren Bandbreiten dar; hierdurch ergibt sich ein großes Spektrum wichtiger Anwendungsmöglichkeiten beim Erzeugen und beim Nachweis von extrem hochfrequenten Signalen.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen ein sättigbarer Kristall, wie beispielsweise LiNbO_-.,, mit modenblockierten Laserimpulsen beaufschlagt wird, durch die dann optische Impulse erzeugt werden. Audi bei diesen Vorrichtungen wird die zweite Harmonische der Grundfrequenz verwendet, die aber ebenfalls wieder im optischen Spektrum liegt. Mit den bekannten Vorrichtungen werden demnach mittels sättigbarer Kristalle Impulse erzeugt, die im optisehen Bereich liegen (»Applied Physics Letters«, I.Januar 1968, S. 7 bis 9).

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Impulse diskreter Mikrowellenfrequenzen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß ein Mikrowellenleiter zur Auskopplung der elektrischen Impulse mit in bezug auf die Frequenz der optischen Impulse harmonischen Frequenzen, insbesondere der zweiten Harmonischen an den optischen Kristall angekoppelt ist.

Der Laserausgang ist moden- oder phasenfest. Das wird durch bekannte Vorrichtungen erreicht, beispielsweise durch Einsetzen eines sättigungsfähigen Absorbers oder einer sogenannten Bleichfolie in den Laserresonator. Mit dem Moden-Blockieren (modelocking) wird eine Serie äquidistanter Impulse in einer Impulskette erzeugt. Die Laserimpulskette wird erzeugt, um damit einen nichtlinearen optischen Kristall z. B. aus Quarz, Lithiumniobat oder KDP zu bestrahlen. Die nichtlinearen Kristalle weisen eine induzierte Polarisation auf, die vom Quadrat des bestrahlenden elektrischen Feldes abhängig ist.

Wenn der nichtlineare Kristall von der Laserimpulskette bestrahlt wird, erzeugt dieser eine Serie von Gleichstromimpulsen entlang einer oder mehrerer seiner Achsen und bei geeigneter Orientierung eine Serie von Lichtimpulsen der zweiten Harmonischen. Die Gleichstromimpulse verdoppeln die Einhüllende der Laserimpulse, deren Fundamentalkomponente durch die Laserimpulsfrequenz festgelegt und deren harmonischer Anteil durch die inverse Impulsbreite des Laserimpulses begrenzt ist.

Der Mikrowellengenerator gemäß der Erfindung ist ein vollkommen passives Element, mit dem sehr hohe Frequenzen erzeugt werden können, auf Grund des sehr hohen harmonischen Anteils der optischen Impulskette. Durch den nichtlinearen Kristall selbst sind keine physikalischen Begrenzungen gesetzt, so daß sich sehr präzise Frequenzen spezifizieren lassen. Weiterhin werden für das System, in dem die Mikrowellensigna'e erzeugt werden sollen, keine elektrischen Verbindungen benötigt. Dadurch wird die Erzeugung derartiger Signale unter Umständen oder Bedingungen ermöglicht, unter denen es mit bisherigen Vorrichtungen schwierig oder unmöglich war, derartige Signale zu erzeugen.

Der Mikrowellengenerator ermöglicht einen gleichmäßigen breitbandigen Betrieb, und zwar lediglich durch Änderung der optischen Resonatorlänge des Lasers.

Die Vorrichtung kann darüber hinaus auch als ultraschneller Laserdetektor verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Figuren.

F i g. 1 zeigt schematisch einen modenfesten Laser, mit dem zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen ein KDP-Kristall bestrahlt wird;

F i g. 2 zeigt schematisch eine Modifikation der in Fig.l dargestellten Vorrichtung, bei der ein Lithiumniobat-Kristall verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein modenfester Laser dargestellt, der einen optischen Rückkoppelresonator besitzt, der durch die reflektierenden Endspiegel 12 und 12' bestimmt ist. Der Laser 10 kann aus Nd: Glas, Rubin. ND: YAG oder anderen bekannten Lasertypen bestehen, die zum Erzeugen einer Reihe äquidistanter ultrakurzer Lichtimpulse der erforderlichen Amplitude geeignet sind. Der Laser ist vorzugsweise ein

3 ' 4

kontinuierlicher Laser mit einem Neodym doüerten des Kristalls und P» die aus dtm Glied zweiter Ord-

Yttrium-Aluminium-Granat (Nd: YAG). Es können nung einer Reihenentwicklung der Polarisation in

vorteilhaft auch Laser verwendet werden, bei denen Gliedern des elektrischen Feldes ε resultierende

die Güte Q geschaltet wird, um eine Impulskette end- Polarisation ist. Wenn das elektrische Feld e die

licher Dauer zu erzeugen und die .<. B. aus mit Neo- 5 Form

dym dotiertem Glas (Nd:Glas) bestehen. Die ge- ε = _f -sinω/,

bräuchlichen Pumpvorrichtungen und Energiever- °

sorgungen, die zum Laserbetrieb notwendig sind, d. h. eines zeitabhängigen Feldes hat, dann isi P₂

sind nicht dargestellt. gegeben durch:

Das Moden-Blockieren bei Lasern ist bekannt. io _p ₌ ^. _sin» _t ₌ r . _ä/2. (l - cos 2 _ω t)}. Moden-Festhalten kann durch Verwendung von ²

Farbzellen oder durch akustische Wellen realisiert Das cos-2 ωΖ-Glied gibt Anlaß zu der zweiten har-

werden, um die Phase der Schwingungen der axialen monischen Lichtschwingung, während das Einheits-Moden im Laserresonator phasenfest zu machen. Wie glied in den Klammern einer Gleichstrom-Pol angezeigt, ist eine Farbzelle 14 mit einem Laserreso- 15 sation im Kristall entspricht, die aus der quadratinator angeordnet, um das Moden-Blockieren zu sehen Nichtlinearität resultiert und ähnlich wie die erzielen. Gleichströme in quadratischen Detektoren in der

Der modenfeste Laser wird so betrieben, daß er Radiofrequenztechnik erzeugt wird, eine Kette von Lichtimpulsen beispielsweise von Somit wird für jeden Laserimpuls ein entsprechendes 10"" bis 10~^ia getrennter Zeitdauer liefert, die 20 Gleichstromsignal erzeugt, das die Einhüllende der durch die optische Zirkulationszeit des Laserrück- Laserimpulse verdoppelt. Zu der vollständigen Imkoppelresonators gleichmäßig voneinandei getrennt pulskette wird eine entsprechende Kette von Mikrosind. Typische Impulsreihen weisen einen Abstand wellen-»Gleichströme-Impulsen erzeugt. Das uptivon etwa 5 Nanosekunden auf, das eine Impulsrate sehe Signal ist buchstäblich quadratisch nachgewievon 200 MHz darstellt. Die mittlere Energie eines 25 sen. Das resultierende Signal hat eine fundamentale, Einzelimpulses liegt in der Größenordnung von durch die Wiederholungsrate der Impulse fixierte einem Millijoule. Eine vollständige Impulskette be- Komponente, und der harmonische Anteil ist durch steht aus 100 bis 150 Einzelimpulsen und dauert die inverse Impulsbreite begrenzt. Da die einzelnen 0,4 bis 0.6 Sekunden an. Laserimpulsdauern sehr klein gemacht werden kön-

Die im Laser erzeugte modenfeste Impulskette 30 nen, lassen sich mit den vom modenfesten Laser vertrifft auf einen optisch nichtlinearen Kristall aus fügbaren Impulsen Mikrowellensignale im Milli-Quarz, KDP oder Lithiumniobat. Wie aus F i g. i meterbereich erzeugen, deren Frequenz nur durch ersichtlich ist, ist ein KDP-Kristall 16 mit einer die Breite der einzelnen Laserimpulse begrenzt ist. Z-Achse parallel zur Laserimpulskette angeordnet. Da das Gleichstromglied in der letzten Gleichung

Ein koaxiales Mikrowellenausgangskabel 18 grenzt 35 keine Phasenbeziehung enthält, ist das Gleichstroman die dem Laser abgewandte Seite des Kristalls 16 glied immer vorhanden, ganz gleich, ob der Kristall an, und die im Kristall erzeugten elektromagnetischen für eine wirksame Erzeugung von zweiten harmo-Mikrowellen werden durch das Kabel 18 zu einer nischen Lichtschwingungen geeignet orientiert ist Ausgangselektrode geführt. oder nicht. Da jedoch der Phasenanpassungswinkel

In F i g. 2 besteht der Kristall 16' aus Lithium- 40 zur zweiten harmonischen Lichtschwingungen geniobat. Der Laserstrahl ist senkrecht zur Z-Achse des eignet orientiert ist oder nicht und durch einen Kristalls gerichtet, und das Mikrowellensignal wird Neodym dotierten Glas-Laser im Lithiumniobat durch das Mikrowellenkabel 18' weitergeleitet, das nahezu um 90ⁿ zu der Z-Achse gedreht ist, ist der an einer Kristalloberfläche senkrecht zur Z-Achse Kristall in der Konfiguration nach F i g. 2 phasenangeordnet ist. 45 angepaßt, so daß Lichtschwingungen der zweiten Wenn nötig, werden die akustischen Signale durch Harmonischen erzeugt werden können. Somit ist es eine senkrecht zur Z-Achse angeordnete optische bei der Beobachtung des aus dem Kristall austreten-Abschirmung der Kristallfläche eliminiert. Diese Ab- den grünen Lichtes der zweiten Harmonischen und schirmung ist in F i g. 1 als eine ringförmige, zwi- durch gleichzeitige Kontrolle des durch die Gleichsehen dem Kristall 16 und der koaxialen Sonde 18 50 Stromkomponente erzeugten Mikrowellensignals befindliche Abdichtung 20 dargestellt. Derartige aku- offensichtlich, daß die Mikrowellensignale ein Ergebstische Signale wurden an der Oberfläche der Sonde nis der nichtlinearen Eigenschaften des Kristalls sind, 18 durch die piezoelektrischen Eigenschaften des Kri- da die Einhüllende der zweiten harmonischen Lichtstalls 16 in elektrische Signale umgewandelt, und das wellen und die Mikrowellensignale angepaßt sind, ist bei einigen Ausführungsformen unerwünscht. 55 Es reicht nicht aus, dieses Phänomen lediglich durch Die Mikrowellensignale werden durch die optische Beobachtung der Einhüllenden des Laserausgangs Gleichrichtung der Laserimpulskette erzeugt. Die nachzuweisen, weil P₂ von der Leistung (f²) des Reaktionszeit des optischen Ausrichtungseftektes Lasersignal= abhängt, und dieses wird durch die Änreicht von Null Hertz bis in die optische Region und derungen der Impulsbreite der Laserirnpiilse wähstellt somit ein ausnahmsweise breites Bandbreiten- 60 rend der Impulskette geändert. Einige Impulsbrcilenphänomen dar. Der von der Laserimpulskette be- änderungen können unterhalb der Nachweisfähigstrahltc optisch nichUincare Kristall besitzt eine indu- keitsgrenze von Photodetektoren liegen, so daß die zierte Polarisation P.„ die proportional dem Quadrat beobachtete Einhüllende der Laserimpulskette nicht des vorhandenen elektrischen Feldes ist. Folglich der beobachteten Einhüllenden des nichtlincaren gilt: 65 Signals, d.h. des Mikrowellensignals und des grünen ρ _ . . a Lichtes zu entsprechen braucht.

² ^{χ ε} ' Durch Kontrolle eines in Fig.'. dargestellten

wobei χ die niehtlineare optische Polarisierbarkeil KDP-Krislalls. in den die Laserimpulse längs der

Z-Achse einfallen und der an seiner Stirnfläche mit einer Abdichtung zur Verhinderung einer Wellcncrzeugung auf akustischem Wege versehen ist, kann überzeugend gezeigt werden, daß die Mikrowellensignale nichtlinearcn Ursprungs sind. Wenn der Kristall derart gehaltert wird, daß der Winkel zwischen der X- oder Y-Achse des Kristalls unter Polarisationsebene des einfallenden Lichtes variiert werden kann, und erfolgt die Beobachtung des Mikrowellensignals, wenn der Kristall gedreht wird, dann be- ίο schreibt das Signal eine Kurve, die identisch einer sin-Kurve ist. Daraus resultiert, daß das Mikrowellensignal von einer optischen Ausrichtung herrühren muß.

Da bei der hier beschriebenen Vorrichtung koaxiale Typen von Mikrowellenkopplungseinrichtungen zum Nachweis der erzeugten Signale verwendet werden, lassen sich diese Signale ohne weiteres auch in Mikrowellenleiter-Standardtypen einkoppeln. Es können auch andere aus der Mikrowellentechnik bekannte Verfahren angewendet werden, um die Mikrowellenenergie zum Nachweis oder zur weiteren Verwendung aus der Mikrowellenquelle einzukoppeln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Impulse diskreter Mikrowellenfrequenzen mit einer eine Folge von optischen Impulsen mit festen Moden erzeugenden Laseranordnung, einem optisch nichtlinearen Kristall aus der Materialgruppe Quarz, KDP und Lithiumniobat und mit einer Einrichtung zum Bestrahlen des optischen Kristalls mit der Folge optischer Impulse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrowellenleiter (18) zur Auskopplung der elektrischen Impulse mit in bezug auf die Frequenz der optischen Impulse harmonischen Frequenzen, insbesondere der zweiten Harmonischen an den optischen Kristall (16) angekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenleiter (18) an eine zur Z-Achse des optischen Kristalls (16) normale Fläche des optischen Kristalls angekoppelt ist.