DE1923720B2 - Optische Kopplungsvorrichtung für optische Sender oder Verstärker (Laser) - Google Patents

Description

form-Frequenzen symmetrisch zur Mitte der Laser- HiJfssignal der freien und der zwangsgekoppelten

Verstärkungskurve angeordnet sind, wie dieses in Schwingungsformen bei reinem binärem Betrieb,

dem halbentarteten konfokalen optischen Resonator Fig. 5, 6 und 7 Diagramme zur Darstellung der

der Fall ist (d. h., die Hälfte aller Schwingungsformen aufzuprägenden eingegebenen Schwingungsform als ist bei einer Frequenz resonant und die andere Hälfte 5 Hilfssignal der freien und der zwangsgekoppelten

bei einer anderen Frequenz). Das zweite Kriterium Schwingungsformen bei nicht reinem binärem Betrieb,

wird erfüllt durch einen derart konstruierten optischen Fig. 8, 9, 10, 11 und 12 Schemata beispielhafter

Resonator, daß die Feldverteilungen der verschiede- optischer Resonatoren und

nen Transversalschwingungsformen sich zu einem Fig. 13, 14 und 15 Diagramme zur Darstellung Maximalgrad (für die optische Schalterausführung) io des Hilfssignals der freien und der zwangsgekoppelten

im vollen Volumen des stimulierbaren Laser-Mediums Schwingungsformen eines Bildverstärkers,

eiüander überlappen. Sowohl der planparallele als Als Beispiel für einen optischen Schalter ist in

auch der konzentrische optische Resonator liefert F i g. 1 eine bistabile optische Einrichtung mit einem

maximale räumliche Überlappung, während der kon- Laser 20 dargestellt, in welchen ein schwaches Hilfsfokale optische Resonator minimale räumliche Über- 15 signal eines Hilfslasers 10 eingegeben wird. Jeder

lappung erzeugt (siehe Applied Optics, Bd. 5, Nr. 10, dieser Laser weist ein stimulierbares Gasmedium

Oktober 1966, S. 1550 bis 1567). Es wurde gefunden, innerhalb eines geeigneten Entladungsrohres (12

daß Schwingungsformkonkurrenz in sowohl dem und 22) sowie einen optischen Resonator auf, der

planparallelen als auch dem konzentrischen optischen durch ein Paar teildurchlässiger Endspiegel begrenzt Resonator die Schwingungsform niedrigster Ordnung 20 ist, von denen der eine (16 und 24) eben ist und der

TEM₀₀, begünstigt, während die Schwingungsform- andere konkav (14 und 26). Das vom Hilfslaser 10

konkurrenz im konfokalen optischen Resonator die ausgestrahlte Signal läuft durch ein entkoppelndes

Schwir-rnpsform höchster Ordnung begünstigt, für optisches Ventil, das beispielsweise durch ein Glan-

welche der Beugungsverlust kleiner als die Laser- Thompson-Prisma 30 und einen Faraday-Rotator 40

Verstärkung ist. 25 gebildet ist. Das optische Ventil, dessen Prinzip und

Es leuchtet daher ein, daß je nach der speziellen Wirkungsweise allgemein bekannt ist (vgl. Bell

Ausführungsform eine Kompromißform des optischen System Technical Journal, Bd. 41, Nr. 4, April 1962.

Resonators erforderlich sein kann. Beispielsweise ist S. 1371 bis 1397), läßt das vom Hilfslaser 10 aus-

es im Falle eines optischen Schalters wünschenswert, gestrahlte Hilfssignal hindurch, so daß dieses über für maximale räumliche Überlappung zu sorgen, die 30 die Anpaßlinse 50 in den Laser 20 gelangen kann,

mit dem Schwingen der gewünschten Schwingungs- Im übrigen hindert das optische Ventil jedwede

formen verträglich ist. Obgleich Frequenzüberlappung Strahlung vom Laser 20 an einem Eintritt in den

bevorzugt ist, ist Frequenzentartung nicht erforder- Laser 10. Die Anpaßlinse 50 paßt nach allgemein

lieh. Daher würde eine Resonatorform, die sich ent- bekannten Methoden den Strahldurchmesser und die

weder dem planpar^lelen oder dem konzentrischen 35 Wellenfrontkrümmung des Hilfssignals an das vom

optischen Resonator annähert, geeignet sein. Würde Laser 20 erzeugte Signal an. Der Hilfslaser 10 v/ird

andererseits der Schalter in seinem Aus-Zustand ge- derart betrieben, daß er bei einer einzigen Frequenz

kennzeichnet sein durch eine Schwingungsform und in einer einzigen Transversalschwingungsform

höherer Ordnung, dann würde eine konfokale oder schwingt. Beispielsweise veranlaßt das Einfügen eines

nahezu konfokale Geometrie zu wählen sein, da, wie 40 feinen Drahts 18 quer durch die Resonatorachse, daß

erwähnt, die Schwingungsformkonkurrenz eine der Hilfslaser 10 in der Transversalschwingungsform

Schwingung in Schwingungsformen höherer Ordnung zweiter Ordnung TEM₁₁₁,, schwingt (F i g. 2). Ande-

begünstigt. rerseits ist der Laser 20 so ausgelegt, daß er in der

Im Gegensatz hierzu sind jedoch im Falle eines Grundschwingungsform TEM₀₀ „ schwingt. Dies wird Bildverstärkers eine Frequenzentartung und eine re- 45 durch die Einfügung einer Aperturblende 28 erreicht, duzierte räumliche Überlappung bevorzugt. Sowohl die die Transversal-Grundschwingungsform nur sehr der planparallele als auch der konzentrische Reso- wenig dämpft, weil deren maximale Energiedichte auf nator liefert Entartung, aber beide haben maximale der Resonatorachse liegt, die aber alle Schwingungsräumliche Überlappung. Daher ist eine Resonator- formen höherer Ordnung in zunehmendem Maße form, die etwas vom entweder konzentrischen oder 50 dämpft. Das Ausgangssignal in der Transversalplanparallelen Fall in Richtung auf den konfokalen schwingungsform TEM_00n des frei schwingenden Fall abweicht, bevorzugt, um die räumliche Über- Lasers 20 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Einführung lappung zu erniedrigen, ohne sich dabei nennenswert des Hilfssignals mit der Transversalschwingungsform von der Entartung zu entfernen. TEM₀₁ „ vom Hilfslaser 10 in den Laser 20 veranlaßt

Die vorstehenden Methoden einer Transversal- 55 den letzteren von einer Schwingung in der TEM_00nschwingungsform-Steuerung sind als dynamische Schwingungsform gänzlich auf die TEM₀₁ „-Schwin-Methoden aufzufassen, im Gegensatz zur bekannten gungsform umzuschalten, wie dieses in F i g. 4 darpassiven oder »Dämpfungs«-Steuerung, d. h. Me- gestellt ist.

thoden, bei denen irisblendenartige Störkörper aus Alternativ kann es wünschenswert sein, die Aper-

absorbierendem Material oder Löcher in Spiegeln 60 turblende wegzulassen, soweit die Verwendung die-

verwendet werden. ser eine Dämpfung für die Transversalschwingungs-

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeich- formen höherer Ordnung des Lasers 20 einführt und

.net und in der Zeichnung im einzelnen beschrieben; folglich Leistung vernichtet. Ohne Aperturblende

es zeigt schwingt der Laser 20 in einem Schwingungsform-

F ig. 1 die schematische Ansicht einer beispiel- 65 spektrum, das eine Mehrzahl Transversalschwingungs-

haften Laser-Apparatur, formen umfaßt, wie diese in Fig. 6 dargestellt sind.

Fig. 2, 3 und 4 Diagramme zur Darstellung der Nichtsdestoweniger wird, vorausgesetzt, daß hinrei-

aufzuprägenden eingegebenen Schwingungsform als chend Schwingungsformkonkurrenz vorhanden ist,

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das Einführen eines schwächen TEM₀₁ ,-Hilfssignals (F i g. 5) vom Hilfslaser 10 noch ein Umschalten des Lasers 20 auf Schwingungen nur in der eingegebenen TEM₀₁ „-Schwingungsform (F i g. 7) veranlassen. Auf diese Weise wird der größte Teil der Energie aus den anderen Schwingungsformen des Lasers 20 auf die TEM₀₁ „-Transversalschwingungsform übertragen, wodurch eine höhere Ausgangsleistung als bei Verwendung der Aperturblende 28 bei sonst gleichen Parametern erhalten wird. Daher tritt sowohl Ver-Stärkung als auch Umschalten auf. Jedoch ist ein solcher Betrieb nicht »rein« binär, da der Laser zwischen einem Vielfacheigenschwingungszustand und einem Einzelschwingungsformzustand und nicht nur zwischen zwei verschiedenen Einzelschwingungsformzuständen umgeschaltet wird.

Zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines optischen Schalters nach der Erfindung sind noch folgende Einzelheiten erwähnenswert: Bei beiden Lasern 10 und 20 wurden 17 cm lange Entladungsrohre (12 und 22) mit einer lichten Weite von 1,5 mm verwendet und auf einen Druck von 2,4 Torr mit einer He³: Ne²⁰-Gasmischung im Verhältnis von S: 1 gefüllt. Beide Laser sendeten die Welle 6328 A aus. Die Laser-Rohre ergaben eine ungesättigte Ver-Stärkung von etwa 3,5 ⁰Zo. Wie vorstehend erwähnt, veranlaßte der feine Draht 18 den Hilfslaser 10, nur in der Transversalschwingungsform zweiter Ordnung zu schwingen, wohingegen die Aperturblende 28 den Frequenzabstand zwischen der Transversalgrundschwingungsform zu schwingen.

Verschiedene ebene Resonatorspiegel 24 wurden im Laser 20 (z.B. mit 0,4, 1,4 und 2,5⁰O Durchlässigkeit) in Kombination mit verschiedenen hochreflektierenden Konkavspiegeln 26 (z. B. Krümmungsradien von 0,5, 1,0 und 2,0 Meter) benutzt. Im einzelnen waren die für den Laser 20 ausgewählten Parameter die folgenden:

Fresnelzahl N = 4,0; Radius des konkaven Ausgangsspiegels 26 R₂₀ = lm; Radius des Planspiegels

■»J T) Ji:t :u

24A₂₄ = unendlich. Hierbei erreicht man eine Dämpfung für die Grundschwingungsform von weniger als 0,01 ⁰O und eine Dämpfung für die Schwingungsform zweiter Ordnung von etwa 0,1%, die beide leicht unter Verwendung der Lehren des Artikels in Bell System Technical Journal, Bd. 44, Nr. 5, Mai/Juni 1965, S. 917 bis 932, berechnet werden können. Der Frequenzabstand zwischen der Transversal-Grundschwingungsform und der Transversalschwingungsform zweiter Ordnung war 106 Megahertz im Vergleich zur vollen Breite beim halben Maximum der druckverbreiterten homogenen Linienbreite des atomaren Übergangs, der für diesen Helium-Neon-Laser Megahertz beträgt (vgl. Journal Applied Physics, Bd. 37, Nr. 5, April 1966, S. 2089 bis 2093).

Das eingegebene Schwingungsformsignal zweiter Ordnung wurde bei 13 Dezibel unterhalb des Wertes der Grundschwingungsform gehalten. Es wurde als vorteilhaft befunden, die höchstdurchlässigen (2,5 ⁰Zo) Planspiegel 24 zu verwenden, um stabiles Schalten sicherzustellen. Die folgenden Zusammenhänge wurden beobachtet: 1. Erhöhen der Stärke des Hilfssignals verbessert die Stabilität des Umschaltens, 2. Verringerung der Krümmung des Konkavspiegels führt zu stabilem, aber unvollständigem Umschalten, d. h. die Grundschwingungsform des Lasers 20 %vird nicht vollständig unterdrückt, und 3. Verringefung der Durchlässigkeit des Planspiegels 24 führt zu weniger stabilem, aber vollständigem Umschalten. E wurde demzufolge gefunden, daß ein Kompromil zwischen nahezu planparallelen und nahezu halb konfokalen Resonatorformen das Schaltverhaltei günstig beeinflußt. Diese Folgerung ist im Hinblicl auf den Umstand vernünftig, daß Ausblendedefekti hohe Beugungsverluste für die Schwingungsformei höherer Ordnung im planparallelen Fall erzeugen während die Schwingungsform-Volumina in einen konfokalen optischen Resonator maximal verschie den sind (d. h. minimale räumliche t)berlappung).

Als Bildverstärker findet die Konzeption dei Transversalschwingungsform-Umschaltung mit optischer Verstärkung, wie diese an Hand der Fig. 1 5, 6 und 7 beschrieben worden ist, brauchbare Anwendungsmöglichkeiten bei Systemen, in welchen es gewünscht ist, ein einfrequentes komplexes Signal zu verstärken. Durch »Komplex« soll ausgedrückt werden, daß das Signal, obgleich aus einer einzigen optischen Frequenz bestehend, durch eine Mehrzahl transversaler Schwingungsformen gekennzeichnet ist. Wie vorstehend erwähnt, könnte ein solches Signal von einem Transparent erhalten oder durch Verzerrung in einem Übertragungsmedium erzeugt werden. In jedem Fall ist es wünschenswert, alle diese Transversalschwingungsformen um denselben Betrag zu verstärken. Während es möglich ist, das Eingangssignal dadurch zu verstärken, daß man es durch ein Laser-Medium, das nicht in einem optischen Resonator gelegen ist, hindurchschickt, würde diese Methode eine Verstärkung nur während eines einzigen Durchgangs liefern. Liegt jedoch das stimulierbare Medium in einem optischen Resonator, so kann höhere Verstärkung in Mehrfachdurchgängen bei der Resonanzfrequenz des optischen Resonators erhalten werden. Es sei beispielswese ein einfrequentes komplexes Signal betrachtet, das ein Transversalschwingungsform-Spektrum besitzt, welches durch die Transveisalschwingungsformen der vier niedrigsten Ordnungen gekennzeichnet ist (Fig. 13). Das Signal wird, wenn es in einen Laser-Oszillator, der in den Schwingungsformen der sechs niedrigsten Ordnungen (Fig. 14) schwingt, eingegeben wird, den Oszillator veranlassen, räumlich auf das Eingangssignal zwangsgekoppelt zu werden, d. h.. der Oszillator wird auf eine Schwingung gänzlich in den Transversalschwingungsformen des eingegebenen Signals mit demselben Amplitudenverhältnis umschalten (Fig. 15), wobei die Energie in allen übrigen Schwingungsformen auf die eingegebenen Schwingungsformen übertragen wird und dadurch eine »Bude-Verstärkung des Eingangssignal erhalten wird. Bildverstärkung tritt nur auf, wenn gewisse Bedingungen erfüllt sind, nämlich 1. der optische Resonator des Laser-Oszillators ist vorzugsweise bei der Frequenz des Eingangssignals frequenzentartet, insoweit alle Eingangsschwingungsformen bei einer einzigen Frequenz liegen, 2. Transversalschwingungsform-Konkurrenz wird vorzugsweise reduziert, aber nicht vollständig eliminiert, damit der Oszillator auf die Eingangssignalschwingungsformen zwangsgekoppelt wird, aber nicht auf Schwingungen in irgendeiner bestimmten dominanten Schwingungsform umschaltet, 3. der Oszillator : durch eine Nettoverstärkung für Schwingunge

mindest <:n vipipn Τ«ηη»-·ι—«—·

409522/199

4087

9 10

gungsformen. Diese letztere Forderung wird durch formen und folglich weniger Schwingungsform

die Verwendung eines Spiegels mit hoher Durch- konkurrenz vorhanden sein — eine für Bildverstär

lässigkeit (z. B. Spiegel 24 der Fig. 1) erfüllt, durch kung vorteilhafte Anordnung, wenn die Verringerung

welchen das eingegebene Signal in den Bildverstärker der Verstärkung toleriert werden kaiin, die von dei

eingekoppelt wird; die Wirkung dieser Maßnahme 5 Verwendung eines stimuli srbaren Mediums kleinerer

ist, die Übertragungsdämpfung zum dominanten Teil Volumens resultiert.

der Gesamtdämpfung für jede Schwingungsform zu Beim planparallelen Resonator der F i g. 9 hai

machen und dadurch den Einfluß von Beugungsver- jeder Spiegel einen Radius R = unendlich, und die

lusten zu minimalisieren, die für jede Schwingungs- Spiegel sind um den Abstand L voneinander getrennt

form verschieden sind. Folglich erfährt jede Schwin- io Obgleich Frequenzentartung und maximale räum-

gungsform praktisch die gleiche Dämpfung und, da iiche Überlappung erzeugt werden und dadurch der

jede bei der gleichen Frequenz resonant ist, erfährt Resonator für Schwingungsformumschaltung vorteil-

jede die gleiche Verstärkung. haft machen, ist die Verwendung planparalleler Spie-

In vielen Anwendungsfällen (z. B. Raman-Streu- gel aus Justiergründen nachteilig, da es schwierig ist,

Untersuchungen oder Schneid- und Schweißvorgänge) 15 die parallele Orientierung zwischen den Planspiegeta

ist es wünschenswert, einen kohärenten Strahl maxi- aufrechtzuerhalten.

maler Helligkeit zu haben, d. h. maximale Leistung Bei Resonatorformen, die sich entweder dem planpro cm² und Raumwinkel. Üblicherweise wird dies parallelen oder dem konzentrischen Fall annähern, erreicht durch Beschränken eines Hochleistungs- diesem aber nicht genau gleichkommen, kann die Laser-Oszillators auf einen Betrieb in der Grund- 20 räumliche Überlappung beträchtlich kleiner als das schwingungsform durch die Verwendung von Dämp- Maximum sein, und der Resonator bleibt weitgehend fungseinrichtungen, um Schwingungsformen höherer entartet, so daß solche Formen für Bildverstärkung Ordnung zu unterdrücken. Dynamische Transversal- vorteilhaft sind.

schwingungsform-Steuerung, entsprechend der Erfin- Der konfokale Resonator (Fig. 10) ist jedoch bei

dung, kann zur Beschränkung eines Hochleistungs- as einem optischen Schalter brauchbar, bei dem dei

Oszillators auf Grundschwingungsformbetrieb ohne Aus-Zustand eine Schwingungsform höherer Ord-

Beeinträchtigung der Gesamtleistung verwendet wer- iaung ist Aber die Resonatorform mit dein Radius R

den, in dem man ein Grundschwingungsform-Signal der Spiegel gleich dem Spiegelabstand L liefert nui

in den optischen Resonator des Oszillators eingibt, der Halbfrequenzentartung und ist deshalb für Bildver-

Transversalschwingungsform-Konkurrenz begünstigt. 30 Stärkung nicht bevorzugt, obgleich der konfokale

Bevorzugte optische Resonatoren sind die nahezu Resonator die räumliche Schwingungsformkonkur-

planparallelen oder konzentrischen Konfigurationen, renz minimalisiert. Eine ähnliche Beschränkung ist

die eine Schwingung in der Grundschwingungsfonn für den halbkonfokalen Resonator (Fig. 11)gegeben,

begünstigen, aber alle Schwingungsformen höherer Jedoch liefert der in F i g. 12 dargestellte modifizierte

Ordnung nicht vollständig unterdrücken (d. h., das 3s konfokale Resonator sowohl Frequenzentartung und

Volumen der Grundschwingungsfonn ist groß). minimale räumliche Überlappung, wie dieses bei

Verschiedene optische Resonatorformen, die ent- einem Bildverstärker bevorzugt ist. Der Resonator sprechend der Erfindung brauchbar sind, sind in weist ein Paar sphärischer Spiegel der Radien A₁ und Fig. 8 bis 12 dargestellt. Zwei entartete optische R₂ auf, wobei der eine Spiegel mit dem Radius R₁ Resonatoren, die maximale räumliche Transversal- 40 im Abstand L₁ von einer Konvexlinse und der andere Schwingungsformen erzeugen, sind der konzentrische Spiegel im Abstand L₂ von der anderen Seite derund der planparallele Resonator, die in F i g. 8 bzw. 9 selben Linse angeordnet ist. Dabei gilt
dargestellt sind. Beim konzentrischen Resonator

(F i g. 8) sind die sphärischen Spiegel um den Ab- ^ = L , R = L und / = ^¹ ^²
stand L = 2 R voneinander getrennt, wobei R der 45 1 1' 2 2 ₊ ^
Radius jedes Spiegels ist. Der konzentrische Resonator liefert jedoch maximale räumliche Überlappung mit / gleich der Linsenbrennweite,
nur, wenn das Verstärkungsmedium den größten Teil Die Erfindung ist nicht auf Ausführungsformen des Resonatorvolumens einnimmt, was selbstver- beschränkt, bei welchen nur Gas-Laser verwendet ständlich die Verstärkung zu maximalisieren sucht. 50 werden. Festkörper-Laser, z. B. neodymdotierter Eine solche Anordnung ist für die Transversal- Yttriumaluminiumgranat (Nd-YAG), sind gleichfalls schwingungsfo' m-Umschaltung vorteilhaft, insoweit bei gleichbleibender Grundidee brauchbar, um einen Schwingungsformkonkurrenz maximalisiert ist. optischen Resonator zu erzeugen, in welchem sowohl Andererseits würde, wenn das Verstärkungsmedium räumliche Überlappung der verschiedenen Transtuf einen kleinen Bereich in der Nähe der Mitte des 55 versalschwingungsformen als auch Frequenzannähekoiizentrischen Resonators konzentriert ist, kleinere rung auf innerhalb die homogen verbreiterte Linienräitmliche Überlappung der Transversalschwingungs- breite einer Schwingungsform ermöglicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

A Λ R 7

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Optische Kopplungsvorrichtung für optische Sender oder Verstärker (Laser) mit einem optisehen Resonator, der für eine Vielzahl konkurrierender Transversalschwingungsformen ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher optischer Steuer- oder Hilfssender (10) ein schwaches optisches Signal mit einem vorgewählten Spektrum von Transversalschwingungsformen in den zu koppelnden optischen Resonator (24, 26) eingibt, um durch Mitnahme den Laser-Oszillator (20) zum Schwingen gänzlich in dem eingegebenen Spektrum von Transversalschwingungsformen zu veranlassen.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator (2Λ, 26) so ausgelegt ist, daß alle die Transversalschwingungsform-Resonanzfrequenzen im Vergleich zur homogenen Linienbreite einer Schwingungsform nahe beieinanderliegen und die Transversalschwingungsformen einander räumlich überlappen.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator (24, 26) entartet ist und alle Transversalschwingungsform-Resonanzen bei der gleichen Frequenz liegen.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator (24, 26) halb entartet (vgl. F i g. 10) ist, wobei die eine Hälfte der Transversalschwingungsform-Resonanzen bei einer Frequenz und die andere Hälfte bei einer anderen Frequenz liegt, und daß die beiden Frequenzen symmetrisch zur Spitze der Laser-Verstärkungskurve liegen.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sis als binärer optischer Schalter verwendet wird und eine Einrichtung aufweist, die den Laser-Oszillator (24, 26) veranlaßt, in einer einzelnen Transversalschwingungsform zu schwingen, und daß ein optisches Hilfssignal aus einem optischen Hilfssender (10), der in einer anderen einzelnen Transversalschwingungsform schwingt, in den optischen Resonator eingebbar ist und im letzteren maximal konkurrierende Transversalschwingungsformen vorfindet und in die aufgeprägte Schwingungsform des Hilfssignals umschaltet, indem der optische Resonator (24, 26) dafür ausgelegt ist, die räumliche Überlappung der Transversalschwingungsformen zu maximalisieren und zu veranlassen, daß alle der Transversalschwingungsform-Resonanzfrequenzen im Vergleich zur natürlichen Linienbreite einer Schwingungsform nahe beieinanderliegen.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator ein Paar sphärischer Spiegel aufweist, die zueinander konzentrisch angeordnet sind (vgl. F i g. 8).

7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator ein Paar Planspiegel aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind (vgl. Fig. 9).

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bildverstärker verwendet wird und der optische Resonator (24,

26) so entworfen ist, daß er (1) zumindest so viele Transversalschwingungsformen wie das aufzuprägende Hilfssignal aufweist, (2) konkurrierende Transversalschwingungsformen in dem Laser-Oszillator durch Reduzieren der räumlichen Überlappung der Transversalschwingungsformen reduziert, (3) annähernd für gleiche Nettoverstärkung für jede der Transversalschwingungsfonnen sorgt sowie (4) bei der Frequenz des injizierten optischen Signals frequenzentartet ist.

9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Hilfssignal in den optischen Resonator (24,26) durch den lichtdurchlässigen Resonatorspiegel (24) hindurch eingegeben wird, dessen hohe Durchlässigkeit eine gleiche Verstärkung für jede der Transversalschwingungsformen dadurch erzeugt, daß die Übertragungsdämpfung zum überwiegenden Teil der Gesamtdämpfung im Laser-Oszillator im Vergleich zu den Beugungsverlusten der Transversalschwingungsformen gemacht wird.

10. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator nahezu konzentrisch ist und zwischen der konzentrischen und der konfokalen Form liegt.

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator nahezu planparallel ist und zwischen der konfokaien und planparallelen Form liegt.

12. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator konzentrisch ist und daß das stimulierbare Medium des Laser-Oszillators auf ein kleines Volumen im Mittelpunkt des optischen Resonators begrenzt ist, um die räumliche Überlappung der Transversalschwingungsformen zu reduzieren.

13. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator von einem Paar sphärischer Spiegel mit den Radien R₁ bzw. R₂ begrenzt ist sowie dazwischen und koaxial eine Konvexlinse aufweist, wobei der Abstand der Linse zum Spiegel mit dem Radius R₁ gleich L₁ ist und der Abstand der Linse vom Spiegel mit dem Radius R₂ gleich L₂ ist und wobei die Brennweite der Linse annähernd gegeben ist durch

/= V^L*

L^L'

14. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Vorrichtung für große Intensität verwendet wird und der optische Resonator zur Maximalisierung der konkurrierenden Transversalschwingungsformen ausgelegt ist, welche die Schwingung in der Transversalgrundschwingungsform begünstigt, und daß aus einem optischen Hilfssender ein optisches Hilfssignal, das nur die Transversalgrundschwingungsform enthält, in den optischen Resonator eingebbar ist.

15. Optische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator von einem Paar sphärischer Spiegel begrenzt ist, die konzentrisch zueinander angeordnet sind (vgl. F i g. 8).

16. Optische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Reso-

nator von einem Paar paralleler ebener Spiegel begrenzt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Kopplungsvorrichtung für optische Sender oder Verstärker (Laser) reit einem optischen Resonator, der für eine Vielzahl konkurrierender Transversalschwingungsformen ausgelegt ist.

So ist es aus Froc. IEEE, Bd. 56, Nr. 3, März 1968, S. 333 bis 335, für eine He-Ne-Laser-Anordnung bekannt, die TEM₁₀- und TEM₀₁-Moden gekoppelt zu haben.

Die neuere Entwicklung von Verstärkern und Sendern für kohärentes Licht führte zu zahlreichen neuen Anwendungsmöglichk~iten der elektromagnetischen Wellen des optischen Spektralbereichs. Die von solchen Vorrichtungen erzeugten Lichtwellen können scharf fokussiert werden, um Energiedichten zu erhalten, die zum Schweißen, Schneiden, Bohren u. dgl. geeignet sind. Des weiteren macht die mit einem Laser erhältliche hochgradige Monochromasie diesen zu einem brauchbaren Werkzeug sowohl für spektroskopische Untersuchungen als auch zur Stimulierung verschiedener Typen chemischer und physikalischer Reaktionen. Zu den erfolgversprechendsten Anwendungsgebieten des kohärenten Lichts gehört das Feld der Nachrichtenübertragung, wo das optische Spektrum praktisch unbegrenzte Bandbreite und demgemäß praktisch unbegrenztes Informationsführungsvermögen ermöglicht (siehe beispielsweise Scientific American, Bd. 214, Nr. 1, Januar I960, S. 19 bis 27).

Um die bei optischen Übertragungssystemen erforderlichen Logikfunktionen sowie andere Funktionen durchführen zu können, ist es vorteilhaft, eine bistabile optische Einrichtung zu haben, d. h. eine solche, die eine binäre Ein-Aus-Funktion (und vielleicht eine Speicherfunktion) bei optischen Frequenzen ausüben kann.

In anderer Hinsicht ist es ein Problem, daß Strahlverzerrung die Eigenschaften üblicher optischer Empfänger begrenzt. Zumeist ist der sendende Laser nämlich dafür ausgelegt, nur in der Transversalschwingungsform erster Ordnung stimuliert zu emittieren. Jedoch wird der Strahl durch das Übertragungsmedium häufig verzerrt, wodurch störende Schwingungsformen höherer Ordnung erzeugt werden. Wegen dieser Verzerrung ist es schwierig, das Laser-Signal in der üblichen Weise zu verstärken und wiederzugewinnen. Beispielsweise ist ein üblicher optischer Verstärker so ausgelegt, daß er nur die Schwingungsform der niedrigsten Ordnung verstärkt. Daher kann ein bedeutsamer Teil der Signalleistung verlorengehen, was eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Empfängers zur Folge hat.

In ähnlicher Weise kann es wünschenswert sein, ein schwaches komplexes Signal zu verstärken, d. ii. ein solches, das aus vielen Transversalschwingungsformen zusammengesetzt ist, beispielsweise ein einfrequentes optisches Signal, das durch ein Hologramm oder ein ähnliches Transparent hindurch übertragen wird. Diese Operation kann »Bildverstärkung« genannt werden. Um ein solches Signal richtig zu verstärken, ist es jedoch notwendig, daß der optische Verstärker in der Lage i&t, gleiche Verstärkung fii jede der zahlreichen Transversalschwingungsforme: des Eingangssignals bereitzustellen, ohne daß nen nenswertes Rauschen eingeführt wird.
Gemäß der Erfindung soll nun eine Transversal schwingungsform-Umschaltung zur Definition bi stabiler Zustände ausgenutzt werden. Dieses geschieh erfindungsgemäß für die optische Kopplungsvorrich tung der einleitend beschriebenen Art dadurch, dal

ίο ein zusätzlicher optischer Steuer- oder Hilfssendei ein schwaches optisches Signal mit einem vorgewählten Spektrum von Transversalschwingungsformen ir den zu koppelnden optischen Resonator eingibt, um durch Mitnahme den Laser-Oszillator zum Schwingen gänzlich in dem eingegebenen Spektrum von Transversalschwingungsformen zu veranlassen. Die erfindungsgemäße Anordnung weist also einen Laser-Oszillator auf, der in einem bestimmten Transversalschwingungsform-Spektrum mit zumindest einer Transversalschwingungsform schwingt und durch einen optischen Resonator gekennzeichnet ist der Transversalschwingungsfonn-Konkurrenz begünstigt. Unter diesen Bedingungen kann der Laser umgeschaltet werden, um gänzlich in einem bestimmten vorausgewählten Transversalschwingungsform-Spektrum zu schwingen, und zwar durch die Eingabe eines schwachen Hilfssignals, das an das vorausgewählte Schwingungsformspektrum angepaßt ist. Wenn beispielsweise die Systemapertur des Lasers so gewählt ist, daß dieser nur in der Transversalgrundschwingungsform (TEM₀Qq) schwingt und das eingegebene Hilfssignal eine reine Schwingungsform zweiter Ordnung (TEM_{10 q}) ist. dann wird der Laser auf Schwingungen in einer reinen Schwingungsform zweiter Ordnung (TEM₁₀,) umschalten. Man erhält

daher einen binären Ausgang, entweder TEM₀₀, oder TEM₁₀, in Abhängigkeit von der Gegenwart

oder dem Fehlen des Hilfssignals.

Es sei bemerkt, daß die Einflußnahme eines optisehen Senders auf einen nachgeschalteten optischen Sender grundsätzlich bekannt ist (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 203 880, französische Patentschrift 1 434 768).
Schwingungsformkonkurrenz hängt mit dem Prinzip zusammen, daß ein bestimmtes Atom Energie nur zu einer bestimmten Schwingungsform beitragen Vann. Wenn daher beispielsweise zwei verschiedene Schwingungsformen unter gleichartigen Atomen konkurrieren, wird dafür gesorgt, daß eine der Schwingungsformen bevorzugt wird, und zwar dadurch, daß der Energieübergang auf diese Schwingungsform wahrscheinlicher gemacht wird als auf die andere Schwingungsform; dieses geschieht durch die Eingabe eines schwachen Hilfssignals der bevorzugten Schwingungsform. Damit diese Schwingungsformkonkurrenz begünstigt wird, ist es wünschenswert, daß die Transversalschwingungsformen zwei Kriterien erfüllen: 1. Frequenzüberlappung und 2. räumliche Überlappung. Das erste Kriterium wird durch einen optischen Resonator erfüllt, der so konstruiert ist, daß die Transversalschwingungsform-Frequenzen entweder (I) im Vergleich zur homogenen Linienbreite des stimulierbaren Mediums nahe beieinanderliegen, wie dieses in einem planparallelen oder konzentrischen optischen Resonator der Fall ist, welche beide weitgehend entartet sind (d. h., alle Schwingungsformresonanzen liegen bei annähernd der gleichen Frequenz), oder (H) daß die Transversalsr-Winoninirc-