DE2103218A1

DE2103218A1 - Vorrichtung fur stimulierte Strahlung

Info

Publication number: DE2103218A1
Application number: DE19712103218
Authority: DE
Inventors: Arthur. Rumson Ippen Erich Peter Middletown NJ Ashkm (V St A )
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-01-26
Filing date: 1971-01-25
Publication date: 1971-08-05
Also published as: JPS55918B1; CA944466A; US3793541A; DE2103218C3; GB1323621A; DE2103218B2; CA944467A

Description

Western Electric Company Incorporated A. Ashkin 32/36-1/3

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

Vorrichtung für stimulierte Strahlung

Die Erfindung bezieht sich auf mit kohärenter Strahlung arbeitenden Vorrichtungen wie Frequenzumsetzer, superstrahlende Vorrichtungen und Verstärker für kohärente Strahlung. Solche Vorrichtungen umfassen jene für, stimulierte Raman-Emission und Färb stoff-Las er.

In den früheren Raman-aktiven Vorrichtungen erforderte das Erreichen des SchwingungsSchwellenwertes einen Fadenbildungsprozeß, bei welchem das·Anregungslicht von solch großer Leistung ist, daß es Brechungsindexänderungen im stimulierbaren Medium erzeugt, das die Strahlung in einer großen Anzahl fadenförmiger Bereiche einzufangen sucht, oder es waren extrem hohe Anregungsleistungswerte erforderlich. Ein solcher Betrieb ist von einer raschen Verschlechterung der optischen Qualität des Raman-aktiven Mediums begleitet. Das Medium wird beschädigt und weniger durchlässig als ursprünglich.
Bei bekannten Farbstoff-Laser für Dauer strichbetrieb würden die niedrigsten Schwellenwerte mit hochfukussiertem Anregungslicht er-

Φ reicht, das das flüssige stimulierbare Medium in einer kurzen Weg- ·"?

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länge anregt. Schädliche thermische Effekte verlangten nach großen Durchflußgeschwindigkeiten. Im Impulsbetrieb, bei zugeführten höheren Spitzenleistungen, v/urden Schwingungen mit längeren Weglängen und niedrigerer Farbstoffkonzentration erreicnt; aber die Durchflußgeschwindigkeit muß umso größer sein, je langer die impulslänge ist. Die thermischen Effekte betreffen hauptsähelich. thermisches Defokussieren. Nichtsdestoweniger ist zusätzlich zu diesen Effekten ein bleibendes Ausbleichen der Farbstoffmoleküle gleichfalls beachtlich schädlich für die Laser-Wirkung, und wirktsowohl fär ultraviolettes als auch für sichtbares Anregung sucht, beispielsweise von einem Argonionen-Las er.

Es ist wünschenswert, daß das Verhalten optischer Oszillatoren mit flüssigem stimulierbarem Medium in beiden der vorstehend beschriebenen Varianten verbessert wird.'

Demgemäß richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für stimulierte Strahlung mit einer lichtleitenden Anordnung zur Aufnahme eines flüssigen stimulierbaren Mediums und einer Einrichtung zum Einführen von monochromatischer Strahlungsenergie in die Anordnung, um stimulierte Strahlungsemission in dem Medium zu erzeugen; und die Erfindung besteht für diese Vorrichtung darin, daß die lichtleitende Anordnung ein fadenförmiges dielektrisches Glied aufweist, das mit

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dem Medium in Berührung steht und Querabmessungen im Bereich von im wesentlichen dem Ein- bis Hundertfachen der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung hat.

Es wurde gefunden, daß Raman-Schwingung und andere brauchbare Raman-Effekte in einer lichtleitenden Anordnung, beispielsweise einer dielektrischen Kapilarröhre, erreicht werden können, die einen Innendurchmesser im Bereich von etwa dem Ein- bis Hundertfachen der Wellenlänge der zugeführten monochromatischen Strahlungsenergie ■■■* liegt. Es wurde gleichfalls gefunden, daß die obigen Prinzipien der Raman-Oszillatoren in gleicher Weise auf Farbstoff-Laser anwendbar sind und direkt zu verbesserten Formen solcher Laser führen.

Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird eine Raman-Schwingung mit einem Leistungspegel der zugeführten Strahlung erreicht, der mehr als um eine Größenordnung unter jenem liegt, wie dieser bei den bisherigen Raman-Oszillatoren erforderlich war und ebenso auch unterhalb des sogenannten Volum en-Schwingung s schwellenwertes liegt. Dieser Volumen-Schwellenwert ist der Schwellenwert für das Einsetzen von Schwingungen bei einer Raman-Emissions-Vorrichtungj, wie dieser aus dem Raman-Querechnitt ohne leitende Führung des Anregungslichtes oder des Raman-Streulichtes errechnet

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wird. Bei den meisten Ausführungsformen hatte die zugeführte Strahlung eine um etwa drei Größenordnungen niedrigere Leistung als jene, die Fadenbildung in einigen Raman-aktiven Flüssigkeiten erzeugen würde, und eine um mehr als eine Größenordnung niedrigere Leistung als jene, die für Schwingungen bei anderen Raman-Oszillatoren erforderlich ist. Beispielsweise wurde eine Raman-Schwingung in Schwefelkohlenstoff mit weniger als etwa 10 Watt bei 0, 5145p. Wellenlänge eines Argonionen-Lasers erreicht.

Zwei überraschende Vorteile der Ausführungsformen sind die äußerst akzeptable Qualität der Lichtleitung, die bei Gegenwart einer hohen Anregungslichtintensität in einer Kapilarröhre erhalten wurde, welche auf solche kleine Innendurchmesser herabgezogen war, und die relativ niedrige StrahlungsSchädigung des aktiven Mediums. Zusätzlich wirkt sowohl bei Raman-Oszillatoren als auch bei Farbstoff-Lasern die starke Lichtleitwirkung selbst jeglichen restlichen thermischen Effekten wie thermischen Linseneffekten entgegen.

Weiterhin sir Λ »'";äd liehe thermische Effekte wie thermisches Defokussieren, eine Eigenschaft der optischen Hochleistungsvorrichtungen mit flüssigem Medium, wie Farbstoff-Laser, bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen vermieden, und zwar weil die Lichtleitung

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des Anregungslichtstrahls relativ lange Weglängen in einem Medium erlaubt, das relativ niedrige Färb Stoffkonzentration besitzt, ohne daß dabei ein Verlust der Gesamtverstärkung auftreten würde; zugleich wird dabei ermöglicht, daß wesentlich kleinere effektive Lichtfleck-Größen und damit eine Zunahme der Verstärkung erhalten werden kann. Darüberhinaus wird im Dauerstrichbetrieb erfolgendes Anregen bei vernünftigen Durchflußgeschwindigkeiten des stimulierbaren flüssigen Mediums möglich, da das flüssige Medium nur mit einer solchen Geschwindigkeit strömen muß, um Ausbleicheffekte zu überwinden. Diese Geschwindigkeit ist viel kleiner als jene, die zur Beseitigung thermischer Effekte in den bekannten Farbstoff-Lasern erforderlich ist. Tatsächlich sind die thermischen Effekte weit weniger wichtig geworden als das Ausbleichen bei einem Färb stoff-Las er in der erfindungsgemäßen Ausführung.

Eine Verschlechterung eines Raman-aktiven Mediums kann vermieden werden durch Überströmenlassen des Mediums aus einem unter Druck stehenden relativ großen Vorratstank in die lichtleitende Kapilarröhre. Die Strömungsgeschwindigkeit ist so, daß ein Vorratbehälter von weniger als 1 Liter Fassungsvermögen eine Strömung des aktiven Mediums durch die Kapilarröhre für viele Wochen oder über Jahre hinweg sicherstellen könnte.

Die Farbstoff-Laser in der erfindungsgernäßea Ausführung verwenden vorzugsweise modifizierte optische Lichtleiteranordnungen, die eine Farbstoffströmung in Querrichtung erlauben. In einigen dieser Ausführungsformen wird mix einem verschwindenden oder streifenden Feld zur Anregung des stimuHerbaren Mediums im Berührungsbereich mit einem passiven Glied höheren Bi echungsindexes gearbeitet. Bei einer dieser Ausführungsformen wird speziell ein passives Glied benutzt, das eine Glasfaser eines Durchmessers von etwa 0,1 - 50 ja ist.

Vorteilhaft werden bei einigen Ausführungsformen die Flüssigkeitsauffang- und -Vorratsbehälter mit einem dielektrischen Kapilar-Lichtleiter verbunden. Die relativ großen Ausführungen solcher Vorratsund Auffangbehälter bei einigen Ausführungsfoi'men dienen zugleich als bequemes, mechanisch stabiles Haltemittel für Fenster oder Reflektoren einen Oszillator, insbesondere deshalb., weil eine Kapilarröhre hoch flexibel zu sein pflegt und sogar uu einem kompakten Wickel aufgewickelt werden kann.

Nadeiförmige Kopplungselemente und Nadelverbindungskopplung von Mehrfachabschnitten kann bei einem flüssigen optischen Lichtleiter benutzt werden.

Bei einer anderen Aus führung s form der Erfindung sind die Probleme der bekannten Raman-aktiven Vorrichtungen so vollständig vermieden, daß Superstrahlung via Raman-Streuung leicht in einer längeren Kapilarröhre erreicht werden kann.

Bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht die bei einer Raman-Streuungsvorrichtung verfügbare relativ hohe Verstärkung pro Längeneinheit in gewisser Weise vereinfachte Verstärkeranordnungen, die einen oder zwei Durchgänge eines zu verstärkenden Signals durch das Rohr benutzen; ebenso sind auch vereinfachte dichroitische optische Resonatoren für Oszillatoren möglich, die nur für einen oder zwei Durchgänge des zugeführten Anregungslichtes sorgen. Das Anregungslicht kann in einer solchen Vorrichtung praktisch "verbraucht" werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im einzelnen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht, teilweise in Blockform, einer grundsätzlichen Ausführungsform eines Oszillators oder Frequenzumsetzers,

Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer Nadeltyp-Modenkopplung und dispersiver Frequenzauswahl oder -abstimmung,

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Fig. 3 eine mögliche, sehr kompakte Wendelform der lichtleitenden Anordnung mit entsprechenden Vorratsbehälter^

Fig. 4 eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform, einer Raman-aktiven Vorrichtung, die entweder Super strahlend oder ein Raman-Verstärker sein kann,

Fig. 5 eine Nadelverbindungsstelle für Mehrfachabschnitte eines flüssigen Lichtleiters,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit einer von einer Raman-aktiven Flüssigkeit umgebenen Glasfaser und

Fig. 7 und 8 Abwandlungen der Ausführungsform nach Fig. 6 bei Verwendung als Farbstoff-Laser.

Bei der Aus führung s form nach Fig. 1 ist Raman-Schwingung in der Raman-aktiven Flüssigkeit 11 zu erreichen, die innerhalb der Lichtleiteranordnung 12 vorhanden ist. Letztere ist durch eine gezogene Kapilarröhre mi⁺ niedrigerem Brechungsindex als der der Flüssigkeit 11 und mit einem Innendurchmesser im Bereich von etwa 0, 5 ai bis etwa 50 ai. Raman-Schwingung soll unter dem Einfluß von monochromatischem Licht erzeugt werden, das von einer Quelle 13 über den dichroitischen Reflektor 14, der für das monochromatische Licht durchlässig ist, und über die Fokussierlinse 15 zugeführt wird. Die

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Linse 15 fokussiert den Strahl über das Fenster 16, die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter 17 auf das Ende der Kapilarröhre 12.

Die Enden dieser Kapilarröhre werden von den festen Gehäusen der Behälter 17 und 18 getragen, wobei letzteres auch das zweite Endfenster 19 trägt, durch welches das Raman-verschobene Ausgangslicht zur Fokussierlinse 20 und den dichroitischen Reflektor 21 übertragen wird, der den Resonator für das Raman-Streulicht vervollständigt.

Im einzelnen ist der dichroitische Reflektor 14 bei der Frequenz des Raman-verschobenen Lichtes total reflektierend, und der dichroitische Reflektor 21 ist bei dieser Frequenz teilweise reflektierend und teilweise durchlässig. Beispielsweise kann der dichroitische Reflektor 21 für jegliches von der Quelle 13 herrührende Restlicht total reflektierend sein, so daß dieses in dem Raman-Streuprozeß in der Flüssigkeit 11 vollständig verbraucht wird. Nichtsdestoweniger könnte auch der dichroitische Reflektor 21 bei der Frequenz des zugeführten Lichtes durchlässig sein, insbesondere dann, wenn nahezu das ganze zugeführte Licht schon während eines einzigen Durchganges durch die Flüssigkeit 11 verbraucht ist. Der dichroitische Beilektor 21 kann gleichfalls dazu verwendet werden, Raman-Streuung höherer Ordnung

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entweder zu verstärken oder zu unterdrücken. Die Linsen 15 und 20 haben Brennweiten und sind so in dem optischen Resonator angeordnet, daß das meiste am jeweils benachbarten Reflektor reflektierte Raman-Streulicht in das Innere der Kapillarrohre 12 zurückgesandt wird. Die Flüssigkeit 11 im Behälter 18 ist durch eine Quelle 22 unter Druck gesetzt, die beispielsweise eine Inertgas-Quelle, wie Stickstoff, bei einem Druck oberhalb Atmosphärendnick ist. Der Behälter 17 ist zur Atmosphäre hin offen.

Bei der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen wurden Schwingungen mit einer Anordnung ähnlich der Fig. 1 erreicht, wobei als die Ramanaktive Flüssigkeit Schwefelkohlenstoff und als Lichtquelle 13 ein Argon-Laser benutzt, der bei O_-, 5154 iu im grünen Spektralbereich stimuliert emittierte., wobei mit etwa 2,0 Mikr ο?ekunden langen Impulsen mit Spitzenleistungen zwischen etwa 5 Watt bis etwa 10 Watt bei verschiedenen Versuchen gearbeitet wurde. Im Gegensatz hierzu waren Spitzenimpulsleistungen von mehreren 10 Kilowatt bei dieser Wellenlänge in den bisher bekanntan Raman-Gszillatoren erforderlich, und zwar selbst bei jenen Ausführungen, welche Lichtleiteranordnungen verwenden. Ferner war die Kapillarrohre 12 eine gezogene Glasröhre eines Brechungeindexes von 1, 55 und eines Innendurchmessers von etwa 12 JU. Es sei bemerkt, daß Schwefelkohlenstoff einen Brechungsindex

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von etwa 1, 64 besitzt, der ausreichend höher als der des Glases liegt, um eine befriedigende Lichtleitung sowohl für das Anregungslicht als auch für das Raman-Streulicht zu liefern. Die Raman-verschobenen Ausgangsimpulse hatten bei den durchgeführten Experimenten eine

5 ο

Frequenz von 5, 64 χ 10 Gigahertz (das einer Wellenlänge von 5325 A entspricht) gegenüber einer Frequenz von 5, 84 χ 10 Gigahertz (das einer Wellenlänge von 5145 A entspricht) des von der Argonionen-Laserquelle 13 zugeführten Lichtes.

2 Der von der Quelle 22 gelieferte Druck betrug 0, 35 kg pro cm , der mehr als ausreichend war, um eine überlegene optische Qualität des Mediums innerhalb der Kapillaren 12 aufrecht zu halten. Da die Kapillarrohre 12 etwa 1 m lang war, ergaben die Berechnungen für die Verstärkung pro Längeneinheit in der Flüssigkeit 11 einen Wert von etwa 2% pro cm.

Es leuchtet ein, daß bei kontinuierlicher Erneuerung des stimulierbaren Mediums Schwingungen im Dauerstrichbetrieb mit einer kontinuierlich emittierenden Quelle 13 erreicht werden kann. Ein solcher Oszillator würde eine sehr wünschenswerte Quelle für Wellen eines örtlichen Oszillators in einem optischen Übertragungssystem sein. Mehrere solche durch die gleiche Quelle 13 angeregte Vorrichtungen

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könnten mehrere verschiedene Frequenzverschiebungen gegenüber der Frequenz des zugeführten Lichtes erzeugen und damit eine entsprechende Vielzahl von Quellen bilden, die sich für ein Frequenz-Multiplex-Übertragungssystem eignen. Zu diesem Zweck ist es lediglich notwendig, die Frequenz des SpitzenreflexionsVermögens der dichroitischen Reflektoren 14 und 21 und/oder das Raman-aktive Medium zu ändern. Solche Reflektoren werden nach üblichen Methoden unter Verwendung dielektrischer Mehrfachschichten auf einer üblichen durchlässigen Unterlage hergestellt.

Derartige Änderungen im Spitzenreflexionsvermögen der Reflektoren des Resonators sind zur Verwendung bei anderen Raman-aktiven Medien wie Benzol vorteilhaft. Benzol könnte beispielsweise mit Schwefelkohlenstoff gemischt werden, um sicherzustellen, daß der Brechungsindex des Mediums den der Kapillarrohre 12 überschreitet. Ramanschwingung würde in Benzol bei einer geeigneten Wahl der Resonator-Parameter gleich werden.

Mögliche andere flüssigkeiten sind:

109832/15ΛΑ

Benzol	1,50
Methyliodid	1,75
Pyridin	1,51
Iodobenzol	1,62
Bromobenzol	1,56
Chlorobenzol	1,523
O-Nitrotoluol	1,54
Nitrobenzol	1,56
CS₀	1,64

Λ.Ϋ 1

Verschiebung —— (cm )

992

533

991

999

1000

1002

1340

1345

656

Die vorstehende Liste umfaßt nur repräsentative Beispiele und andere Raman-aktive Flüssigkeiten sind gleichermaßen anwendbar. Die vorstehend angeführten Flüssigkeiten können ohne weiteres in Quarz- oder in Pyrex-Röhren benutzt werden. Andere Medien wurden mit einer hochbrechenden Flüssigkeit wie CS₀ gemischt werden.

Die M thoden zum Ziehen von Kapillarröhren auf den erforderlichen Innendurchmesser sind allgemein bekannt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird ohne Flüssigkeitsströmung gearbeitet, da Schwingungen bei derart niedrigen Leistungspegeln der

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monochromatischen Lichtquelle 13 erhalten werden können, daß die Strahlenschädigung vergleichsweise klein bleibt. Die Linse 15 fokussiert nun das monochromatische Licht durch den modifizierten dichroitischen Reflektor 14' hindurch, der auf das Ende einer Glasnadel aufgesetzt und geeignet angepaßt ist. Die Glasnadel 25 hat denselben Brechungsindex wie die Raman-aktive Flüssigkeit 11 und hat ein sich in das Ende der Kapillarrohre 12 hinein erstreckendes verjüngtes Ende, um eine Anpassung bei einer ausgewählten Schwingungsform, beispielsweise der Schwingungsform niedrigster Ordnung in der Lichtleiteranordnung zu haben. Die Flüssigkeit 26 im Flüssigkeitsbehälter 27 hat in diesem Falle einen Brechungsindex, der dem des Glases der Kapillarrohre 12 weitgehend angeglichen ist. Die andern Endes vorgesehene Nadel 28 und Flüssigkeit 29 irn Behälter 30 sind von ähnlicher Natur. Jedoch ist am Austritts ende der Nadel 28 an der Außenfläche des Behälters 30 ein hochdurchlässiges Fenster 31 für das Ramanverschobene Licht vorgesehen, so daß dieses von der Linse 32 über das frequenzdispersive Prisma 33 auf einen drehbaren Reflektor 34 fokussiert werden kann.

Die im Medium durch die Quelle 13 induzierten verschiedenen Raman Streulinien werden durch das Prisma 33 winkelmäßig getrennt, so daß eine Drehung des Spiegels 34 eine bestimmte Linie zur Schwingung

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im Resonator auswählt der durch die Reflektoren 14 und 34 gebildet

Es sei bemerkt, daß bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 2 die Nadeln 25 und 28 nicht in dichtem Sitz in den Enden der Kapillarrohre 12 zu sitzen brauchen und so einen gewissen Flüssigkeitsdurchfluß gestatten können, so daß mit strömender Flüssigkeit wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gearbeitet werden könnte.

Die Verwendung von Nadeln, beispielsweise der Nadeln 25 und 28, ermöglicht eine große konstruktive Freizügigkeit für die Anordnung der Reflektoren zum Erhalt des Resonators für das Raman-Streulicht.

Eine weitere abgewandelte Aus führungs form ist in Fig. 3 dargestellt. Dort sind die Reflektoren 14 und 34 beide an der Außenfläche der Flüssigkeitsbehälter 27 und 30 sowie in Ausrichtung mit den Enden einer dielektrischen Kapillarrohre 36 angeordnet, die zwischen den Behältern 27 und 30 zu einer kompakten Wendel aufgewickelt ist.

Bei der Aus führungs form nach Fig. 3 könnte ein Frequenzumsetzer mit einer viele Meter langen Kapillarrohre 36 so kompakt konstruiert werden, daß der Abstand zwischen den Reflektoren 14 und 34 nur

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etwa 2 oder 3 cm beträgt. Gleichfalls erwähnenswert ist es, daß Superstrahlung (super-radiance) in einem Raman-aktiven Medium bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann, bei welcher ein optischer Resonator überhaupt nicht vorgesehen ist.

Eine solche erfindungsgemäße Superstrahlungs-Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 ist eine Raman-aktive Flüssigkeit 41 in einem Behälter 42 durch die Druckgasquelle 43 unter Druck gesetzt, so daß das Flüssigkeitsmedium 41 durch die aufgewickelte dielektrische Kapillarrohre 44 strömt, die beispielsweise eine größen-ordnungsmäßige Länge von 10 m hat. Die Kapillarröhre 44 hat einen Innendurchmesser von etwa 5 Ai und einen Brechungsindex, der hinreichend niedriger ist als der des Mediums 41, so daß eine wirksame Lichtleitting sowohl des zugeführten monochromatischen Lichtes als auch des Raman-Streulichtes sichergestellt ist.

Wegen des kleinen Querschnittsgebietes der Raman-aktiven Flüssigkeit innerhalb der Kapillarrohre 44 ist die Strömung extrem klein und man kann deshalb diese Flüssigkeit einfach am gegenüberliegenden Ende des Rohrs 44 frei ausströmen lassen. Die monochromatische Lichtquelle 45 ist beispielsweise ein Argonionen-Las er, der bei einer Wellenlänge von 5145 A im Dauer strichbetrieb mit einer Leistung

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von etwa 1 Watt stimulliert emittiert.

Zum Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 4 als eine super strahlende Vorrichtung sind die Linse 46, der Strahlteiler 47, die Signalquelle 28 und der dichroitische Reflektor 49 nicht vorhanden; diese Komponenten sind nur vorgesehen, wenn ein Verstärker gewünscht ist.

Der Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 5 als superstrahlende Vorrichtung wird durch die kürzere Wellenlänge des von der Quelle 45 gelieferten Lichtes ermöglicht, da der Querschnitt von Raman-aktiven Medien für Raman-Streuung mit zunehmender Frequenz des zugeführten Lichtes, linear zunimmt. Bei Superstrahlung wird eine Verstärkung

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von etwa e verwendet, so daß 10 Watt Anregungsleistung bei einer 3 bis 4 m langen Vorrichtung ausreichen sollten. Berechnungen zeigten, daß eine Ausgangs-Superstrahlung, die eine stimullierte Strahlung mit vielen der Qualitäten von Las er-Licht ist, bei einer Raman-verschobenen Frequenz entsprechend der Wellenlänge von 5325 A mit einer Intensität von etwa 10 Watt gehalten werden kann, wenn eine Anregungswellenlänge von 5145 A verwendet wird. Das Raman-verschobene Licht erzeugt selbst weitere Raman-Streuung in der Flüssigkeit 41, so daß andere, schwächere Linien von Raman-verschobenem Licht in der Ausgangs strahlung erhalten werden können. Die stärkeren dieser

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Linien können superstrahlend sein. Bei einer abgewandelten Version der Ausführungsform nach Fig. 4 wird ein Betrieb als Verstärker bei einer einzigen Raman-verschobenen Frequenz erreicht durch die dann hinzuzufügenden Komponenten 46 bis 49, insoweit wie das Signal bei der Raman-verschobenen Frequenz der Quelle 48 verursacht, daß die spezielle Raman-Verschiebung leichter stimuUiert und somit vorherrschend wird.

Beim Betrieb der Aus führung s form nach Fig. 4 als Verstärker wird das in der Frequenz verschobene Raman-Streulicht - während das Signal 48 zum Reflektor 49 hin läuft - zusammen mit dem Signal von diesem Reflektor 49 reflektiert und zurück durch die Linse 46 gegeben, und tritt dann teilweise durch den Strahlteiler 47 als das verstärkte Ausgangssignal aus. Es sei bemerkt, daß es ausreicht, wenn der Strahlteiler 47 ein halbversilberter Spiegel ist, d. h. daß die Hälfte des Lichtes der Quelle 48 verstärkt wird und daß die Hälfte der verstärkten Ausgangsstrahlung als die am halbdurchlässigen Spiegel durchgelassene Komponente abgenommen werden kann.

Die Eigenschaft, daß starkes Raman-verschobenes Licht in einer Ausführungaform ähnlich der nach Fig. 4 oder auch nach den Fig. 1-3 weitere Raman-Verschiebung erzeugen kann, kann mit Vorteil in

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einem Übertragungssystem dazu benutzt werden, so viele verschiedene Trägerfrequenzen wie gewünscht für ein Frequenz-Multiplexsystem zu erzeugen.

Dieses Resultat kann in einer Mehrfachabschnittsvorrichtung erreicht werden. Eine Verbindungsanordnung für eine Mehrfachabschnittsvorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Dort ist die Raman-aktive Flüssigkeit 51 in der Glaskapillarröhre 52 links von der Verbindungsstelle enthalten, ebenso auch in der ähnlichen Glaskap iiiarr öhre 53 rechts von der Verbindungsstelle. Alternativ könnten in diesen beiden Abschnitten zwei verschiedene Raman-aktive Flüssigkeiten enthalten sein. In jedem Fall ist die Nadel 54 eine Glasnadel, deren Brechungsindex an die der Flüssigkeiten angepaßt ist und die sich mit verjüngenden Enden versehen ist, um eine Anpassung bezüglich einer ausgewählten Schwingungsform vom einen Abschnitt zum anderen zu erhalten. Die Nadel liefert die mechanische Festigkeit der Verbindung. Die Kontinuität in der Lichtleitung wird durch Einbringen einer viskosen Flüssigkeit 55, z. B. Leim, in die Stoßfuge zwischen den Kapillarröhren 52 und 53 um die Nadel 54 herum, wobei diese viskose Flüssigkeit denselben Brechungsindex wie die Kapillarröhren hat. Der Leim 55 sucht gleichfalls die Verbindung zusammenzuhalten. Die Flüssig-Fest-Flüssig-Phasendiskontinuität in der Mitte und die Fest-viskosflüssig-Fest-Diskontinuität im äußeren Teil der Lichtleiter anordnung dienen

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der mechanischen Festigkeit j ohne daß die optische Lichtleitwirkung unterbrochen würde.

Es leuchtet ein, daß die gleichen Prinzipien auch dann anwendbar sind, wenn die Flüssigkeit nicht Raman-aktiv ist. Daher wird eine solche Verbindung auch bei verlustarmen flüssigen optischen Lichtleitern brauchbar sein.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Hier wird das fokussierte Anregungslicht der Quelle 61 über den Raman-Licht-Reflektor 62 in die feste Glasfaser 63 übertragen, deren Durchmesser im Bereich von etwa 0, 5yU bis etwa 50p. reicht. Die Faser 63 ist von der Raman-aktiven Flüssigkeit 64 umgeben, die jeden typischen Brechungsindex η haben kann.

Lj

Es sei betont, daß bei dieser Ausführungsform jegliches flüssige Raman-Medium gewählt werden kann. Die Lichtleitung wird erzeugt durch Auswählen der Glasfaser 63 derart, daß ihr Brechungsindex

η = η +Δη, beträgt, wobei An gerade groß genug ist, um sicherii L

zustellen, daß ein wesentlicher Teil der geführten Welle sich in der Raman-aktiven Flüssigkeit 64 fortpflanzt.

Ein optischer Resonator für das Raman-Streulicht wird durch lon

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Reflektor 65 vervollständigt, der an der entgegengesetzten Stirnfläche der Faser 63, die mit der Außenfläche des Halteblocks 68 wuchtet, angeordnet ist. Der Reflektor 65 ist teildurchlässig, um einen Teil des Raman-Streulichtes zum Verbraucher 66 auszukoppeln.

Beim Betrieb erzeugt derjenige Teil der geführten Welle, welcher sich im flüssigen Medium 64 fortpflanzt, Raman-Streuung. Das Raman-Streulicht, dessen Frequenzen niedriger als die Anregungsfrequenz sind, wird in dem durch die Reflektoren 62 und 65 gebildeten Resonator zur Resonanz gebracht und erzeugt dadurch kohärente Schwingungen bei den Streulicht-Frequenzen.

Da das Flüssigkeitsvolumen, das den aktiven Flüssigkeitsbereich umgibt, groß ist, ist die Flüssigkeit 64 bezüglich Strahlungsschaden selbstheilend. Auch können Fasern mit sehr hoher optischer Güte durch Ziehen von größeren Fasern auf die erwähnten Durchmesser gehalten werden.

In einem typischen Beispiel ist die Flüssigkeit 64 Benzol (Brechungsindex 1, 50), hat die Glasfaser 63 einen Durchmesser von 1 Ai und einen Brechungsindex von 1, 50 +Δη und haben die Halteblöcke 67 und 68 Brechungsindizes, die kleiner sind als der der Faser 63 und

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so für eine ununterbrochene Leitung des Raman-Streuliehtes zu den Endreflektoren 62 und 65 sorgen. Die Quelle 61 liefert kohärentes Anregungslicht bei 0, 5145 λχ Wellenlänge.

Die Faser 63 kann leicht zur Fortpflanzung von Raman-Streulicht in einer einzelnen Schwingungsform gebracht werden, da die Transversalschwingungsform-Anordnung nicht nur vom Faserdurchmesser sondern auch von der Größe des Wertes Δη abhängt.

Bei Ausführungsformen ähnlich derjenigen nach Fig. 6 ist die zentrale Faser 63 flexibel und wird durch schwache Zugspannung sowie durch den Umstand gerade gehalten, daß ihre Dichte nicht wesentlich größer als die der Raman-aktiven Flüssigkeit 64 ist. Eine gekrümmte Form der Faser 63 ist gleichfalls brauchbar, wenn hinreichend Ramanaktive Flüssigkeit 64 in der Faserumgebung gehalten werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist das aktive Medium ein Farbstoff, z.B. Rhodamin 6G in Ethanol-Lösung, und es fließt vom Farbstoffvorratsbehälter 77 über die Verbindungsstrecke 78 in eine flüssigkeitsenthaltende Oszillatoranordnung, die weitgehend der nach Fig. 6 gleicht. Die Oszillatoranordnung umfaßt die Endplatten 67 und 68, die die optische Faser 73 halten, und die Reflektoren 72 und 75 des

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Farbstofflaser-Resonators. Nach Umströmen der optischen Faser 73, in deren Nähe der Farbstoff durch das von der Faser 73 geführte Anregungslicht zur Erzeugung einer Besetzungsumkehr angeregt wird, fließt der Farbstoff über eine Ableitungsstrecke 79 zum Auffangbehälter 80.

Die Anregungslichtquelle 71 ist beispielsweise ein Argonionen-Laser, der bei einer Wellenlänge von 0, 5145« stimulliert emittiert. Die Verbraucher einrichtung 76 kann von irgendwelcher Bauart sein, obgleich bevorzugt ist, daß sie auf ein sehr breites Wellenlängenspektrum ansprechen kann, wie dieses von einem Färb stoff-Las er geliefert wird.

Für den Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 7 gelten die folgenden Daten. Untersuchungen der Ausgleichgeschwindigkeit von Rhodamin 6G in alkoholischer Lösung zeigen, daß bei optischer Anregung mit Intensitäten, wie diese für den Laser-Schwellenwert erforderlich sind,

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(etwa 10 Watt/cm bei den vorliegenden optischen Lichtleitern in Form von Kapillarröhren mit Querabmessungen im Bereich von 0, 5 bis 50 λχ), die Rhodamin 6G Moleküle eine nutzbare Lebensdauer von nur 40 Millisekunden haben. Die prinzipiell durch Ausgleichen erfolgende Zerstörung des Farbstoffs hängt linear von der Anregungsleistungsdichte ab und scheint eine Permanente zu sein.

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Rhodamin 6G in einer mit Luft gesättigten Ethanol-Lösung lieferte die niedrigste Ausbleichgeschwindigkeiten der geprüften Farbstoffe. Demgemäß wird Luftsättigung des Farbstoffes 74 empfohlen. Obschon die durchgeführten Versuche nicht alle Farbstoffe und alle möglichen Zusätze umfaßte, können selbstverständlich noch bessere Farbstoffe und oxidierende Additive oder andere günstige Additive bei der Ausführungsform nach Fig. 7 benutzt werden.

Um der beobachteten Farbstofflebensdauer von 40 Millisekunden in der Anregungszone bei oder oberhalb des Schwellenwertes für stimulierte Emission zu berücksichtigen, sollte der Farbstoff mit einer Geschwindigkeit von etwa 0, 0025 cm pro Sekunde pro Mikrometer Faserdurchmesser an derjenigen Stelle fließen, von welcher er die Faserachse passiert. Aus wirtschaftlichen Erwägungen bezüglich der Farbstoffströmung sollte der Abstand zwischen der Faser 73 und den vorderen und hinteren Seitenwänden, die den Strömungskanal definieren, in der Größenordnung des Faserdurchmessers, jedoch aber groß genug sein, um sicherzustellen, daß nicht mehr als ein vernachlässigbarer Teil des geführten Anregungslichtes sich in der Nähe der Seitenwände fortpflanzt.

Die Anregungslichtquelle 71 liefert etwa 1 Watt Anregungsleistung im

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Dauerstrichbetrieb, die auf einen Durchmesser von etwa 2 ja fokussiert ist, was dem Durchmesser der Faser 63 entspricht. Dieser Leistungswert reicht aus, um die Leistung des im stimulliertbaren Medium

5

(exponentiell) abnehmenden Feldes der geführten Welle 10 Watt pro cm

erreichen zu lassen, und zwar bei einem Wert von Δη von nur 1x10.

Dieser Wert von ^n erhält man durch Auswahl von Additiven für das Farbstoffmedium 74 zur Anhebung dessen Brechungsindexes auf nahezu den Brechungsindex der Glasfaser 73 (etwa 1, 5). Ein möglicher Zusatz ist Benzylalkohol. Die in dem abnehmenden Feld geführte Leistung nimmt zu wenn An kleiner wird.

Im Betrieb erreicht man eine Farbstoff-Laserwirkung im Dauerstrich, weil die optische Lichtleitwirkung der Faser 73, die den hohen Brechungsindex hat und vom Farbstoffmedium 74, das den vergleichsweise niedrigen Brechungsindex hat, umgeben ist, eine relativ niedrige Anregungsintensität zusammen mit relativ niedrigen Farbstoffkonzentrationen ermöglicht, um thermische Blasenbildung oder Defokussierung zu verhindern und um die Farbstoffmolekülausbleichung zu reduzieren; so daß mit einer vergleichsweise mäßigen Strömungsgeschwindigkeit für das die Faser 73 umströmende flüssige Farbstoffmedium gearbeitet werden kann.

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Entsprechend Fig. 8 ist die Aus führung s form nach Fig. 7 hauptsächlich durch die zusätzliche Faserunterstützung 85 modifiziert, die vom selben Brechungsindex wie das stimuUierbare Farbstoffmedium 84 sein kann. Diese Abwandlung, ebenso gewisse andere Abwandlungen, sind aus der Stirnansicht nach Fig. 8 ersichtlich. Die Anregungslichtquelle und die Verbraucher einrichtung sind die gleichen wie in Fig. 7.

Die optische Faser 83 ist praktisch dieselbe wie die Faser 73 in Fig. 7 und kann denselben Abstand von den Seitenwänden haben, die den Strömungsweg für den Farbstoff um die Faser herum definieren.

Der Farbstoffvorratsbehälter 87 weicht von dem in Fig. 7 dargestellten dadurch ab, daß die Verbindungsstrecke 78 fehlt. In ähnlicher Weise ist in diesem Fall die Abflußstrecke 89 gegabelt, da die Faserunterstützung 85 eine solcherart aufgeteilte Strömung erfordert.

Der Betrieb der Aus führung s form nach Fig. 8 kann praktisch derselbe sein wie der der Ausführungsform nach Fig. 7. Nichtsdestoweniger könnte eine niedrigere Farbstoffströmungsgeschwindigkeit auf etwa die folgende Weise erreicht werden. Zunächst würde die Öffnung oder der Schlitz des Behälters 87 relativ dicht bei der Faser 83 anzuordnen und die Seitenwände 91 und 92 zur Faser 83 hinzurücken sein, um einen

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Strömungsweg zu definieren, der begrenz ist als der in Fig. 7.

Selbst wenn sich das Feld des Anregungslichtes noch etwas in die Seitenwände 91 und 92 hinein erstrecken sollte, kann dieser Umstand im Hinblick darauf in Kauf genommen werden, daß hierdurch eine geringere Strömungsgeschwindigkeit und damit ein kleinerer Verbrauch des Farbstoffes ermöglicht wird.

Beim Betrieb der Ausführungsformen nach den Fig. 6, 7 und 8 mit stimullierbaren FarbstofflLaser-Medien sollte es sich verstehen, daß die stimullierte Strahlung und auch die Anregung s strahlung durch die Faser geführt wird. Diese Lichtleitwirkung tritt auf, weil an sich dieselben Brechungsindexbeziehungen für die atimullierte Strahlung wie für die Anregungs strahlung existieren.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Vorrichtung für stimullierte Strahlung mit einer lichtleitenden Anordnung zur Aufnahme eines flüssigen stimullierbaren Mediums und einer Einrichtung zum Einführen von monochromatischer Strahlungsenergie in die Anordnung, um stimullierte Strahlungsemission in dem Medium zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Anordnung ein fadenförmiges dielektrisches Glied (12, 63 usw.) aufweist, das mit dem Medium in Berührung steht und Querabmessungen im Bereich von im wesentlichen dem Ein- bis Hundertfachen der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimullierbare Medium ein Laser-aktives Farbstoffmedium (74) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stimullierbare Medium ein Raman-aktives Medium (18) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das fadenförmige dielektrische Glied durch eine Kapillarrohre (12) zur Aufnahme des stimullierbaren Mediums (18) gebildet ist, wobei der Innendurchmesser der Kapillarröhre in dem besagten Bereich liegt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser im Bereich des 2- bis 40-fachen der Wellenlänge liegt und daß die monochromatische Strahlungsenergiequelle Strahlung

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im Frequenzbereich von 10 bis 10 Hz zufuhrt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei Verwendung als super strahlende Vorrichtung (Fig. 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhre Flüssigkeit über eine 50 cm überschreitende Länge enthält und einen Innendurchmesser zwischen 0, 5 und 20 ,u besitzt, und daß die Quelle (45) kohärentes monochromatisches Licht einer Frequenz oberhalb

5 χ 10¹⁴ Hz liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,, daß die lichtleitende Anordnung in einem optischen Resonator angeordnet ist, der ein Paar zu den Enden der lichtleitenden Anordnung benachbarter Reflektoren (62, 65) umfaßt und zur Resonanz für die Raman-Streustrahlung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Anregungslichtquelle (61) benachbarte Reflektor (62) für die monochromatische Strahlung dieser Quelle im wesentlichen durchlässig und für die Raman-Streustrahlung im wesentlichen total reflektierend ist,

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und da.ß der andere Reflektor (65) für die monochromatische Strahlung der Anregungslichtquelle im wesentlichen total reflektierend und für die Raman-Streustrahlung teildurchlässig ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 2 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Ende der Kapillarrohre (12) und dem entsprechenden Reflektor (21) eine Einrdohtung (18) zum Speichern des stimullierbaren Mediums für eine Strömung durch die Kapillarrohre hindurch vorgesehen ist, und daß zwischen dem anderen Ende der Kapillarrohre und dem anderen Reflektor (14) eine Einrichtung (17) zur Aufnahme des aus der Kapillarröhre strömenden Mediums vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Ende der Kapillarröhre und dem entsprechenden Reflektor eine dielektrische Pestkörpernadel (25) vorgesehen ist, die an das Raman-aktive Medium angepaßt und so geformt ist, daß eine ausgewählte Schwingungsform in die Lichtleiter anordnung und das Medium eingekoppelt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre zu einer flexiblen Wendel (36) auf-

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gewickelt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (48) zum Einführen eines Signals in die Lichtleiteranordnung an einer von der Anregungslichtquelle entfernten Stelle vorgesehen ist, wobei dieses Signal bei einer Frequenz der Raman-Streustrahlung zugeführt wird, um die Streustrahlung zu stimullieren, und um ein verstärktes Signal von der Lichtleiteranordnung abnehmen zu können.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einführen und Auskoppeln des Signals dichroitische Glieder (21) umfassen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre eine Vielzahl von Abschnitten (52, 53) aufweist, die durch transparente, dielektrische Nadel-Stopfen (54) verbunden sind, welche von einem viskosen Medium (55) desselben Brechungsindexes wie der der Kapillarrohre umgeben sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Glied eine optische Faser (63) ist, die in einer

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das aktive Medium aufnehmenden Anordnung (69) angeordnet ist, sowie einen Brechungsindex besitzt, der den des flüssigen Mediums um einen Betrag übersteigt, der sicherstellt, daß ein wesentlicher Teil der Strahlung sich in dem flüssigen Medium fortpflanzt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser in Kontakt mit dem Medium steht und an einen begrenzten Bereich desselben angekoppelt ist, und daß die Emission von kohärenter Strahlung in diesem Bereich stimulliert wird, wodurch das restliche Medium die Wirkung jeglicher Schädigung beseitigt, die in dem begrenzten Bereich auftritt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das stimullierbare Medium ein Laser-aktives Farbstoffmedium ist und daß eine Einrichtung (77, 78) vorgesehen ist, die das flüssige Medium veranlaßt, die optische Faser zu umströmen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-aktive Farbstoffmedium veranlaßt wird, die optische Faser in Querrichtung zu umströmen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die

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optische Faser mit einer Unterstützung versehen ist, die den gleichen Brechungsindex wie das flüssige Medium hat und daß der Brechungsindex der optischen Faser den anderen Brechungsindex um einen ausreichend kleinen Betrag übersteigt, um sicherzustellen, daß die Strahlung eine Feld verteilung hat, die sich im wesentlichen durch den Teil des flüssigen Mediums in derjenigen Ebene erstreckt, in der es die optische Faser passiert.

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