DE1912675A1

DE1912675A1 - Optischer Sender oder Verstaerker mit stimulierbarem Medium

Info

Publication number: DE1912675A1
Application number: DE19691912675
Authority: DE
Inventors: Fox Arthur Gardner
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-03-18
Filing date: 1969-03-13
Publication date: 1969-10-09
Also published as: GB1254506A; CH495642A; NL6903821A; US3522553A; BE729800A; SE336174B; FR2004102A1

Description

Western Electric Company Incorporated Fox

New York, N. Y. 10007 U.S.A.

Optischer Sender oder Verstärker mit stimulierbarem Medium

Die Erfindung bezieht sich auf Methoden zum Pulsen von optischen Sendern oder Verstärkern mit stimulierbar em Medium (Laser).

Häufig findet sich die Bemerkung., dass solche optische Sender oder Verstärker die Lösung bei der Untersuchung eines Problems darstellen. Nichtsdestoweniger ist es bekannt., welche Probleme mit optischen Sendern oder Verstärkern mit stimuli er barem Medium gelöst werden könnten, wenn diese bestimmtes Verhalten zeigen. Beispielsweise wird' gegenwärtig angenommen, dass diese Einrichtungen höchst brauchbar in Übertragungssystemen sind, wenn sie derart betrieben werden, dass sie" sehr schmale Impulse liefern, die in grosser Anzahl ineinandergeschachtelt werden können, um den Impulsabstand zu reduzieren.

Beispielsweise gibt es eine Methode zum Pulsen eines optischen Senders oder Verstärkers durch Modulieren der Resonatordämpfung mit einem elektrooptischen Modulator bei der Eigenwertabstandsfrequenz (mode spacing rate) c/2L. Üblicherweise wird das Pulsen bei dieser Frequenz als synchrones Pulsen bezeichnet. In der angegebenen Formel

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ist c die Lichtgeschwindigkeit und 2L die "Rundreise"-Weglänge innerhalb des Resonators. Die vorstehende Modulationsform wird manchmal als Dämpfungsmodulation bezeichnet. Es- sind auch verlustfreie oder "reaktive" Modulationsmethoden bekannt, die ein Pulsen des optischen Senders oder Verstärkers liefern.

Vor kurzem wurde beobachtet, dass optische Sender oder Verstärker Impulse bei der Eigenwertabstandsfrequenz bei Fehlen jeglicher Modulation oder anderer beabsichtigter Störungen des optischen Senders oder Verstärkers liefern. Dieses Pulsen ist als Selbstpulsen bezeichnet worden. Die meisten selbstpulsenden optischen Sender oder Verstärker haben relativ lange optische Resonatoren, und diese langen Resonatoren erlauben es der Besetzungsumkehr des stimulierbaren Mediums - entsprechend der vorliegenden Untersuchung - , sich zwischen den Impuls durchgängen zu erholen. Nichtsdestoweniger ist das beobachtete Selbstpulsen von optischen Sendern oder Verstärkern nicht vorhersagbar und zuverlässig und kann leicht in einen Betriebsbereich umschalten, in welchem die Longitudinaleigenschwingungen frei laufen und in dem die Ausgangsleistung mehr oder weniger kontinuierlich ist.

Mit Hilfe der zur vorliegenden Erfindung entwickelten Theorie kann gezeigt werden, dass bei einem selbstpulsenden optischen Sender oder

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Verstärker die Impulse annähernd "Tf-Impulse" im stimulierbar en Medium sein werden. Diese Terminologie beruht auf einer Analogie zur magnetischen Resonanz, wo es bereits bekannt ist, dass ein Impuls eines oszillierenden Magnetfeldes bestimmter Stärke und Dauer dahingehend wirksam ist, magnetische Resonanzdipole in einem Material um genau 180 umzuklappen. Ein solcher Impuls wird als " IT-Impuls" bezeichnet. Der in vorliegender Theorie analoge Impuls entfernt bei einem Durchgang durch das stimulierbare Medium sämtliche verfügbare Energie aus dem Medium und lässt einen gleich grossen Überschuss an Atomen im unteren Energieniveau zurück, wie dieser Überschuss an Atomen im oberen Energieniveau anfänglich vorhanden war. Der anfängliche Überschuss im oberen Niveau wird dann durch den normalen Anregungsprozess vor dem nächsten Durchgang des Impulses durch das Medium wieder hergestellt.

Andere Typen gepulster optischer Sender oder Verstärker sind entwickelt worden, die Impulse bei wesentlich niedrigeren Frequenzen als der Eigenwertabstandsfrequenz liefern. Diese Methoden können allgemein charakterisiert werden durch die Verwendung einer ausbleichbaren Absorptionszelle. Zumeist werden organische Farbstoffzellen als die ausbleichbaren Absorptionszellen verwendet. Vor kurzem wurde ein ähnliches Pulsen bei einer Absorptionszelle erhalten,

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die diskrete, um die Photonenenergie der stimulierten Strahlung getrennte Energieniveaus besitzt. Eine solche Anordnung, bei der ein Gallium ar senidinjektions -Laser und eine Galliumarsenidabsopptionszelle verwendet wird, ist in dem Artikel von Yu. A. Drozhbin et al., "Generation of Ultraviolet Light Pulses with a GaAs Semiconductor Laser", Soviet Physics, JETP Letters, Band 5, Seite 143, März 15, 1967 beschrieben. Für viele Anwendungsfälle ist aber die so erhaltene niedrigere Impulsfrequenz unzureichend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein synchrones Pulsen, d. h. ein Pulsen bei der Eigenwertabstandsfrequenz, eines optischen Senders oder Verstärkers mit stimulierbar em Medium zu erreichen, und zwar auf zuverlässige Weise und ohne ein äusseres Modulationssignal bei der. Eigenwertabstandsfrequenz.

Entsprechend der Erfindung wurde gefunden, dass synchrones Pulsen erzeugt werden kann durch Verwendung einer sättigbaren Absorptionszelle derart, dass vernachlässigbare Energie vom Resonator an die Absorptionszelle verloren geht. Im einzelnen sollten die stimulierten Impulse, die TT -Impulse für das stimulierbare Medium sein werden, für das Medium der sättigbaren Absorptionszelle wie TT -Impulse oder 2 TT-Impulse aussehen. In Analogie mit der vorstehenden Definition

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eines ΠΓ-Impulses ist ein 2'JT-lmpuls ein solcher Impuls, der die relativen Besetzungen zweier Energieniveaus zweimal umschaltet und die Absorptions ζ eile in ihren Anfangs zustand am Ende jedes einzelnen Durchgangs hierdurch zurückbringt.

Entsprechend einer Anwendung der Erfindung muss das absorbierende Medium der sättigbares Absorptionszelle eine Energiespeicherungs-Lebensdauer T₁ - häufig Fluoreszenzlebensdauer genannt - haben, die wesentlich grosser als die Impulsbreite ist, und ausserdem eine homogene Kohärenzlebensdauer T * (dephasing lifetime) für die strahlende Besetzung, welche gleichfalls wesentlich grosser als die Impulsbreite ist. Im typischen Fall, in welchem das Medium der sättigbaren Absorptionszelle diskrete Energieniveaus aufweist, die durch die Photonenenergie der stimulierten Strahlung getrennt sind, ist die Energiespeicherungslebensdauer T₁ einfach die Lebensdauer eines auf das obere der beiden Energieniveaus angeregten Partikels. Die homogene Kohärenzlebensdauer T₀* ist eine Lebensdauer, die immer kleiner als die Energiespeicherungslebensdauer T ist und die diejenige Zeitspanne ist, nach welcher eine Gruppe von Partikeln, die auf einen kohärent strahlenden Zustand angeregt worden sind, ihre Phasenkohärenz und folglich ihre Fähigkeit verlieren, kohärent zu strahlen. In einem optischen Sender oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbar em Medium

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hat die homogene Kohärenzlebensdauer ihre Ursache in Stössen innerhalb des Gases.

Die Bedeutung der homogenen Kohärenzlebensdauer kann am besten anhand des Standes der Technik, z.B. anhand der in dem vorstehend genannten Artikel beschriebenen Anordnung verstanden werden. In dieser Anordnung erzeugt eine homogene Kohärenzlebensdauer T₀* ^ kleiner als die Impulsbreite ein Ausbleichen der Absorptionszelle.

Bei dieser Ausbleichung wird Energie in der Zelle gespeichert, sie kann aber hiervon durch die stimulierte Strahlung nicht kohärent wiedergewonnen werden. Dieser Umstand kann von der beschriebenen Frequenz des Pulsens abgeleitet werden, die um mehr als eine Grössenordnung kleiner als jegliche wahrscheinliche Eigenwertabstands frequenz für eine solche Vorrichtung ist. Solche Impulsfrequenzen werden durch ein Ausbleichphänomen erzeugt, und wegen dieser Ausbleichung geht Energie von der stimulierten Strahlung an die sättigbare Absorptionszelle verlogen. Mehrere Durchgänge der Strahlung sind zum Erhalt einer vollen Ausbleichung erforderlich. Solche Impulsfrequenzen treten nur auf, wenn die homogene Kohärenzlebensdauer T₀* kleiner als die Impulsbreite ist.

Typischerweise wird T um ein Mehrfaches grosser als T * sein.

1 ■ ώ

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Die Impulsbreite ist annähernd 2L/Nc, wobei N die Anzahl zu Schwingungen angeregter Longitudinaleigenwerte ist.

Beruhend auf den. vorstehend erläuterten Beziehungen zwischen den Lebensdauern und der Impulsbreite, wird in einem optischen Sender oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbar em Medium eine Gasabsorptionszelie, deren Energieniveaus um die Photonenenergie der stimulierten Strahlung auseinanderliegen, synchrones Pulsen erzeugen, wenn der Gasdruck in der Absorptions zelle unterhalb eines kritischen Wertes liegt. Für diese Bedingung ist die homogene Kohärenzlebensdauer T * grosser als die Impulsbreite. Ein Gas kann leicht ausgewählt werden, das ausreichend lange Energiespeicherungslebensdauer T₁ bei dem oberen der beiden Niveaus besitzt, zwischen denen die Absorption auftritt. Typischerweise ist in der Gasabsorptionszelle dasselbe Gas verwendet, wie dieses als die stimulierbare Gaskomponente des stimulierbaren Mediums vorgesehen ist. Beispielsweise kann für einen Helium /Neon-Laser _} der bei 6328 A stimuliert emittiert, in der Absorptionszelle reines Neon bei einem Druck von annähernd 3 Torr oder darunter verwendet werden. Ein befriedigender Betrieb wurde für Absorptionszelleiidrücke zwischen 0,1 und 3 Torr erhalten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher 2 fr -Impuls-

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betrieb verwendet wird, ist eine gegenseitige Anpassung zwischen der Absorptionszelle und den übrigen Komponenten des optischen Senders oder Verstärkers vorgesehen um die doppelte elektrische Feldstärke - unter der Annahme gleicher elektrischer. Dipolmomente des Verstärkungs- und Absorptionsmediums - in der Absorptionszelle zu erzeugen, wie diese im stimulierbaren V er Stärkungsmedium während des Durchgangs seines fi* -Impulses vorhanden ist. Für ein Absorptionsfc medium, das ein elektrisches Dipolmoment oder eine Oszillator stärke

hat, welches von dem des stimulierbar en Mediums verschieden ist, hängt das für den 2'JT-Impulsbetrieb benötigte elektrische Feld.umgekehrt von dem elektrischen Dipolmoment des Absorptionsmediums ab und wird entsprechend eingestellt. Daher passiert die Absorptionszelle einen 21T-Impuls, wie oben definiert. Der 21T-Impuls "schaltet" die Zelle von einem Absorptionszustand in einen Zustand umgekehrter Besetzungsdichte, und sodann schaltet die Zelle zurück und gibt die absorbierte Energie in kohärenter Form an-den Impuls zurück, bevor dieser die Zelle verlässt. Sonach kehrt die Zelle in ihren anfänglichen Absorptionszustand am Ende jedes einzelnen Impuls durchganges zurück. Die Wirkungsweise der Zelle bei dieser Ausführungsform ist charakterisiert durch die typische Zeitverzögerung der selbstinduzierten Transparenz, wie dieses in dem Artikel von S. L. McCaIl und E. L. Hahn, "Self-Induced Transparency by Pulsed Coherent Light", Physical

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Review Letters, Seiten 908-911, Mai 22, 1967 beschrieben ist. Die geeignete elektrische Feldstärke in der Absorptionszelle wird durch geeignetes Formen des Strahls, beispielsweise durch Fokussieren, erzeugt. Der Ort der aktiven Absorptionszelle innerhalb des Resonators des qptischen Senders oder Verstärkers ist bei dieser Ausführung nicht kritisch. Deshalb kann diese Ausführungsform zweckmässig auch die Form eines Ringlasers annehmen.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit ff Impulsbetrieb sind die Absorptions ζ eile und die anderen Komponenten des optischen Senders oder Verstärkers gegenseitig derart angepasst, dass die gleiche elektrische Feldstärke in der Absorptionszelle wie im stimulierbar en Medium erzeugt wird, vorausgesetzt, dass die beiden Medien gleiche elektrische Dipolmomente besitzen. Für ein Absorptionsmedium mit einem elektrischen Dipolmoment oder einer Oszillatorstärke, das von dem des stimulierbar en Verstärkungsmediums verschieden ist, wird die elektrische Feldstärke umgekehrt zum elektrischen Dipolmoment eingestellt, um 'ΓΓ-Impulse zu erzeugen. Die Zelle wird dann in ihren anfänglichen Absorptionszustand einmal während jeweils zweier Durchgänge der stimulierten Strahlung zurückgestellt durch Anordnen der Zelle in dichter Nachbarschaft zu einem Reflektor eines linearen Resonators, so dass die Strahlung zwei Durch-

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gänge durch die Absorptionszelle praktisch unmittelbar hintereinander unterliegt, bevor irgendein nennenswerter Teil der Besetzung des oberen Zustandes in der Absorptions ζ eile spontan (inkohärent) entregt wird. Andere Anordnungen zum Erhalt zweier praktisch unmittelbar aufeinander folgender Durchgänge der stimulierten Strahlung durch die Absorptionszelle würden gleichfalls ausreichend sein. Die Strahlung wird dann jene Atome dahingehend induzieren, ihre Energie zu-™ rückzugeben und in den unteren Zustand zurückzukehren. Diese Ausführungsform hat nicht die charakteristische Zeitverzögerung der selbstinduzierten Transparenz. Bei dieser Ausführungsform arbeiten sowohl das stimulierbare Medium des optischen Senders oder Verstärkers als auch die optische Zelle mit Π* -Impulsen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:
^ Fig. 1 eine halbschematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels

der Erfindung,

Fig. 2 eine halbschematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 1 unter Verwendung von Linsen,

Fig. 3 eine halbschematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels und

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Fig. 4 eine halbschematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung liefert stimulierte Impulse entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der das stimulierbare Medium eines optischen Senders oder Verstärkers 11 Π* -Impulse ähnlich denen eines selbstpulsenden optischen Senders oder Verstärkers überträgt, während eine Absorptionszelle auf diese Impulse als 2tT-Impulse anspricht.

Das stimulierbare Verstärkungsmedium sei zu Erläuterungszwecken eine Mischung aus Helium und Neon im Verhältnis 10:1, das in der Lage ist, bei 6328 A stimuliert zu emittieren. Es ist in einem zylindrischen Rohr 12 untergebracht, das beiden Endes mit unter dem Brewster¹ sehen Winkel geneigten Durchtrittsfenstern 13 und 14 verschlossen ist. Das stimulierbare Verstärkungsmediüm wird mit Hilfe einer elektrischen Gleichstromentladung zwischen einer Kathode und einer Anode angeregt, die an eine Gleichspannungsquelle 19 angeschlossen sind. Das stimulierbare Medium befindet sich in einem linearen optischen Resonator, der aus zwei einander gegenüberstehenden bezüglich der Achse des Rohres 12 ausgerichteten Spiegeln 21 und 22 aufgebaut ist. Die jeweiligen Krümmungen der Spiegel 21 und 22 sind so gewählt,

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Ά.

dass der mittlere Strahldurchmesser A₁ in der Nähe des Spiegels 21 gleich dem doppelten Strahldurchmesser A in der Nähe des Spiegels 22 ist. Das stimulierbare Verstärkungsmedium ist so angeordnet, dass es mit dem mittleren Strahldurchmesser A₁ beaufschlagt wird,

Eiaie Absorptionszelle 31, die Neon als gasförmiges Medium in einem Rohr 32 enthält, ist so angeordnet, dass sie vom Strahl unter dem mittleren Strahldurchmesser A beaufschlagt wird. Das Rohr ist

beiden Endes mit unter dem Brewster¹ sehen Winkel geneigten Durchtrittsfenstern 33 und 34 verschlossen. Die Zelle 31 weist gleichfalls eine Kathode 37 und eine Anode 38 sowie eine hieran angeschlossene Gleichspannungsquelle 3 9 auf. Beachte, dass das obere und das untere Energieniveau, zwischen denen die Absorption stattfindet, jeweils das gleiche wie das obere bzw. untere Energieniveau des stimulierbar strahlenden Übergangs des im Rohr 12 befindlichen Mediums ist.

Es sei angenommen, dass der Gesamtdruck des stimulierbaren Mediums im Rohr 12 3 Torr beträgt, die Entladungsstrecke 100 cm lang ist und die Anregungsleistung 30 Watt beträgt. Diese für das stimulierbare Medium vorgesehene Parameter können sämtlich innerhalb der bekannten Grenzen variiert werden.

Desweiteren soll der Druck im Rohr 32 0, 3 Torr betragen, er könnte

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aber auch bis auf 3 Torr oder darüber erhöht werden. Erfolgreicher Betrieb wurde bei 3 Torr erhalten. Die Rohrlänge betrage 50 cm und die zugeführte Anregungsleistung 10 Watt. Der Abstand zwischen dem Fenster 34 und dem Spiegel 22 ist nicht kritisch.

Der typische Krümmungsradius des Spiegels 21 beträgt 200 cm, während der Spiegel 22 eben ist. Der Spiegel 21 ist teildurchlässig, um einen Teil der stimulierten Strahlung auskoppeln zu können. Der Abstand zwischen den Spiegeln 21 und 22 betrage 200 cm.

Beim Betrieb der Anordnung nach Fig. 1 induziert die Gegenwart der sättigbaren aktiven Absorptionszelle 31 eine starre Eigenschwingungskopplung (mode-locking) einer Vielzahl longitudinaler Eigenschwingungen, die vom Resonator, dem stimulierbaren Medium des optischen Senders oder Verstärkers 11 und dessen Anregungseinrichtung geführt werden. Die Anregungseinrichtung muss ausreichend Leistung liefern, um die Vielzahl Eigenschwingungen zu liefern.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird die starre Eigenscn wingungskopplung zuverlässig erzeugt durch die Zusammenwirkung der normalen Komponenten eines selbstpulsenden optischen Senders oder Verstärkers mit der zugefügten aktiven Absorptionszelle 31. Die erhaltenen Impulse können wesentlich kürzer als die von einem selbstpulsen-

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den optischen Sender oder Verstärker sein. Darüberhinaus wird dieses Pulsen ohne die komplizierten Gegebenheiten und Leistungsverluste eines Kristallmodulators und dessen Steuerschaltung erhalten.

Die Absorptionszelle 31 bildet für den stimuliert emittierten Strahl eine temporäre Absorption (Dämpfung oder negative Verstärkung), die beträchtlich geringer als die vom stimulierbaren Medium des op-P tischen Senders oder Verstärkers 11 erzeugte Verstärkung ist. Die

negative Verstärkung wird durch eine grössere anfängliche Besetzung der Atome im unteren Energie zustand als im oberen Energiezustand erzeugt. Erreicht werden kann dies entweder durch eine kürzere Weglänge, wie dargestellt, einen niedrigeren Neondruck in der Absorptionszelle oder einen niedrigeren Anregungsstrom gegenüber dem stimulierbaren Verstärkungsmedium.

Im einzelnen wird beim Betrieb der Anordnung nach Pig. I der Umstand einer Strahlformung durch die Spiegel 21 und 22 ausgenutzt, um ein Verhältnis von 1 : 2 des mittleren Strahldurchmessers zwischen dem Teil des Strahls im stimulierbaren V er star kungs medium und dem Teil des Strahls im Medium der aktiven Absorptions zelle zu erzeugen. Die Leistungsintensität wird dann ein Verhältnis von 1 : 4 haben, und die elektrischen Feldstärken werden im Verhältnis , 1 : 2 zueinander

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stehen. Dann ist ein IT-Impuls im stimulierbaren Verstärkungsmedium ein 2F-Impuls in der Absorptions zelle 31, und die Zelle absorbiert wehr wenig Leistung. Ein 2 Π"-Impuls regt zunächst die absorbierenden Atome an und entregt sie daraufhin wieder, lässt sie also im unteren Energie zustand zurück. Der 2ΤΓ -Impuls passiert mit wenig Dämpfung, aber mit einer gewissen charakteristischen Verzögerung, wird am Spiegel 22 reflektiert und passiert erneut ohne nennenswerte Dämpfung.

Nur wenn der optische Sender oder Verstärker mit IT-Impulsen arbeitet, wird diese die Absorptions zelle "gut behandeln". Sollte quasi kontinuierlicher oder freilaufender Betrieb einsetzen, so würde die Zelle irreversibel absorbieren. Deshalb unterdrückt die aktive Absorptions zelle 31 freilaufenden Betrieb und erzwingt ΊΓ-Impulsbetrieb der gesamten Anordnung. Die Impulsfrequenz ist etwas niedriger als c/2L wegen der charakteristischen Zeitverzögerung der selbstinduzierten Transparenz.

In der Absorptionszelle 31 wird die Anzahl der sich im unteren Energiezustand befindlichen Atome (absorbierende Atome) durch den Entladungsstrom bestimmt, da bei Fehlen einer Entladung das untere, ebenso auch das obere Laser-Energieniveau vernachlässigbar sind. Diese Eigenschaft eines Drei-Energieniveau-Lasermediums, das als der sättigbare Absorber verwendet wird, sollte beträchtliche Flexibilität

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bei der Wahl der einzelnen Parameter ermöglichen. Es tritt nur wenig Dämpfung der stimulierten Strahlung in der Absorptionszelle 31 auf, weil ihre homogene Kohärenzlebensdauer T * wesentlich grosser als die Impulsbreite ist. Es wird erwartet, dass_ diese Beziehung in Gasen und anderen absorbierenden Medien leicht erhalten werden kann, die inhomogen verbreiterte Absorptionslinien haben. Inhomogene Verbreiterung ist eine Verbreiterung der Verstärkungskurve oder der Absorp-R tionsverlustkurve, in diesem Falle so, dass eine Erschöpfung der Verstärkung bei der einen Frequenz die verfügbare Absorption bei anderen Frequenzen nicht wesentlich erschöpft, die von der einen Frequenz innerhalb der verbreiterten Kurve relativ weit entfernt sind. Nichtsdestoweniger ist die Erfindung aber nicht auf inhomogen verbreiterte Absorptions me die η begrenzt.

Genau die gleiche Betriebsart kann bei einem optischen Resonator mit Spiegeln 41 und 42 erhalten werden, die beide Planspiegel sind, wie ™ dieses in der modifizierten Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt

ist. In Fig. 2 wird das Strahldurchmesser verhältnis von 1 : 2 des Strahls im optischen Sender oder Verstärker 11 zum Strahl in der Absorptions zelle 31 durch Linsen 61 und 62 erreicht, die innerhalb des optischen Resonators längs dessen Achse angeordnet sind. Die Linsen 61 und 62 sind als zwischen den Gliedern 11 und 31 angeordnet

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dargestellt und erzeugen praktisch parallele Strahlen sowohl im Bereich des optischen Senders oder Verstärkers 11 als auch im Bereich der Absorptionszelle 31. Eine einzelne Linse in irgendeiner geeigneten Position innerhalb des optischen Resonators wird ausreichen, wenn man einen etwas divergierenden Strahl in zumindest einem der beiden Rohre 12 und 32 zulassen will.

Wenn die Absorptionszelle so angeordnet wird, dass sie genau die gleichemittlere Intensität wie der optische Sender oder Verstärker sieht, dann ist, wenn beide -.. Medien gleiche elektrische Dipolmomente haben, ein ΪΓ -Impuls im stimulierbaren Verstärkungsmedium auch ein 'ΪΓ-Impuls in der Absorptionszelle. Ein zweifacher Durchgang eines Impulses durch die Absorptionszelle wird dann, wenn er in kürzerer Zeit als die homogene Kohärenzlebensdauer T * bewerkstelligt wird, die Absorptionszelle in ihren Anfangszustand zurücküberführen. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.

In Fig. 3 ist der optische Sender oder Verstärker 11, der das stimulierbare Medium und die Anregungseinrichtung einschliesst, weitgehend der entsprechenden Apparatur 11 in Fig. 1 gleich. Der optische Sender oder Verstärker 11 befindet sich innerhalb eines optischen Resonators, der aus zwei gegenüberstehenden Spiegeln 81 und 82 auf-

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gebaut ist. Desgleichen befindet sich hierin in koaxialer Ausrichtung das Rohr 72 einer aktiven Absorptions ζ eile 71. Dieses Rohr 72 hat eine Entladungsstrecke von 10 cm, die kleiner is,t als die halbe Entfernung, die vom Impuls während der Kohärenzlebensdauer T * der Atome im oberen Energiezustand der beiden an der Absorption beteiligten Energiezustände durchquert wird. Die Zelle 71 befindet sich auch so dicht wie möglich am Spiegel 82. Das Rohr 72 hat unter dem Br ewster'sehen Winkel geneigte Durchtrittsfenster 73 und 74 und wird durch eine Kathode 77 und ikiode 78 mit Hilfe der Gleichspannungsquelle 79 angeregt.

Die Anregungsleistung des optischen Senders oder Verstärkers 11 und der Gasdruck im Rohr 12 sind die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2. Der Neondruck in der Absorptionszelle 72 ist wieder 0,3 Torr. Beim Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 3 ist ein T -Impuls im optischen Sender oder Verstärker auch ein IT-Impuls in der aktiven Absorptions ζ eile 71. Der Impuls wird dann in der Zelle 71 gedämpft werden, wird aber die Atome vom unteren in den oberen Energiezustand anregen. Da er aber in einer kürzeren Zeit als der Kohärenzlebensdauer T * die Zelle 71 passiert und sodann nach Reflexion ein weiteres Mal, wird der Impuls die Atome dahingehend induzieren, dass diese ihre Energie zurückgeben und in den unteren

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Λ .

Energiezustand zurückkehren. Dieser Betrieb wird durch die Kürze des Rohrs 72 und dessen Anordnung in dichter Nachbarschaft zum Reflektor 82 ermöglicht.

Die Absorption und die kohärente erneute Ausstrahlung, die in der Zelle 71 alle zwei Durchgänge auftritt, erscheint ohne die charakteristische Zeitverzögerung beim Betrieb der Anordnungen nach Fig. 1 und 2. Deshalb ist die Impulswiederholungsfrequenz durch die Rundreise-Weglänge im Resonator bestimmt und nur durch den normalen Brechungsindex aller beteiligten Medien innerhalb des Resonators modifiziert.

Praktisch die gleiche Betriebsweise kann mit der modifizierten An-

Ordnung nach Fig. 4 erhalten werden, bei der ein Teil von den Spiegeln 81 und 82 der Fig. 3 erzeugten Fokussierwirlcung nunmehr von der Linse 91 übernommen wird. Bezüglich der anderen Merkmale ist die modifizierte Anordnung der Figur identisch.mit der nach Fig. 3 und arbeitet auch auf die gleiche Weise.

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Claims

Patentansprüche

1. ' Optische Sende- oder Verstörkungsanordnung mit einem stirrrulierbaren Medium (Gas in Rohr 12), einer Einrichtung (17, 18, 19) zum Anregen des stimulierbaren Mediums, einem optischen Resonator (21, 22) der Länge L, in welchem sich das stimulierbare Medium befindet, wobei die Anregungseinrichtung und der optische Resonator gegenseitig so ausgelegt sind, dass sie eine Mehrzahl, N_-, longitudinaler Eigenschwingungen anregen, und einer Absorptionszelle (31) innerhalb des Resonators, dadurch gekennzeichnet, dass die 2i<sXi.& ein Absorptionsmedium (Gas in Rohr 32) mit diskreten Energiezuständen aufweist, von denen mindestens zwei durch angenähert die Photonenenergie der stimulierten Strahlung voneinander getrennt sind, und wobei das Medium eine Energiespeicherungslebensdauer T. wesentlich grosser als die erwartete Impulsbreite 2L/Nc - mit c gleich der Lichtgeschwindigkeit - sowie eine' homogene Kohärenzlebensdauer T₀* aufweist, die wesentlich grosser als die Impulsbreite ist, und dass eine Einrichtung (37, 38, 39) vorgesehen ist, die in dem Absorptionsmedium eine stärkere Besetzung des unteren der beiden Energie zu stände als des oberen um einen Betrag erzeugt, der noch stimulierte Schwingung ermöglicht.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Feldstärken und elektrischen Dipolmomente im stimulier baren Verstärkungsmedium und im Absorptionsmedium aufeinander für einen TT - oder 2ff-Impulsbetrieb eingestellt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Anpassung der Absorptionszelle und der übrigen Komponenten des optischen Senders oder Verstärkers mit Hilfe eines gasförmigen Absorptionsmediums erfolgt, dessen Druck gleich oder kleiner als derjenige Wert ist, bei welchem eine homogene Kohärenzlebensdauer grosser als die Impulsbreite erhalten wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur gegenseitigen Anpassung von Zelle und den anderen Komponenten Mittel zum Erzeugen einer E-Feldstärke der Strahlung im Absorptions medium vorgesehen ist, die bezüglich der Feldstärke der Strahlung im stimulierbaren Verstärkungsmedium sowie der elektrischen Dipolmomente der Medien für einen 2ΠΓ-Impulsbetrieb eingestellt ist, wodurch während jedes einzelnen Durchganges der Strahlung durch die Absorptionszelle letztere Energie aus der Strahlung absorbiert und sodann die absorbierte Energie an die Strahlung wieder zurückgibt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

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Mittel zum Erzeugen der elektrischen Feldstärke zumindest eine zwischen dem stimulierbaren Verstärkungsmedium und dem Medium der Absorptionszelle gelegene Linse aufweisen, die bei im wesentlichen gleichen elektrischen Dipolmomenten der Medien die Strahlung im Medium der Absorptionszelle auf einen Durchmesser fokussiert, der halb so gross ist wie der entsprechende Durchmesser der Strahlung im stimulierbaren Verstärkungsmedium.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen der elektrischen Feldstärke durch eine Anpassung des optischen Resonators mit fokussierenden Spiegeln gebildet sind, die einen Strahl der stimulierten Strahlung mit einem ersten Durchmesser an einer ersten Stelle sowie mit einem zweiten Durchmesser halb so gross wie der erste Durchmesser an einer zweiten Stelle erzeugen, und dass das stimulierbare Verstärkungsmedium an der ersten Stelle und das Medium der Absorptions ζ eile an der zweiten Stelle angeordnet sind, wobei die elektrischen Dipolmomente der Medien im wesentlichen gleich sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Zelle Mittel zum Erzeugen von elektrischen Feldstärken der Strahlung im stimulierbaren Verstärkungsmedium und im

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Medium der Absorptionszelle vorgesehen sind., die gegenseitig bezüglich der elektrischen Dipolmomente der Medien für einen ΙΓ-Impulsbetrieb eingestellt sind, wobei die homogene Kohärenzlebensdauer des oberen Energiezustandes des absorbierenden Mediums grosser als das Doppelte der Impulsbreite ist, dass die Länge der Absorptionszelle kleiner als die während der halben Kohärenzlebensdauer von der Strahlung zurückgelegte Wegstrecke ist und dass die Absorptionszelle im Resonator an einer Stelle angeordnet ist, in welcher sie zwei praktisch unterbrechungslos aufeinanderfolgenden Durchgängen der Strahlung unterliegt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator als linearer optischer Resonator mit zwei Spiegeln ausgebildet ist, die in koaxialer Anordnung zur Achse des stimulierbaren Verstärkungsmediums und des Mediums der Absorptionszelle einander gegenüberstehen, und dass die Absorptionszelle in der Nähe eines der Spiegel angeordnet ist.

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