DE2030141A1

DE2030141A1 - Anordnung zur Erzeugung von Suprastrah lungsimpulsen

Info

Publication number: DE2030141A1
Application number: DE19702030141
Authority: DE
Inventors: Oscar James New York Shiren Norman Steven Mount Kisco N Y Lumpkm (VStA)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-06-30
Filing date: 1970-06-18
Publication date: 1971-01-14
Also published as: US3657554A; FR2048033A1; FR2048033B1; GB1262222A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 15. Juni 1970 pr/du

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Ämtliches Aktenzeichen : Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 968 087

Anordnung zur Erzeugung von Supr as tr ah lungsimpulsen..

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Suprastrahlungsimpulsen durch schnellen adiabatischen Durchlauf eines optischen Übergangszustandes durch ein stimulierbares Medium.

Die erzeugten Impulse sollen in der Größenordnung von Pico-Sekunden und darunter liegen. Auf vielen Gebieten der Technik, beispielsweise auf dem Gebiet der Radar-Technik werden Impulse von außerordentlich kurzer Dauer und vorher Intensität benötigt. Die mit den bisher bekannten Lasern erzeugten Impulse sind für viele Anwendungen zu lang und besitzen darüber hinaus nicht die erforderliche Energie.

In der Literaturstelie "The Coherence Brightened Laser" von R.H. Dicke in Proceedings of the 1963 Conference on Quantum Electronics, Vol. 1, Seite 35, Columbia Univ. Press, New York, 1964 wird ein suprastrahlender Zustand eines kohärent verstärkenden Lasers beschrieben (Coherence Brightened Laser).

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Bei den bekannten Lasern ist ein stimulierbares Medium in einem durch zwei Spiegel begrenzten Resonator untergebracht, so daß " eine einmal in Richtung der optischen Achse aufgetretene Strahlung die Anordnung wiederholt durchläuft und dadurch die zur Erzeugung einer kohärenten Strahlung erforderlichen Bedingungen erzeugt. Anderseits ist es bekannt, daß bei Vorliegen eines im suprastrahlenden Zustand befindlichen Mediums ein durch Spiegel begrenzter Resonator nicht erforderlich ist. Bei derartigen Anordnungen wird die Richtungsabhängigkeit der suprastrahlenden übergänge durch die bleistiftförmige Ausbildung des stimulierbaren Mediums bedingt, wodurch das stimulierbare oder das Strahlungsaussendende Medium im sogenannten "end fire mode" arbeitet. Die Vorzüge derartiger Anordnungen liegen in ihrer Einfachheit, ihrem hohen Wirkungsgrad und in ihrer Fähigkeit, Impulse sehr hoher Intensität und äußerst kurzer Dauer zu erzeugen.

Der Mechanismus der oben erwähnten durch Kohärenz verstärkenden Laser kann durch eine kurze intensive optische Schockwelle beschrieben werden, die sich entlang einer langgestreckten Anordnung von Atomen fortpflanzt. Befinden sich alle Atome in ihren angeregten Zuständen, so wird ein Impuls genügender Intensität die Energie jedes dieser Atome in die Wellenfront aufnehmen. Bei diesem Vorgang wird die Länge des auslösenden Impulses aufgrund der Nichtlinearität des Einschwingens des Polarisationszustandes bis auf einen kurzen das Einschwingen bewirkenden Impuls verkürzt. Um die Bedingungen zum Auftreten suprastrahlender Emission zu erzeugen, ist eine vollstände Inversion der Besetzungsdichten erforderlich, wobei die zu erfüllende Bedingung

2 ■
. cw Δν . cAv

ist. Dabei ist η die Anzahl der urspünglich insgesamt erregten Atome, Δν die inkohärente Linienbreite einschließlich inhomogener Verbreitungen, Dopplerverbreiterungen und zur Strahlungsverbreiterung zusätzliche Relationsverbreiterung. ^Av _rad ^{ist die} Strah-

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- 3 lungslinienbreite.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Anordnung zur Erzeugung von Suprastrahlungsimpulsen anzugeben, mit der bei geringem technischem Aufwand Impulse höchster Intensität und kürzester Dauer, beispielsweise Impulse von 300 KW die kurzer als

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IO Sek. sind, erzeugt werden können.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Erzeugung von Suprastrahlungsimpulsen durch schnellen adiabatischen Durchlauf eines optischen Übergangszustandes durch ein stimulierbares Medium gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein durch Strah lungsimpulse zur Erzeugung von Suprastrahlung anregbares Medium, eine Quelle zur Erzeugung kurzer kohärenter Strahlungsimpulse hoher Energie zur Anregung der Suprastrahlungsimpulse und einem Modulator zur zeitlichen Änderung der Strahlungsfrequenz- oder Frequenzen der Anregungsimpulse, durch den die Strahlungsfrequenz der einzelnen Anregungsimpulse jeweils durch die Resonanzfrequenz oder Frequenzen des stimulierbaren Mediums verschoben wird.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch ein beispielsweise als Ramanzelle ausgebildetes Element zur überführung oder Annäherung der Strahlungsfrequenz- oder Frequenzen der Anregungsimpulse an die Resonanz-· frequenz- oder Frequenzen der stimulierbaren Mediums.

Eine weitere Fortbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen übergang ermöglichende Inversion des stimulierbaren Mediums zwischen zwei Niveaus erfolgt, die durch einen elektrischen Dipolübergang verbunden sind.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium aus Kaliumdampf besteht.

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Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle zur Erzeugung der Anregungsimpulse ein gütegeschalteter Rubinlaser, vorzugsweise ein Rubinlaser zur Erzeugung von Riesenimpulsen ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Erfxndungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Frequenzänderungs der Anregungsimpulse klein ist in Bezug auf die Energie des modulierten Signals.

Eine andere Fortbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und/oder die Durchlaufzeit der Anregungsimpulse klein ist in Bezug auf die Relaxationszeit des stimulierbaren Mediums.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedanken ist dadurch gekennzeichnet, daß das Element zur überführung oder Annäherung der Strahlungsfrequenz der Anregungsimpulse an die Resonanzfrequenz des stimulierbaren Mediums eine Nitrobenzol-Raman-

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zelle ist, die einen mit dem 4 S.,₂ " ^ P-_/2-übergang des stimulierbaren Mediums in Resonanz befindlichen Stokes-Impuls erzeugt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem LiNbO₃ enthaltenden Zelle besteht.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Inversion der vollständigen Besetzungen durch schnellen adiabatischen Durchgang eines optischen Überganges in einem geeigneten Medium erzeugt. Die Grundlagen dieses Vorganges werden beispielsweise in der Literaturstelle "The Principles of Nuclear Magnetism" von A. Abragam, Seite 24 ff, 1961, Oxford Press, England, beschrieben. Durch den schnellen adiabatischen Durchgang wird ein schneller Inversionsübergang vom Grundzustand in einen erregten Zustand für jedes Atom eines durch elektrische Dipole verbundenen System mit zwei Niveaus bewirkt.

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Dieser Vorgang muß so erfolgen, daß die für eine vollständige Inversion der Besetzungen erforderliche Zeit relativ klein ist. Diese Forderung ergibt sich daraus, daß auch die Dauer der anregenden und der ausgesendeten Impulse, die das Medium durchsetzen, klein ist im Vergleich zur vorherrschenden Relaxationszeit des Systems.

Es kann auch gesagt werden, daß die die SupraStrahlung anregenden Impulse eine Intensität haben müssen, durch die eine Inversion der Besetzungsdichten erfolgt und kurz im Vergleich mit der spontanen Relaxationszeit sein müssen, wobei die Inversion in einer Zeit stattfindet, die kurz ist im Vergleich mit der spontanen Emissionszeit.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Energieniveaus

des Kaliumdampfes durch den ein optischer übergang durch adiabatischen schnellen Durchtritt erzeugt wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der zeitlichen Beziehungen der von einem Rubinlaser ausgehenden Pumpimpulse in Bezug auf die Hochfrequenzsignale durch die die Trägerfrequenz eines Laser-Signals moduliert wird.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung können suprastrahlende Laserimpulse durch schnellen adiabatischen Durchgang eines optischen Überganges in einem zwei Niveaus aufweisenden Kaliumdampf sy stem erzeugt werden. Zur Erzielung eines schnellen adiabatischen Durchganges eines optischen Überganges und einer Inversion der Besetzungen zur Erhaltung kohärenter Verstärkung in einem Medium ist es zunächst erforderlich, daß das

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Medium einem starken Lichtimpuls ausgesetzt wird, dessen Strahlungsfrequenzen entweder von oben oder von unten durch die Resonanzfrequenzen der Übergangsresonanz des Mediums geschoben werden. Es ist weiterhin erforderlich, daß die Geschwindigkeit mit der die Trägerfrequenz verschoben wird klein ist im Vergleich zur Intensität des anregenden Lichtimpulses so daß die Beziehung

erfüllt wird, wobei ω die Trägerfrequenz des Lichtimpulses, ρ das Übergangsdipolmoment, ε das elektrische Feld und ^ die Plank¹ sehe Konstante ist.

Dabei ist es erforderlich, daß nicht nur die Geschwindigkeit mit der die Trägerfrequenz des Pumpimpulses durch die Resonanzfrequenzen einer Übergangsresonanzfrequenz geschoben wird, klein sind im Vergleich zu der Intensität dieser Impulse, sondern die Verschiebung durch die Übergangsresonanzlinie muß auch in einer Zeit erfolgen, die klein in Bezug auf die Zeit T , so daß

^8ωτ ^x -i
at Δω ¹I

ist, wobei Δω Breite der Resonanzlinie und T₁ die Relaxationszeit für den übergang aus dem erregten Zustand in den Grundzustand ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird eine Anordnung zur Erzeu-

2 gung einer adiabatischen schnellen Inversion für den 4 S. ,.- ~ 4²P_3/2-übergang in Kaliumdampf wiedergegeben. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einer als gütegeschalteten Rubin-Laser ausgebildeten Quelle zur Erzeugung von Strahlungsimpulsen hoher Intensität. Die von dieser Impulsquelle ausgehenden Impulse sind parallel zur C-Achse eines elektrooptischen LiNb0₃-Dopplerelernents 3 linear polarisiert. Das Element 3 besteht aus einer Hochfrequenzquelle 5 die mit dem eigentlichen LiNbO₃-Element 7 ver-

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bunden ist, durch das die Trägerfrequenz des durch den gütegeschalteten Rubin-Laser erzeugten Impulse moduliert wird. Einzelheiten über die Frequenzmodulation von Laserimpulsen sind in der Literaturstelle "Compression of Optical Pulses" von Giordmaine et al in the IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-4, Nr. 5, Mai 1968, beschrieben.

Der das Modulatorelement 3 verlassende frequenzmodulierte Impuls gelangt zu einer mit Fluor-Nitrobenzol geführten Ramanzelle 9, deren Funktion an sich bekannt ist. Der diese Zelle verlassende Impuls durchsetzt ein Filter 11, durch das der dem im Rubin-Laser erzeugten Frequenz entsprechende Frequenzanteil der Strahlung aus- ^ gefiltert wird. Anschließend durchsetzt dieser Impuls eine bleistiftförmige Kaliumdampf enthaltende Zelle 13, in der eine schnelle

2 2
adiabatische Passage des 4 S._/2 - 4 P_, -Übergangs erzeugt wird. Die dadurch entstehenden Suprastrahlungsimpulse verlassen die Anordnung in Richtung des Pfeiles 15. Anstelle der bleistiftförmigen Dampfzelle können auch andere Formen von Zellen verwendet werden. Obwohl die suprastrahlende Emission nicht von der Form der Zelle abhängig ist, hängt die Breite der erzeugten Impulse und die Frequenzverbreitung sowohl von der Zellenform als auch von der Dichte der Dampfatome ab. Durch eine geeignete Wahl der Zellenform und der Atomdichte kann die Länge der erzeugten suprastrahlenden Impulse beeinflußt werden. - |

Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß die durch diese Impulse eines Rubin-Lasers angeregten, am Ausgang einer Fluor-Nitrobenzol-

2 Ramanzelle auftretenden Stoke¹ sehen Impulse sich mit dem 4 Sjy₂ " 4 P-y₂-übergang des Kaliumdampfes in Resonanz befinden und genügend Energie aufweisen (etwa 300 KW Spitzenleistung bei etwa 13,044 cm" ) um einen übergang zu bewirken. Dieser Vorgang wird beispielsweise in der Literaturstelle "Four-Wave Parametric Interaction in Potassium Vapor" in the IEEE Journal of Quantum Electronics, April 1968, Vol. QE-4, Nr. 4 beschrieben.

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Die Fluor-Nitrobenzol-Ramanzelle überführt somit die Frequenz des

2 2 Riesenimpulses des Rubin-Lasers in den Bereich der 4 S _/2 - 4 P ,_-

Übergangsfrequenz während die Hochfrequenzquelle 5 des Modulators 3 die Frequenz des Impulses des Rubin-Lasers von einem Niveau

2
oberhalb 4 P-W₂ ^{durcn d;i}-^e Resonanzfrequenz verschiebt. In Fig. 2

werden die Energieniveaus 4S ,» und 4P. ,„ des Kaliumdampfes dargestellt, wobei eine Anregung im Bereich des Niveaus 4P, wie durch den Pfeil angedeutet, einen übergang vom Niveau 4S bewirkt.

Die Anregungsimpulsquelle 1 und die Hochfrequenzquelle 5 sind gemäß den oben beschriebenen Bedingungen so ausgebildet, daß eine Veränderung der Trägerfrequenz der Riesenimpulse des Rubin-Lasers mit einer Geschwindigkeit eintritt, die klein ist im Vergleich zur Intensität der Fluor-Nitrobenzol-Ramanzelle, die aber die Frequenz eines Riesenimpulses von genügend kurzer Dauer durch die Resonanzlinie des Kaliumüberganges in einer Zeit verschiebt, die im Vergleich zu deren Relaxationszeit klein ist. In diesem Zusammenhang wurde ein Rubin-Laser-Riesenimpuls mit einer Dauer von etwa 10 ns der mit einer Sinuswelle von etwa 50 MHz moduliert wird als besonders günstig ermittelt. In Fig. 3 wird die optimale zeitliche Beziehung zwischen dem Auftreten des Rubin-Laser-Impulses und des modulierenden Hochfrequenzfeldes zur Erzeugung einer adiabatischen schnellen Durchgangsmodulation wiedergegeben, durch die kohärente Verstärkung von Suprastrahlungsemission im Kalimdampf erzeugt wird.

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Claims

_ ο —
PATENTANSPRÜCHE

I.J Anordnung zur Erzeugung von Suprastrahlungsimpulsen durch schnellen adiabatischen Durchlauf eines optischen Übergangszustandes durch ein stimulierbares Medium, gekennzeichnet durch ein durch Strahlungsimpulse zur Erzeugung von SupraStrahlung anregbares Medium (13), eine Quelle (1) zur Erzeugung kurzer kohärenter Strahlungsimpulse hoher Energie zur Anregung der Suprastrahlungsimpulse und einen Modulator (3) zur zeitlichen Änderung der Strahlungsfrequenz- oder Frequenzen der Anregungsimpulse, durch den die Strahlungsfrequenz der einzelnen t Anregungsimpulse jeweils durch die Resonanzfrequenzoder Frequenzen des anzuregenden Mediums geschoben wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein beispielsweise als Ramanzelle ausgebildetes Element (9) zur Annäherung oder Überführung der Strahlungsfrequenz- oder Frequenzen der Anregungsimpulse an die Resonanzfrequenz- oder Frequenzen des stimulierbaren Mediums (13).
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen Übergang ermöglichende | Inversion des stimulierbaren Mediums zwischen zwei Niveaus erfolgt, die durch einen elektrischen Dipolübergang verbunden sind.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium aus Kaliumdampf besteht.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1) zur Erzeugung der Anregungsimpulse ein gütegeschalteter Rubin-Laser, vorzugs-

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- ίο -

weise ein Rubin-Laser zur Erzeugung von Riesenimpulsen ist.
6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Frequenzänderung der Anregungsimpulse klein ist im Vergleich zu der Energie des modulierten Signals.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und/oder die Durchlaufdauer der Anregungsimpulse klein ist in Bezug auf die Relaxationszeit des stimulierbaren Mediums (13).
8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element zur überführung oder Annäherung der Strahlungsfrequenz- oder Frequenzen der Anregungsimpulse an die Resonanzfrequenzoder Frequenzen des stimulierbaren Mediums (13) eine

2 Nitrobenzol-Ramanzelle (9) ist, die einen mit dem 4 S_1/0-4 ^^y₂'^^i:>ei!:<3^an<3 ^des stimulierbaren Mediums in Resonanz befindlichen Stokes-Impuls erzeugt.
9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (3) ein elektrooptisches LiNdO.-Element (7) enthält.
10. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß die das LiNdOg-Element (7) steuernde Hochfrequenzquelle eine Frequenz von etwa 50 MHz erzeugt.
11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis .10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruhin-Laser (1) Impulse von etwa 10 ns Dauer erzeugt.

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