DE1816337C - Optischer Sender (Laser) - Google Patents

Description

ι 2

^u Die Erfindung betrifft einen optischen Sender (Laser) betreffenden Eigenschwingungen ebenfalls moduliert,

und hut den Zweck, Lichtimpulse mit beliebig hoher und es werden dadurch Seitenbflnder erzeugt, deren

Pulsfrequenz innerhalb der Frequenzbandbreite des Abstand von der betreffenden Eigenschwingungsfre-

verwendeten Stimulierburen Mediums in stabiler Welse quenz ebenfalls IL beträgt (s. den Artikel »Locking

zu erzeugen, und zwar unabhängig von der Länge des S of He-Ne Laser Modes Induced by Synchronous

im Strahlengang liegenden stimulierbaren Mediums. Intracavity Modulation« von L.E, Hargrove,

Durch die Entwicklung des Lasers ist es möglich R. L. Fork und M. A. P ο 11 a c k in Journal of geworden, Nachrichten mit sehr hoher Trägerfrequenz Applied Physics Letters, Bd. 5, Nr. 1, 1. Juli 1964, zu übertrugen, so daß eine große Anzahl von Infor- S. 4 und 5). Die einzelnen Eigenschwingungen des mationen gleichzeitig übermittelt werden kann. Für io Lasers erzeugen also Settenbänder, die den Frequenzen eine solche optische Nachrichtenverbindung ist die benachbarter Eigenschwingungen entsprechen, Wenn Pulscodemodulation (PCM) am besten geeignet, Die die Amplitude der Seitenbänder genügend groß ist, von den Impulsen übermittelte Informationsmenge ist d. h. die Amplitude einen Schwellenwert übersteigt, proportional zur Pulsfrequenz, also zur Wiederholungs- befinden sich die betreffenden Eigenschwingungen in frequenz der Impulse. Aufgabe der Erfindung ist es 15 dem bekannten phasensynchronisierten Zustand. In deshalb, eine Laseranordnung zur Verfügung zu stellen, diesem phasensynchronisierten Zustand wird eine die kräftige Lichtimpulse mit hoher Wiederholungs- Gruppe regelmäßiger Lichtimpulse mit einer Pulsfrequenz in stabiler Weise erzeugen kann, so daß die _f _ c
Möglichkeiten der im optischen Bereich liegenden "equenzvon _u erzeugt,

Trägerfrequenz für Nachrichtenübermittlungen voll ao DashierverwendeteModulationsprinzipistabernicht

ausgenutzt werden können. auf einen verlustbehafteten Modulator beschränkt,

Ein Laser ist bekanntlich ein Lichtverstärker, der sondern kann auch im Falle eines Phasenmodulators

auf stimulierter Emission beruht. Voraussetzung hier- angewandt werden (s. den Artikel »Theory of FM Laser

für ist ein stimulierbares Medium, das mindestens zwei Oscillation« von S. E, Harris und O. P. M c. D u f f

Energiezustände der Atome oder Moleküle hat, wobei 35 in I. E. E. E., Journal of Quantum Electronics, Bd.

die Besetzungsdichte des höheren Energiezustandes QE-I, Nr, 6, September 1965, S. 245 bis 262). Diese

größer als diejenige des niedrigeren Zustandes ist. Diese Synchronisierung benachbarter Eigenschwingungen

Energieverteilung kann beispielsweise durch Bestrah- wird auch als »mode-locking« (Eigenschwingungs-

lung des Mediums mit Licht von einer anderen Licht- kopplung) bezeichnet,

quelle oder im Falle eines gasförmigen Mediums durch 30 Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, ist die Wiedereine Gasentladung erzielt werden. Die Anregung des holungsfrequenz der optischen Ausgangsimpulse durch höheren Energiezustandes wird zuweilen als »pumpen« die optische Weglänge L des Resonators begrenzt, bezeichnet. Um eine hohe Pulsfrequenz zu erzielen, muß also die

Ferner gehört zu einem Laser bekanntlich ein opti- optische Weglänge L klein gemacht werden. Um z. B.

scher Resonator, dessen Abmessungen mehrere hun- 35 eine Pulsfolgefrequenz von 2 GHz zu erhalten, muß

derltausendmal so groß wie die beim Übergang aus die optische Weglänge L zu 7,5 cm gewählt werden,

den oberen in den unteren Energiezustand erzeugte Andererseits hängen die Lichtverstärkung und die

Resonanzwellenlänge ist. Meist wird als Resonator Ausgangsleistung von der Länge des stimulierbaren

eine Anordnung mit zwei einander gegenüberstehenden Mediums ab, und es hat sich gezeigt, daß bei der ange-

Spiegeln verwendet, die dem Fabry-Perot-Interfero- 40 gebenen kurzen Weglänge'keine genügend hohe Aus-

meterentspricht.DasstimulierbareMediumbefindetsich gangsleistung erzielt werden kann, ja daß nicht einmal

zwischen den beiden Spiegeln, und ein Teil der Licht- eine stabile Schwingungsanregung möglich ist. So

energiekanndanndemoptischenResonatorentnommen wurde festgestellt, daß bei Verwendung eines He-Ne-

werden, um den kohärenten Laserstrahl zu bilden. Gaslasers mit für Stimulation und genügende Aus-

Da die Länge des optischen Resonators weit größer 45 gangsleistung ausreichender Länge die Pulsfolgefre-

als die Wellenlänge des erzeugten Lichtes ist, ist der quenz auf 150 bis 200 MHz beschränkt ist. Eine

optische Sender grundsätzlich in zahlreichen Eigen- solche Trägerfrequenz bringt keine entscheidenden

schwingungen anregbar. Da also in dem optischen Vorteile gegenüber bekannten drahtlosen Übertra-

Sender im allgemeinen eine Anzahl von Schwing- gungseinrichtungen, so daß der Einsatz von optischen

zuständen gleichzeitig existiert, werden elektromagne- 5° Sendern für Nachrichtenzwecke hierdurch nicht ge-

tische Wellen mit einer Anzahl von Eigenschwingungen < rechtfertigt erscheint,

erzeugt. Nun ist in einem Artikel »Mode-locking effects in

Der Frequenzabstand der einzelnen Eigenschwin- an internally modulated ruby laser« von T. D e u t s c h

,,,.... f „. in »Applied Physics Letters«, Bd. 7, Nr. 4, 15. August

gungen .st gegeben durch den Ausdruck ,_L . H_{ier 55 1965}^ _{80 bi}/_{82i eine} Lageranordnung beschrieben,

bedeutet c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum bei der eine Phasensynchronisation mittels eines im

und L die optische Weglänge des Resonators, die gleich optischen Resonator angebrachten Modulators erzielt

dem Produkt der geometrischen Länge des Mediums wird. Wenn die Modulationsfrequenz des Modulators

mit seinem Brechungsindex ist. Der Laser schwingt gleich einem ganzen Vielfachen des Abstandes der

also gleichzeitig in einer Anzahl von Eigenschwin- ^6o axialen Eigenschwingungen ist, so soll nach der Be-

gungen, deren Abstand den Wert IL hat und die durch hauptung von Deutsch ein Puls erzeugt werden,

die Frequenzbandbreite des optischen Senders be- dessen Wiederholungsfrequenz gleich der Modulations-

grenzt sind. Eine solche Eigenschwingung wird als frequenz ist.

axiale Eigenschwingung bezeichnet. Es läßt sich aber zeigen, daß diese Behauptung,

Wenn ein verlustbehafteler Modulator in einen 65 die experimentell nicht bestätigt werden konnte, falsch

Resonator eingeführt wird und der Laserstrahl dadurch _jst ,_{st nämlich die} Modulationsfrequenz ρ (^), mit der Frequenz ^ moduliert wird, so werden die _wobei ^ eine positive ganze Zahl ist, so haben die beiden

!816337

3 ⁴

Seitenbflnder einer Seitenschwingung von dieser den quenzabstandes der axialen Eigenschwingungen sinbi-

Absvand/) (£), Deshalb kann jede /Me Eigenschwin· "* Eine* Aufgliederung des optischen Resonators in

gung mit jeder anderen gekoppelt werden, aber die zwei interferierende Verzweigungen ^ml» "'"'1".JJ¹A

anderen benachbarten Eigenschwingung lassen sich s samen, das stimulierbare ^Medlu™.^e"^tnaltr^aJ L_{1 m} L₁,

mittels der Modulation nicht miteinander koppeln. stuck ist zum Zweck der Unterdrückung besiimmiu

Somit ist die Pulsfolgefrequenz des Ausgangspulses Eigenschwingungen bereits angewandt *^0Γα°"· ,

. „ ic\ sollte dadurch erreicht werden, daß nur die uruna

nicht auf die Frequenz von p[₂ J beschrankt. Diese _schwjngung angeregt wird, während die höheren axialen

Tatsache läßt sich auf Grund der von H η r g r ο ν e >° Eigenschwingungen unterdrückt werden. Dempegen-

und Mitarbeitern verwendeten, im zuerst erwähnten über ist es durch die Erfindung ^ϋ^^αίθΗβ^_ς ^Γνν^_Γ;

Literaturzitat beschriebenen Verlustmodulation leicht möglich geworden, durch Verwendung ^e'"°^s !

verstehen zweigten optischen Resonators eine stabile Pulsfolge

1st z. B. ρ - 6, so bewirkt die Vcrlustmodulation frequenz zu erhalten, die ein Vielfaches des ™q^uenz-

/ e \ is abstandes der axialen Eigenschwingungen beträgt, so

mit der Frequenz 6 {_2L J, daß in Zeitabständen von _{daß man} p_ui_sf₀|gefrequenzen mit einem Mehrfachen

/ c \ , ι. * . · ■ . ». . · η von 200 MHz leicht und sicher erreichen kann.

^ll»[_2L) der Modulationsverlustein Minimum ist. Es _Dj_e v_erzweig_Ung kann, wie an sich bekannt, ent-

besteht deshalb die Möglichkeit, dal) in genau der weder teilweise auOerhalb des »«PSiSÄSS ,!eichen Weise, in der Lichtimpuls« n,i, der Pu₁Sf_n, - ™^^™ϊ**££T™xS». quenz 6 ,lauf treten, dreiPulsarten, deren Frequenzen _t .j_{er a}b_gezweigte Lichtstrahl einen Winkel mit der

ih Ahse des Hauptstrahlenganges und fallt

quenz 6 ,lauf treten, dreiPulsarten, deren Frequenzen _t .j_{er a}b_gezweigte Lichtstrahl einen Winkel mit der

...... r .... . optischen Achse des Hauptstrahlenganges und fallt

einmal, zweimal oderdreimal_2I sind, erhalten werden. _&j|_{f einen} außerhalb der optischen Achse senkrecht Der experimentelle Befund bestätigt diese theoretische 25 zu ihm angeordneten Hilfsspiegel; im anderen Falle

Überlegung. Die jeweils erzeugte Pulsart wird bestimmt steht der Strahlenteiler senkrecht zur optische^Acnse

durch die Beziehungen der Modulationsfrequenz zu des Hauptstrahlenganges, und die Verzweigung wiru

ungleichmäßigen Eigenschwingungsabständen, die von diesem Strahlenteiler und einem der Hauptspiegei

durch Zieherscheinungen infolge der Dispersion des des optischen Resonators gebildet. stimulierbaren Mediums hervorgerufen werden. Da 30 Nachstehend wird an Hand der Zeichnung gezeigt,

infolgedessen die Art des jeweils auftretenden Pulses daß die geschilderte Anordnung die gestellte Autgaoe

mit den kleinsten Änderungen im Lichtweg, der Modu- löst. In der Zeichnung ^'^s*_m _.._ _Eri_äuterun_E des lationsfrequenz oder der Dispersion des stimulierbaren F i g. 1 ein Blocudiagramm zur Erläuterung aes

Mediums schwankt, ist es unmöglich, eined stabilen Wesens der Erfindung, ... . _e,_findunes-

SSa^iASiiS-. die mannte Laser- ^"^ΑΑ des Ve,« des Oüte-

anordnung so zu verbessern, dall sie einen auüerordent- faktors eines optischen Resonators gemäß der Ernn

lieh stabilen Lichtpuls aussenden kann, dessen Puls- 40 dung, Verlaufs der Licht-

frequenz ein ganze, Vielfache, de, Frequenzabstandes ^-»»£2ZS£L £S££» _λ

-^c der axialen Eigenschwingungen ist. Dadurch soll F i g 5 und 6 Darstellungen der Verteilung der

" ermöglicht werden, stabile Lichtimpulse hoher Eigenschwingungsspektren während der Impulserzeu-

PulsfrequenzmitkräftigerAusgungsleistungzuerzielen, 45 gung ^B der Ertndung, Darstellung

indem ein stimulierbares Medium großer Längsabmes- F ι g. 7 eine ^S ?Lform der Erfindung unter

sungen verwendet wird, das ausreichende Verstärkung einer anderen Auefuhrungrform der brn ung

undlusreichendeAusgangsleistungfürdieVerwendung Verwendung eines ^£^^Γ^_{εΠιιηεβη we}i-

'"SSÄUvondembekanntenoptUchen ₅o terer AusführungsformentoEgJung. Aufbau der Sender (Laser), innerhalb dessen optischen Resonators F»g. 1 zeigt de η ejmdirtblichen Aul^

jss^ £5ssasa

schwingungen des optischen Resonators [p _2L ) ist _spiegei_n befinden sich außer dem

und dessen Modulationsamplitude den für eine Phasen- «"^ί^Ε JeSrE

kopplung verschiedener axialer Eigenschwingungen d er hind HjJgJj^Jj °_r 4_hat die Aufgabe, zusam-

noiwendigen Schwellenwert überste.gt. Zur Erzeugung 6o ^tei1^· D« SUahlenteiler 4 na _{b Reflexions}.

von Lichtimpulsen mit hoher Pulsfrequenz und hoher men J'^f ^ ^P^f ''-^_n Frequenzen inncr-

Leistung mit einem solchen optischen Sender wird ve mögen £'ⁿ™^^ _des ⁴ _stimul_ierbaren

erfindungsgemäß ein verzweigter optischer Resonator hai.der ^"JJ^g^^ _Belrieb verläuft ein

verwendet, dessen Strahlenteiler einen kleinen Teil Medmms ^ZJ ™ _{stimulierbare} Medium 1 und

der Lichtenergie aus dem Hauptstrah engang in,die 65 L einst ahl 5 durch da.^s _wjfd ^ ^ _Haup(_

Verzweigung auskoppelt, wodurch infolge Über- dwo^ SSÄi=TrrS SSaÜaSor der von'den Spiegeln gebildeten Reso-

5 6

natoren je nach dem betreffenden Schwingungszustand Der Strahlenteiler 12 und der Hilfsspiegel 15 bilden

verschieden ist. Ein Teil des Lichtstrahls5 kann den den Strahlenteiler4 in Fig. 1, der zusammen mit

optischen Resonator bei 6 oder6'verlassen und stellt die dem Hauptspiegel 2' den Gütefaktor des Resonators

verwertbare AusgangsgröGe des optischen Senders dar. entsprechend der jeweiligen Eigenschwingung ver-

Eiin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in ä ändert.

F i g. 2 dargestellt. Hier dient als stimulierbares Wenn nämlich die optische Weglänge L₃ so gewählt

Medium 1 ein Gas, beispielsweise ein Gemisch von wird, daß sie folgende Gleichung erfüllt:
Helium und Neon. Es befindet sich in einem langen

Glasrohr 7, worin mittels einer elektrischen Spannung L +L= (L +L) (1)
eine ständige Gasentladung aufrechterhalten wird, ι° ρ ^{τ 2}
die eine umgekehrte Besetzungsverteilung im Gasplasma hervorruft. Zur optischen Phasenmodulation _{wobei p eine positive ganze Zah}, _{ist> so nimmt das} des erzeugten Lichtstrahls dient ein lichtdurchlässiger effektive Reflexionsvermögen der Anordnung 4 zuKristall 8 mit elektrooptisch«* Wirkung, beispielsweise _{Siimmen mit dem} Hauptspiegel 2' in jeder Resonanz ein Einkristall aus Kahumdihydrogenphosphat (KDP), 15 _{ejnen hohen Weft an Unter der Annahme> daß die} LiTiO₃ oder LiNbO₃. An den Stirnflachen des Kn- _{Spiegel T und 15 vo}n_kornmen reflektieren, nimmt das stalls 8 sind Glaspnsmen 9 und 10 angeordnet, deren effektive Reflexionsvermögen im Maximum den Wert 1 Brechungsindex weitgehend mit demjenigen des Kn- _{und im M}i_{nirnum den} Wert (1 - 4p²) an.
stalls 8 übereinstimmt und zwar sind die Normalen _Der beschriebene Strahlengang kann als verzweigter der Stirnflächen der Glaspnsmen um den Brewster- *° _{optischer Resonator} aufgefaßt werden, der aus einem sehen Winkel gegen die optische Achse der Haupt- ,_{Hauptresonator mit der} optischen Weglänge (1^ + L₂) spiegel 2 und 2 geneigt, so daß L.chtreflexionen an _{und einem} Teilresonator mit der optischen Weglänge den beiden Stirnflachen des Kristalls 8 weitgehend ^ ₊ L₃) _besteht. Wenn die Resonanzeigenschwinunterdruckt werden. Der Kristall 8 ist mit nicht dar- _{djeser bdden Resonatore}n überlagert werden gestellten oberen und unteren Elektroden versehen, *5 _{und Gleichun (1) be}f_riedigt ist, verstärken sich die die m.t e.ner Modulationsspannungsquel e 16 ver- _{bejden Resonanzen durch} Interferenz. Wie aus Gleibunden sind. Zur Erzeugung der Gasentladung in _{ch (1) hervorgehtj tritt diese Beding bei jedei} dem Entladungsrohr 7 sind Elektroden,11 an dessen _{ten Eigenschwingung des} Hauptresonators ein. In Enden angeordnet. Zwischen dem Entladungsrohr 7 _{diesem Fa}„_{e nimmt als0 der Gü}£_{faktor einen hohen} und dem Hauptspiegel 2 befindet sich eine Strahlen- 3o _{Wert an}

teilerplatte 12 aus optischem Glas, deren eine Ober- _Der V_eri_{auf des} Gütefaktors für die axialen Eigenflache 13 entweder optisch plan geschliffen oder mit _{schwingungen in e}inem solchen optischen Resonator einer dünnen dielektrischen Schicht überzogen ist, _{jst in F} j _{3 scnematisch dargeste}fi_{t) wobei die Maß}. derart, daß ihr Reflexionsvermögen innerhab der _{einheh ir}f Abzszissenrichtung die optische Frequenz Schwingungsbandbreite des optischen Senders kleiner 35 · , _n rti^oromm j™ ρ ■ ₅ l · _u* · u γ*
als etwa w\ ist. Die andere Oberfläche 14 der Strah- _F',, „ L , TeT dt L if \ w'ΐ τ ί" lenteilerpIatteM ist dagegen mit einem reflexions- S"/~ ZZ w T" ^W,u^{8 6}I ³ i" ^der verhindernden Überzug versehen, so daß hier keine Äriä^Ä _aZZt ^emgeStellt.^wird "^{nd eine} Reflexion des durchgehenden Lichtstrahls stattfindet. 5?'"^, Modulationsspannung, deren Frequenz Es wurde experimentell gefunden, daß bei Verwendung 4o f^^nau ^^{maI so} ß^{roß wie der} Eigenschwmgungsabstand eines optischen Senders mit He-Ne-Gas oder mit ,
einem üblichen Festkörper wie Nd^St : YAlGranat d. h. p( ^c
ein Reflexionsvermögen von 2 bis 3°/₀ für den Strah- \ 2(L₁ + L
Ientcilcr 12 ausreicht.

Da der Strahlenteiler 12 also nur ein geringes 45 auf den Kristallmodulator 8 gegeben wird, so ist es Reflexionsvermögen besitzt, wird der optische Reso- möglich, Lichtimpulse mit stabiler Pulsfrequenz zu nator im wesentlichen durch die Hauptspiegel 2 und 2' erhalten, deren Frequenz p-mal so hoch wie der Eigengebildet. Im Weg des zuerst am Hauptspiegel 2' und schwingungsabstand ist. Der Verlauf solcher Impulse dann an der Oberfläche 13 des Strahlenteilers 12 ^ist schematisch in F i g. 4 dargestellt, wobei in Abreflekticrten Teilstrahls ist ein Hilfsspiegel 15 derart so szissenrichtung die Zeit und in Ordinatenrichlung die angeordnet, daß der an ihm reflektierte Tcilstrahl Intensität aufgetragen ist. Es sei bemerkt, daß selbst wieder in den eigentlichen Resonator, d. h. den Raum dann, wenn der Kristallmodulator 8 nicht benutzt zwischen den Hauplspiegeln 2 und 2' zurückkehrt. ^w»«"d, spontan eine periodische Lichtemission in Im-Die Hauptspiegel 2 und 2', der Strahlenteiler 12 und pulsen stattfindet. Um aber der Impulsfolge die geder Hilfsspiegel 15 bilden also einen verzweigten opti- 55 wünschte Pulsfrequenz in stabiler Weise zu erteilen, ,sehen Resonator. muß der Lichtstrahl unbedingt moduliert werden.

Die optische Weglänge zwischen dem Hauptspiegel 2 Wenn das Emissionsspektrum des optischen Senders

und der Teilreflexionsfläche 13 sei nachstehend mit ^m't einem Abtasünterferometer betrachtet wird, wäh-

L₁ bezeichnet, die optische Weglänge zwischen den ^rend eine Folge von Impulsen erzeugt wird, deren

Flächen 13 und 2' mit L_t und diejenige zwischen den ^6o Pulsfrequenz/?-mal so hoch wieder Eigenschwingungs-

Flüchcn 13 und 15mit L₃. Da das Reflexionsvermögen ρ' abstand ist, findet man, daß für die Verteilung der

des Strahlenteilcrs 12 bzw. der Reflexionsfläche 13 Schwingfrequenzen für jede /j-te Eigenschwingung der

außerordentlich gering ist, ist der Abstand der Reso- Fig. 5 entspricht, wonach der Abstand der auftre-

nnnzfrequenzeni.axiaicnEigenschwingungenWesvonden tendon Schwingfrcquenzen /»-mal so groß wie der Ab-

genannlen Flüchen gebildeten optischen Resonators ⁶5 stand der Eigenschwingungsresonanzen ist. Wie

_r F i g. 6 zeigt, nimmt die Schwingungsintensiiät bei

,„ . . χ · jeder />-tcn Ltgenschwingung infolge der Kopplung

^2(L« + ^ zwischen den Schwankungen des Gütefaktors den

7 8

Eigenschaften des stimulierbaren Mediums und dem Quarz umgeben, durch das Kühlwasser fließt. Zum Frequenzabstand der Eigenschwingungen einen hohen Anregen des stimulierbaren Mediums dient eine Licht-Wert an, aber die Eigenschwingung zwischen den quelle 20, z. B. eine Wolframlampe. Das stimulierbare betreffenden Resonanzen sind nicht völlig unterdrückt. Medium 17 und die Lichtquelle 20 befinden sich in Mißt man die Phasendifferenz zwischen den einzelnen S den Brennlinien eines elliptischen Zylinders 21 aus Eigenschwingungen in dem geschilderten Fall, so Metall, dessen Innenfläche vergoldet ist. Die Lichtfindet man, daß diese Eigenschwingungen nicht phasen- quelle 20 ist mit isolierenden Fassungen 22 in den gleich sind, sondern jeweils eine besondere Phasen- elliptischen Zylinder 21 eingesetzt und zum Anschluß beziehung aufweisen. mit Metallkappen 23 versehen. Zur Bildung des ver-

In Anbetracht der verschiedenen möglichen Phasen- io zweigten optischen Resonators dient hier eine Vorbeziehungen einer ebenen Welle in einem solchen opti- richtung 24, bestehend aus einem geschmolzenen sehen Resonator ist offenbar die optische Weglänge L₃ Quarzstück, das so geformt ist, daß es zugleich den nicht auf den einzigen Wert beschränkt, der die Glei- Hauptspiegel 2', dem Hilfsspiegel 15 und den Strahlenchung (1) erfüllt, sondern kann alle Werte annehmen, teiler 12 in F i g. 2 umfaßt. Die Flächen 25 und 26 die aus den nachfolgenden Ausdrücken hervorgehen. 15 des Quarzstücks 24 entsprechen dem Hauptspiegel 2'

bzw. dem Hilfsspiegel 15. Auf ihnen ist eine dielek-

L₉ + Lt = — (L₁ + L₂) (2) trische Mehrfachschicht aufgebracht, die eine mög-

P liehst vollständige Reflexion des einfallenden Lichtes

oder bewirkt. Eine Fläche des Quarzstücks 24, die der

τ λ. τ — (1 ™\_fr ι,, _(Vi ^ao Oberfläche 13 des Strahlenteilers 12 in F i g. 2 ent-

L₃ + Lt — Il — — I (L₁ + Lt), (S) spricht, bildet einen Winkel von 45° mit der optischen

^ ' Hauptachse des Resonators, während die reflektierende

wobei m eine ganze Zahl und kleiner als ρ ist. Fläche 25 in Verlängerung der optischen Achse senk-

Der Hauptvorteil der Erfindung liegt, wie erwähnt, recht zu derselben angeordnet ist und die andere reflek-

darin, daß durch die Änderung des Gütefaktors der as tierende Fläche 26 einen rechten Winkel mit der Fläche

Eigenschwingungen des Resonators hinsichtlich der 25 bildet, d. h. einen Winkel von 45° mit der Schräg-

Lichtfrequenz im Zusammenwirken mit der optischen fläche 13 des Quarzstücks bildet.

Modulation eine ganz neue Betriebsweise durchgeführt In der Hauptachse befindet sich ferner ein elektro-

werden kann, nämlich die Erzeugung von Lichtim- optischer Kristall 8, der beispielsweise aus LiTiO₃

pulsen mit einer sehr hohen Pulsfrequenz, die ein 30 besteht und die Modulation des Lichtstrahles ermög-

ganzes Vielfaches des Frequenzabstandes der Eigen- licht. Die beiden Stirnflächen des Kristalls 8 sind mit

schwingungen ist. einem reflexionsfreien Überzug versehen. Der Kri-

Nachstehend wird ein ausgeführtes Beispiel der stall 8 befindet sich in einem Mikrowellenresonator 27, Erfindung beschrieben. Es wurde ein optischer Sender dessen Resonanzfrequenz mit der Modulationsfremit He-Ne-Gas mit einer lichten Weite von 3 mm 35 quenz zusammenfällt. Der Resonator 27 weist an und einer Länge von 105 cm verwendet, in dem mittels seinen Stirnflächen Löcher 28 auf, durch welche der einer Gleichspannung eine Gasentladung aufrecht- Lichtstrahl von stimulierbaren Medium 17 hindurcherhalten wurde. treten kann. Ein weiteres exzentrisches Loch 29 dient

Der Krümmungsradius des Hauptspiegels 2 war zur Durchführung der Verbindungsleitung zu der

3 m, während der andere Hauptspiegel 2' und der 40 Modulationssignalquelle 16.

Hilfsspiegel 15 ebene Spiegel waren. Der elektroopti- Da das Teil 24 aus einem einzigen geschmolzenen

sehe Kristall 8 bestand aus KDP im Z-Schnitt. Der Quarzstück besteht, sind Änderungen seiner Eigen-

Strahlenteiler 12 war eine planparallele Glasplatte, schäften infolge von Temperaturschwankungen außer-

deren eine Oberfläche 13 ein Reflexionsvermögen von ordentlich gering, so daß eine Verstellung der relativen

etwa 2% hatte und deren andere Oberfläche 14 mit 45 optischen Weglänge zwischen den Spiegelflächen 13,

einem die Reflexion unterdrückenden überzug ver- 25 und 26 unnötig erscheint. Andererseits ändert

sehen war. sich der Brechungsindex des stimulierbaren Mediums 17

Die Gesamtlänge L, + L, betrug 150 cm, die Länge mit der Temperatur. Um die Phase der optischen Aus-L₂ 18 cm und der Frequenzabstand der Eigenschwin- gangsimpulse zu stabilisieren, ist es deshalb erfordergungen 100 MHz. Wenn unter diesen Umständen die 50 lieh, die Lage des Hauptspiegels 2 zu verstellen, damit Länge L₈ zu 60, 30 und 10 cm gewählt wird, so erhält die optische Weglänge L₁ konstant bleibt. Aus diesem man Lichtimpulse mit den Pulsfrequenzen 200, 400 Grunde ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bzw. SCO MHz. Da der zulässige Bereich von L₃ groß eine Regelvorrichtung für die Eigenschwingungen vorist, erübrigt sich eine sorgfältige Feineinstellung der gesehen. Die erzeugten Lichtimpulse werden hierzu in optischen Weglänge L₈. 55 einer Photozellc 30 beobachtet, deren Ausgangssignalc

Ein weiteres, in F i g. 7 dargestelltes Ausführungs- über ein schmales Bandfilter 31 auf einen Phasenbeispiel der Erfindung betrifft einen optischen Sender detektor 32 gegeben werden. Dort werden sie mit mit einem Festkörpermedium. Er gibt außerordentlich dem Modulationssignal von der Modulationssignalstabile Lichtimpulse ab, deren Pulsfrequenz mehrere quelle 16 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird dann GHz beträgt und mit einem Modulationssignal von 60 in einem Gleichstromverstärker 33 verstärkt und auf der Signalquelle 16 synchronisiert ist. die Elektroden eines piezoelektrischen Hohlzylinders

Das stabförmige stimulierbare Medium 17 besteht 34 gegeben. Der Hohlzylinder 34 besteht uns piezo«

im vorliegenden Beispiel aus YAIGranat (Emissions- elektrischem Material und ist in Längsrichtung ein-

welltnlänge Ι,Οβμιη), dessen beide Stirnflächen par- stisch entsprechend den angelegten elektrischen Span«

«ülel geschliffen und mit einem reflexionsfreien überzug 65 nungcn. Das eine Ende des piezoelektrischen Zylin-

ycrsehcn sind. Dieser Stab 17 wird an beiden Enden ders 34 ist an einer optischen Hank befestigt, während

in einem Metallgestell 18 unterstlltrt und wird von nm anderen Ende die Rückseite des Hatiplspicgels 2

einem zylindrischen Rohr 19 aus geschmolzenem befestigt ist. Somit verändert sich die uxiiile Lage des

Claims (5)

1. 9 ^ ϊϋ

   Spiegels 2 entsprechend den Längenschwankungen des Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist

   pfezoelektrischen Zylinders 34 in Abhängigkeit von in F. g. 9 dargestellt Hier wird :™ ^J*™ der daran aneeleeten Spannung. des verzweigten optischen Resonators ein Teil 40 aus

   WirtdioptK WÄ verändert, so ändert geschmolzenem Quarz verwendet, dessen beide Stirnsich auch die Phase de? ausgesandten Lichtimpulse. 5 flächen 41 und 42 poliert und zueinander parallel sind. Diese Sasenände^ung wird duYch den Phasendetektor Die eine Stirnfläche 41 ist m,t einem »£^den 32 in eine elektrische Spannung verwandelt und dient Überzug versehen und bildet so einen Hauptsp.egel. zur Verschiebung des Hauptspiegels 2, derart, daß die Die andere Stirnfläche 42 ist mit einem te. reflek-Phase des Ausgangsimpulses nachgeregelt wird. Die tierenden Überzug versehen mithin wie die Strahlen-Regelung ist möglich, weil die Phase des ausgesandten io teilerfläche 13 bei der Ausfuhrungsform nach F ι g. 2 Lichtimpulses sich näherungsweise linear mit der op- ausgebildet. n.„,™tnci« 40

   tischen Weglänge L₁ ändert. Wenn die optische Länge L_a des Quarzstücks 40

   Falls die Modulationsfrequenz sehr hoch ist, wird die folgende Bedingung erfüllt, es schwierig sein, einen geeigneten Phasendetektor zu _m

   finden. In diesem Falle empfiehlt es sich deshalb einen 15 L, = ■■-- [L₁ + LJ, (6)

   Hilfsoszillator zu verwenden, der eine feste, von der P

   Modulationsfrequenz nur wenig abweichende Fre-

   quenz aufweist, so daß die beiden miteinander zu ver- so ist es möglich, Lichtimpulse mit einer Pulsfrequenz gleichenden Signale zunächst mit der festen Frequenz zu erhalten, die p-mal so hoch ist wie der Frequenzüberlagert und dadurch in eine niedrigere Frequenz ao abstand der Eigenschwingungen, umgesetzt werden, bei welcher der Phasenvergleich Experimentell wurde gefunden, daß solche Impulse

   leicht durchgeführt werden kann. gelegentlich auch dann auftreten, wenn die folgende

   Der verzweigte optische Resonator kann auch in Bedingung gilt:

   beliebiger anderer Weise ausgebildet sein. So ist in _L /"(L₁ + L,). (7)

   F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, as 2 p

   das auf dem Prinzip des Michelson-Interferometers

   beruht Die Teile 35 und 36 desselben bestehen aus Dieses Phänomen rührt vermutlich davon her, daß

   ceschmolzenem Quarz und zwischen ihren Grenz- die Resonanzfrequenzen irregulär verschoben werden, flächen 37 befindet sich ein dielektrischer Film, der wenn das Reflexionsvermögen der Stirnfläche 42 sehr so gewählt ist, daß das Reflexionsvermögen der inneren 30 klein ist. ... . .

   Grenzfläche 37 kleiner als etwa 10 ·/, ist. An den äußeren F 1 g. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der

   Grenzflächen 38 und 39 sind vollständig reflektierende Erfindung, das zur Erzeugung besonders kräftiger Soieeel aneebracht, während die anderen Oberflächen Lichtimpulse dient. Hierzu sind vier stimulierbare der Ouarzteile durch welche der Lichtstrahl nach Medien 17 in einem quadratischen Ring angeordnet außen tritt mit einem reflexionsfreien Überzug ver- 33 und stehen über in den Quadratecken befindliche sehen sind 'so daß unerwünschte Reflexionen an diesen Spiegel 43, 44, 45, 46 miteinander in Verbindung. Flächen weitgehend verhindert sind. Einer dieser Spiegel, nämlich der Spiegel 46 ist teil-

   Bei dieser Ausführungsform lautet die Bedingung durchlässig, wirkt also als Strahlenteiler, der einen für das Auftreten einer Impulsfolge, deren Pulsfre- kleinen Anteil der einfallenden Lichtenergie durchauenz p-mal so hoch wie der Frequenzabstand der 40 läßt, und zwar vorzugsweise 2 bis 3°/₀ und jedenfalls Eigenschwingungen ist, wie folgt: nicht mehr ata 10·/,. Der Spiegel 46 bildet mit weiteren

   Spiegeln 47,48 und 49 einen zweiten kleineren geschlos-

   _ "· a 4. τ Λ (4) senen Ring hinsichtlich des Lichtweges. Dieser kleinere

   L₃-L₁- — (L₁ -+- Li) yj ringförmige Lichtweg ist so abgemessen, daß seine

   45 Länge p-mal kleiner als die Länge des durch die vier ⁰ _m stimulierbaren Medien gebildeten ringförmigen Licht-

   L₃-L₁-I (L₁ + L_x). (5) weges ist. Hierbei ist ρ wieder eine ganze positive Zahl.

   ^p El läßt sich leicht einsehen, daß diese Anordnung die

   «· «ι. 1· 1. D ι»«» iron» «halt™ werden wenn L chtimpulse mit hoher Folgefrequenz und hoher

   Ein ähnliches Resultat kann «^^^™rfEh! ⁵° Ausgangsleistung erzeugt, obwohl die optische Weg-

   die dielektrische Schicht en der ^l™™?™™™* länge des großen Ringes lang ist, und zwar in der glel-

   Spkgel 38 und 39 wie der Hauptspiegel V und der Hilfe- **ⁱ⁸P^ielen·

   spiegel 15 in F i g, 2. Der Eigenschwingungsabstand Patentansprüche:

   ist hier

   1 , 1. Optischer Sender (Laser), innerhalb dessen

   2(Li + It optischen Resonators ein stimulierbare· Medium

   « λ. „ j. .„ j λ ι».»«« -i«.r 1 \nht beliebigen Aggregatzustandes und ein Modulator

   10 daß die Bedingung für das Auftreten einer Licht- _{βο Bngeordnet} „_{lndt deMen Frequenz zum Zwecke}

   impulsfolge, deren Pulsfrequenz P-mal M hoch ist _elnw Laufzeitkopplung ein Vielfache· de· Fre-

   wie der Frequenzabstand, wie folgt lautet. queiuabstandes der axialen Eigenschwingungen de«

   Lt-Lt= ^m- (Li +1₈) (4') optischen Resonators (p^-) ist und dessen Modu-

   ^p 63 lationsamplitude den für eine Phasenkopplung ver·

   oder schiedener axialer Eigenschwingungen notwendigen

   U - L, - Il - - \ (Lx + Lt). (5') Schwellenwert übersteigt, dadurohgekenn-

   \ P) ζ 01 c h η e t, daß ein verzweigter optischer Reso·

   1 8J6

   Ill

   nator (L₁, L_%, L₃) verwendet wird, dessen Strahlenteiler (13, 37, 42) einen kleinen Teil der Lichtenergie aus dem Hauptstrahlengang in die Verzweigung auskoppelt, wodurch infolge Überlagerung der Eigenschwingungen seiner Teilresona- S toren die Pulsfolgefrequenz auch als Vielfaches des Frequenzabstandes der axialen Eigenschwingungen (p 27-j stabilisiert ist.
2. 2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Strahlenteiler (13, 37) abgezweigte Lichtstrahl einen Winkel mit dem Hauptstrahlengang bildet und an einem außerhalb des Hauptstrahlenganges senkrecht zum abgezweigten Strahl angebrachten Hilfsspiegel (15, 26, 39) in sich zurückgeworfen wird.
3. 3. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigung in der optischen Achse selbst angeordnet ist und durch einen senkrecht zum Hauptstrahlengang angeord- »° neten halbdurchlässigen Spiegel (42) und einen den Hauptstrahlengang begrenzenden Spiegel (2, 41) begrenzt wird.
4. 4. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere ringförmig ange- as ordnete stimulierbare Medien (17) mit dazwischen befindlichen Spiegeln (43, 44, 45, 46) enthält und daß einer der Spiegel als Strahlenteiler (46) ausgebildet ist und mit weiteren Hilfsspiegeln (47, 48, 49) eine ringförmige Verzweigung derart bildet, daß die Länge dieser äußeren Verzweigung p-mal kleiner als diejenige des durch die stimulierbaren Medien gebildeten ringförmigen optischen Resonators ist, wenn ρ eine ganze Zahl ist
5. 5. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung von Lichtimpulsen hoher Frequenz, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Stabilisierungsvorrichtung für die Phase der erzeugten Lichtimpulse, bestehend aus einem piezoelektrischen Kristall (34), der einen Hauptspiegel (2) des optischen Resonators trägt, einer Photozelle (30) zur Beobachtung der ausgesandten Lichtimpulse, einem Bandfilter (31), einem Phasendetektor (32) zum Phasenvergleich der Lichtimpulse mit einem vorgegebenen Modulationssignal und einem Verstärker (33), der eine dem Vergleichsergebnis entsprechende Spannung derart auf den piezoelektrischen Kristall (34) gibt, daß die Phase der ausgesandten Lichtimpulse stabilisiert wird.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen