DE2103218B2

DE2103218B2 - Vorrichtung zur Emission von kohärenter Strahlung

Info

Publication number: DE2103218B2
Application number: DE2103218A
Authority: DE
Inventors: Arthur Rumson Ashkin; Erich Peter Ippen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-01-26
Filing date: 1971-01-25
Publication date: 1980-02-14
Also published as: CA944467A; DE2103218C3; DE2103218A1; JPS55918B1; CA944466A; US3793541A; GB1323621A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 und 2 angegebenen Art Diese Vorrichtungen eignen sich z. B. als Frequenzumsetzer, superstrahlende Vorrichtungen und Verstärker für kohärente Strahlung und umfassen Vorrichtungen für stimulierte Raman-Emission und Farbstoff-Laser.

Bei den bisher bekannten Raman-aktiven Vorrichtungen (vgl. Physical Review Letters, Bd. 16 [1966], Nr. 9, S. 344—347) erforderte das Erreichen des Schwingungsschwellenwertes einen Fadenbildungsprozeß, bei dem 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 geschädigt und weniger durchlässig als ursprünglich.

Auch bei den bekannten, im Dauerstrich betriebenen Farbstoff-Lasern wurden niedrige Schwellenwerte nur mit hochfokussiertem Anregungslicht erreicht, das demgemäß das flüssige stimulierbare Medium nur im Fokusbereich, also nur auf einer kurzen Weglänge ausreichend anregt Die hierbei auftretenden schädlichen thermischen Effekte verlangten nach großen Durchflußgeschwindigkeiten des flüssigen Mediums. Im Impulsbetrieb — bei zugeführten höheren Spitzenleistungen — wurden Schwingungen zwar auf längeren Weglängen und bei niedrigerer Farbstoffkonzentration erreicht, aber auch hier muß die Durchflußgeschwindigkeit um so größer sein, je größer die Impulslänge wird. Die thermischen Effekte äußern sich hauptsächlich in thermischem Defokussieren. Zusätzlich hierzu tritt bleibendes Ausbleichen der Farbstoffmoleküle auf, was gleichfalls schädlich für die Laser-Wirkung ist Dieses gilt sowohl für ultraviolettes als auch für sichtbares Anregungslicht, beispielsweise eines Argonionenlasers.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Anordnung so zu treffen, daß bei solchen Vorrichtungen wesentlich niedrigere Anregungsenergien als bisher benötigt werden.

Durch die Erfindung werden zwei, auf demselben Wirkungsprinzip beruhende Lösungen dieser Aufgabe verfügbar gemacht; sie sind in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet.

Nach der ersten Lösung ist eine das aktive Medium bs enthaltende dielektrische Kapillarröhre vorgesehen, die für die Anregungsstrahlungienergie einen Lichtleiter in Form einer optischen Faser mit dem aktiven Medium als Faserkern und der Kapillare als Fasermantel bildet.

Nach der zweiten Lösung ist — gewissermaßen in Umkehrung der ersten Lösung — eine innerhalb des aktiven Mediums verlaufende dielektrische Faser als der Kern einer die Strahlungsenergie leitenden optischen Faser vorgesehen, deren Mantel das (dann den niedrigeren Brechungsindex besitzende) aktive Medium bildet Bei dieser Ausführungsform wird der Umstand ausgenutzt, daß die im optisch dichteren Medium (Kern) durch Totalreflexion an der Grenzfläche zum optisch dünneren Medium (Mantel) geführte Strahlungsenergie in gewissen) Umfang auch in das optisch dünnere Medium eindringt, um dann dort in der Feldstärke exponentiell zu verschwinden.

In beiden Fällen hat der Kern des optischen Faserwellenleiters, der nach der ersten Lösung durch den Innendurchmesser der Kapillare und nach der zweiten Lösung durch den Außendurchmesser der dielektrischen Faser definiert ist, einen Durchmesser von etwa dem Ein- bis Hundertfachen der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung.

Es verbleibt noch zu bemerken, daß es aus der US-PS 32 97 875 bekannt ist, einen Generator für die zweite Harmonische oder einen Frequenzmischer dadurch zu realisieren, daß mit einem von einer bzw. zwei monochromatischen Lichtquellen beaufschlagten optischen Faserlichtleiter gearbeitet wird, bei dem wenigstens der Kern oder der Mantel aus einem nichtlinearen elektrooptischen Material bestehen.

Unabhängig davon, ob es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nun um eine Raman-aktive Vorrichtung oder um einen Farbstofflaser handelt, kann der Einsatz von Raman-Schwingungen bzw. der Einsatz einer stimulierten Laser-Emulsion mit Anregungsstrahlungsenergien erreicht werden, die weit unterhalb der bisher benötigten Energiewerte gelegen sind

So kann z. B. eine Raman-Schwingung mit einem Leistungspegel der zugeführten Strahlung erreicht werden, der mehr als um eine Größenordnung unter jenem liegt, wie dieser bei den bisherigen Raman-Oszillatoren erforderlich war und ebenso auch unterhalb des sogenannten Volumen-Schwingungsschwellenwertes liegt Dieser Volumen-Schwellenwert ist der Schwellenwert für das Einsetzen von Schwingungen bei einer Raman-Emissions-Vorrichtung, wie dieser aus dem Raman-Querschnitt ohne leitende Führung des Anregungslichtes oder des Raman-Streulichtes errechnet wird. Bei den meisten Ausführungsbeispielen 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 0,5145 Mikrometer Wellenlänge eines Argonionen-Lasers erreicht

Zwei überraschende Vorteile der Erfindung sind die äußerst befriedigende Qualität der Lichtleitung, die bei Gegenwart einer hohen Anregungslichtintensität mit einer Kapillarrohre oder einer Faser, die auf derartige kleine Innen- bzw. Außendurchmesser herabgezogen waren 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 sind schädliche 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 des Anregungslichtstrahls relativ lange Wegstrekken in einem Medium erlaubt, das relativ niedrige Farbstoffkonzentration besitzt, ohne daß dabei ein Verlust der Gesamtverstärkung auftreten würde; zugleich wird dabei ermöglicht, daß wesentlich kleinere to effektive Lichtfleck-Größen und damit eine Zunahme der Verstärkung erhalten werden kann. Darüber hinaus wird im Dauerstrichbelrieb erfolgendes Anregen bei vernünftigen Durchflußgeschwindigkeiten des stimuiierbaren 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 2« thermischen Effekte weit weniger wichtig geworden als das Ausbleichen bei einem Farbstoff-Laser in der erfindungsgemäßen Ausführung.

■line Verschlechterung eines Raman-aktiven Mediums kann z. B. vermieden werden durch Überströmenlassen des Mediums aus einem unter Druck stehenden relativ großen Vorratstank in die lichtleitende Kapillarröhre. Die Strömungsgeschwindigkeit ist so, daß ein Vorratsbehälter von weniger als 1 Liter Fassungsvermögen dem erforderlichen Austausch des aktiven Jo Mediums in der Kapillarröhre für viele Wochen oder über Jahre hinweg sicherstellen könnte.

Die Farbstoff-Laser sind in ihrer erfindungsgemäßen Ausführung bevorzugt nach der obenerwähnten zweiten Lösung aufgebaut, die eine Farbsloffströmung in Querrichtung erlaubt Beispielsweise wird hierbei mit einer Glasfaser eines Durchmessers von etwa 0,1 bis 50 Mikrometer gearbeitet

Durch die Erfindung sind die oben geschilderten Probleme der bekannten Raman-aktiven Vorrichtungen ίο so vollständig vermieden, daß Superstrahlung via Raman-Streuung leicht in einer längeren Kapillarrohre erreicht werden kann; und die bei einer Raman-Vorrichtung verfügbare relativ hohe Verstärkung pro Längeneinheit ermöglicht deshalb in gewisser Weise vereinfachte Verstärkeranordnungen, die nur einen oder zwei Durchgänge des zu verstärkenden Signals durch den Lichtleiter vorsehen, ebenso auch vereinfachte dichroitische optische Resonatoren für Oszillatoren, die nur für einen oder zwei Durchgänge des zugeführten Anregungslichtes sorgen. Das Anregungslicht kann in einer solchen Vorrichtung praktisch »verbraucht« werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigt

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

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

F i g. 3 eine mögliche, sehr kompakte Wendelform der lichtleitenden Anordnung mit entsprechenden Vorratsbehältern,

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

F i g. 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

F i g. 7 und 8 Abwandlungen der Ausführungsform nach F i g. 6 bei Verwendung als Farbstoff-Laser.

Bei der Ausführungsform 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 Kapillarröhre mit niedrigem Brechungsindex als der der Flüssigkeit 11 und mit einem Innendurchmesser im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 50 μπι. 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 Linse 15 fokussiert den Strahl über das Fenster 16, die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter 17 auf das Ende der Kapillarröhre 12.

Die Enden dieser Kapillarrohre 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 Reflektor 21 kann gleichfalls dazu verwendet werden, Raman-Streuung höherer Ordnung entweder zu verstärken oder zu unterdrücken. Der Linsen 15 und 20 haben Bre:nnweiten 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 Atmosphärendruck ist Der Behälter 17 ist zur Atmosphäre hin offen.

Bei der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen wurden Schwingungen mit einer Anordnung ähnlich der Fig. 1 erreicht, wobei als die Raman-aktive Flüssigkeit Schwefelkohlenstoff und als Lichtquelle 13 ein Argon-Laser benutzt, der bei 515,4 nm im grünen Spektralbereich stimuliert emittierte, wobei mit etwa 20 Mikrosekunden langen Impulsen mit Spitzenleistungen zwischen etwa 5 bis etwa 10 Watt bei verschiedenen Versuchen gearbeitet wurde. Im Gegensatz hierzu waren Spitzenimpulsleistungen von mehreren 10 Kilowatt bei dieser Wellenlänge in den bisher bekannten Raman-Osziilatoren (vgL Phys. Rev. Letters, 16,344 [1966]) erforderlich. Ferner war die Kapillarröhre 12 eine gezogene Glasrohre eines Brechungsindexes

von 1,55 und eines Innendurchmessers von etwa 12 μπι. Es sei bemerkt, daß Schwefelkohlenstoff einen Brechungsindex 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 Frequenz von 5,64 χ 10⁵ Gigahertz (das einer Wellenlänge von 532,5 nm entspricht) gegenüber einer Frequenz von 5,84 χ ΙΟ⁵ Gigahertz (das einer Wellenlänge von 514,5 nm entspricht) des von der Argonionen-Laserquelle 13 zugeführten Lichtes.

Der von der Qeulle 22 gelieferte Druck betrug 0,35 kg pro cm², der mehr als ausreichend war, um eine überlegene optische Qualität des Mediums innerhalb der Kapillaren 12 aufrechtzuerhalten. 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 einen optischen Übertragungssystem sein. Mehrere solche durch die gleiche Quelle 13 angeregte Vorrichtungen 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-Übertragungssystems eignen. Zu diesem Zweck ist es lediglich notwendig, die Frequenz dei 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:

	π	Verschiebung —
		(cm"¹)
Benzol	1,50	992
Methyliodid	1,75	533
Pyridin	1,51	991
Iodbenzol	1,62	999
Brombenzol	1,56	1000
Chlorbenzol	1^23	1002
O-Nitrotoluol	1,54	1340
Nitrobenzol	1,56	1345
CS,	1,64	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 CS2 gemischt "> werden.

Die Methoden zum Ziehen von Kapillarröhren auf den erforderlichen Innendurchmesser sind allgemein bekannt. Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 wird ohne

ι» Flüssigkeitsströmung gearbeitet, da Schwingungen bei derart niedrigen Leistungspegeln der monochromatischen Lichtquelle 13 so erhalten werden können, daß die Strahlenschädigung vergleichsweise klein bleibt. Die Linse 15 fokussiert nun das monochromatische Licht

i) durch den modifizierten dichroitischen Reflektor !4¹ hindurch, der auf das Ende einer Glasnadel 25 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 Kapillarröhre 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 Kapillarröhre 12 weitgehend angeglichen ist. Die andern Endes vorgesehene Nadel 28 und Flüssigkeit 29 im Behälter 30 sind von ähnlicher Natur. Jedoch ist am Austrittsende der Nadel 28 an der Außenfläche des

jo Behälters 30 ein hochdurchlässiges Fenster 31 für das Raman-verschobene 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 im Resonator auswählt der durch die Reflektoren 14' und 34 gebildet ist

Es sei bemerkt, daß bei der abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 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 F i g. 1 gearbeitet werden könnte.

Die Verwendung von Nadeln, beispielsweise der Nadeln 25 und 28, ermöglicht eine große konstruktive

so Freizügigkeit für die Anordnung der Reflektoren zum Erhalt des Resonators für das Raman-Streulicht

Eine weitere abgewandelte Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt Dort sind die Reflektoren 14¹ und 34' beide an dsr Außenfläche der Flüssigkeitsbehälter 27 und 30 sowie in Ausrichtung mit den Enden einer dielektrischen Kapillarröhre 36 angeordnet, die zwischen den Behältern 27 und 30 zu einer kompakten Wendel aufgewickelt ist Bei der Ausführungsform nach Fig.3 könnte ein Frequenzumsetzer mit einer viele Meter langen Kapillarröhre 36 so kompakt konstruiert werden, daß der Abstand zwischen den Reflektoren 14' und 34' nur etwa 2 oder 3 cm beträgt Gleichfalls erwähnenswert ist es, daß Superstrahlung (super-radiance) in einem Rahmen-aktiven Medium bei einer Vorrichtung erreicht werden kann, bei welcher ein optischer Resonator überhaupt nicht vorgesehen ist Eine solche Superstrahlungs-Ausführungsform ist in

F i g. 4 dargestellt. In F i g. 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 Kapillarröhre 44 strömt, die beispielsweise eine > größenordnungsmäßige Länge von 10 m hat. Die Kapillarröhre 44 hat einen Innendurchmesser von etwa 5 μηι und einen Brechungsindex, der hinreichend niedriger ist als der des Mediums 41, so daß eine wirksame Lichtleitung sowohl des zugeführten mono- n> chromatischen Lichtes als auch des Raman-Streulichtes sichergestellt ist.

Wegen des kleinen Querschnittsgebietes der Ramanaktiven Flüssigkeit innerhalb der Kapillarröhre 44 ist die Strömung extrem klein und man kann deshalb diese r> Flüssigkeit einfach am gegenüberliegenden Ende des Rohrs 44 frei ausströmen lassen. Die monochromatische Lichtquelle 45 ist beispielsweise ein Argonionen-Laser, der bei einer Wellenlänge von 514,5 nm im Dauerstrichbetrieb mit einer Leistung von etwa 1 Watt stimuliert 2» emittiert.

Zum Betrieb der Vorrichtung nach Fig.4 als eine superstrahlende Vorrichtung sind die Linse 46, der Strahlteiler 47, die Signalquelle 48 und der dichroitische Reflektor 49 nicht vorhanden; diese Komponenten sind nur vorgesehen, wenn ein Verstärker gewünscht ist.

Der Betrieb der Ausführungsform nach F i g. 4 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 von etwa e³⁰ verwendet, so daß 10 Watt Anregungsleistung bei einer 3 bis 4 m langen Vorrichtung ausreichen sollten. r> Berechnunger, zeigten, daß eine Ausgangs-Superstrahlung, die eine stimulierte Strahlung mit vielen der Qualitäten von Laser-Licht ist, bei einer Raman-verschobenen Frequenz entsprechend der Wellenlänge von 532,5 nm mit einer Intensität von etwa 10 Watt erhalten w werden kann, wenn eine Anregungswellenlänge von 514,5 nm verwendet wird. Das Raman-verschobene Licht erzeugt selbst weitere Raman-Streuung in der Flüssigkeit 41, so daß andere, schwächere Linien von Kaman-verschobenem Licht in der Ausgangsstrahlung erhalten werden können. Die stärkeren dieser 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 hinzufü- ίο genden Komponenten 46 bis 49, insoweit wie das Signal bei der Raman-vüTschobenen Frequenz der Quelle 48 verursacht, daß die spezielle Raman-Verschiebung leichter stimuliert und somit vorherrschend wird.

Beim Betrieb der Ausführungsform 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 to 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 Ausführungsform ähnlich der nach F i g. 4 oder auch nach den F i g. 1 —3 weitere Raman-Verschiebung erzeugen kann, kann mit Vorteil in einem Übertragungssystem dazu benutzt werden, verschiedene Trägerfrequenzen in der jeweils für ein Frequenz-Multiplexsystem gewünschten Anzahl 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 Glaskapillarröhre 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 Lichtleiteranordnung dienen der mechanischen Festigkeit, ohne daß die optische Lichtleitwirkung unterbrochen würde.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 6 dargestellt. Hier wird das fokussierte Anregungslicht der Quelle 61 über den Raman-Licht-Reflektor 62 in eine feste Glasfaser 63 übertragen, deren Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 μπι bis etwa 50 μπι liegt. Die Faser 63 ist von Raman-aktiver Flüssigkeit 64 umgeben, die jeden typischen Brechungsindex tiL haben kann.

Es sei betont, daß bei dieser Ausführungsform jedes flüssige Raman-Medium gewählt werden kann. Die Lichtleitung wird erzeugt durch Auswählen der Glasfaser 63 derart, daß ihr Brechungsindex Hh=JIl + Δη, beträgt, wobei Δη gerade groß genug ist, um sicherzustellen, daß sich ein wesentlicher Teil der geführten Welle in der Raman-aktiven Flüssigkeit 64 fortpflanzt

Ein optischer Resonator für das Raman-Streulicht wird durch den Reflektor 65 vervollständigt, der an der entgegengesetzten Stirnfläche der Faser 63, die mit der Außenfläche des Halteblocks 68 fluchtet, 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 Strahlungsschäden selbstheilend. Auch können Fasem mit sehr hoher optischer Güte durch Ziehen von größeren Fasern auf die erwähnten Durchmesser gehalten v/erden.

In einem typischen Beispiel ist die Flüssigkeit 64

Benzol (Brechungsindex 1,50), hat die Glasfaser 63 einen Durchmesser von " μπι und einen Brechungsindex von 1,50 + Δη und haben die Halteblöcke 67 und 68 Brechungsindizes, die kleiner sind als der der Faser 63 und sorgen so für eine ununterbrochene Leitung des Raman-Streulichtes zu den Endreflektoren 62 und 65. Die Quelle 61 liefert kohärentes Anregungslicht bei 514,5 nm Wellenlänge.

Die Faser 63 kann leicht zur Übertragung 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 F i g. 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 Raman-aktive Flüssigkeit 64 in der Faserumgebung gehalten werden kann.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 ist das aktive Medium ein Farbstoff, z. B. eine äthanolische Rhodamin 6G-Lösung, und 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 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 514,5 nm stimuliert emittiert Die Verbrauchereinrichtung 76 kann von irgendwelcher Bauart sein, obgleich bevorzugt ist, daß sie auf ein sehr breites Wellenlängenspektrum ansprechen kann, wie dieses von einem Farbstoff-Laser geliefert wird

Für den Betrieb der Ausführungsform nach F i g. 7 gelten die folgenden Daten. Untersuchungen der Ausbleichgeschwindigkeit von Rhodamin 6G in alkoholischer Lösung zeigen, daß bei optischer Anregung mit Intensitäten, wie diese für den Laser-Schwellenwert erforderlich sind (etwa 10⁵ Watt/cm² bei den in Form von Kapillarröhren mit Querabmessungen von 0,5 bis 50 μπι vorliegenden optischen Lichtleitern, die Rhodamin 6G-Moleküle eine nutzbare Lebensdauer von nur 40 Millisekunden haben. Die hauptsächlich durch Ausbleichen erfolgende Zerstörung des Farbstoffs, die eine bleibende ist, ist zur Anregungsleistungsdichte proportional.

Rhodamin 6G in einer mit Luft gesättigten Äthanol-Lösung lieferte die niedrigste Ausbleichgeschwindigkeit 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 F i g. 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, an 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

ίο der Seitenwände fortpflanzt

Die Anregungslichtquelle 7i liefert etwa 1 Watt Anregungsleistung im Dauerstrichbetrieb, die auf einen Durchmesser von etwa 2μΐη fokussiert ist, was dem Durchmesser der Faser 63 entspricht Dieser Leistungswert reicht aus, um die Leistung des im stimulierbaren Medium (exponentiell) abnehmenden Feldes der geführten Welle 10⁵ Watt pro c?n² erreichen zu lassen, und zwar bei einem Wert von Δη von nur 1 χ 10-³. Diesen Wert von Δη erhält man durch Auswahl von Additiven für das Farbstoffmedium 74 zur Anhebung dessen Brechiingsindexes auf nai.ezu den Brechungsindex der Glasfaser 73 (etwa 1,5). Ein möglicher Zusatz ist Benzylalkohol Die in dem abnehmenden Feld geführte Leistung nimmt zu, wenn Δη kleiner wird.

Im Betrieb erreicht man eine Farbstoff-Laserwirkung im Dauerstrich, weil die optische Lichtleitwirkung der Faser 73 durch deren Einbettung im optisch dünneren Farbstoffmedium 74 eine relativ niedrige Anregungsintensität zusammen mit relativ niedrigen Farbstoffkonzentrationen ermöglicht, so daß thermische Blasenbildung oder Defokussierung verhindert und Farbstoffausbleichungen reduziert sind und mit vergleichsweise mäßigen Strömungsgeschwindigkeiten für das die Faser 73 umströmende flüssige Farbstoffmedium gearbeitet werden kann.

Entsprechend Fig.8 ist die Ausführungsform nach F i g. 7 hauptsächlich durch die zusätzliche Faserunterstützung 85 modifiziert, die vom selben Brechungsindex wie das stimulierbare Farbstoffmedium 84 sein kann.

Diese Abwandlung ist aus der Stirnansicht nach F i g. 8 ersichtlich. Die Anregungslichtquelle und die Verbrauchereinrichtung sind die gleichen wie in F i g. 7.

Die optische Faser 83 ist praktisch dieselbe wie die Faser 73 in F i g. 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 F i g. 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 Ausführungsform nach F i g. 8 kann praktisch derselbe sein wie der der Ausführungsform nach F i g. 7. Nichtsdestoweniger könnte ein niedrigerer Farbstoffdurchsatz auf etwa die folgende Weise erreicht werden. Hierzu würde die Öffnung oder der Schlitz des Behälters 87 relativ dicht bei der Faser 83 anzuordnen und wurden die Seitenwände 91 und 92 zur Faser 83 hin zurücken sein, um einen Strömungsweg zu definieren, der stärker begrenzt ist als der in F ig. 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 ein geringerer Durchsatz und damit ein kleinerer Verbrauch des Farbstoffes ermöglicht wird.

Beim Betrieb der Ausführungsformen nach den Fig.6, 7 und 8 mit stimulierbaren Farbstofflaser-Me-

dien sollte es sich verstehen, daß die stimulierte Strahlung und auch die Anregungsstrahlung durch die Faser geführt wird. Diese Uchtleitwirkung tritt auf, weil an sich dieselben Brtchungsindexbeziehungen für die stimulierte Strahlung wie für die Anregungsstrahlung existieren.

Hicrzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Emission von kohärenter Strahlung, mit einer Anordnung zur Aufnahme eines flüssigen aktiven Mediums und einer Einrichtung zum Einführen von zur Wechselwirkung mit dem aktiven Medium vorgesehener monochromatischer Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine fadenförmige dielektrische Kapillarröhre (12) aufweist, die zur Aufnahme des aktiven Mediums (11) und zur Leitung der monochromatischen Strahlungsenergie hierin vorgesehen ist sowie einen Innendurchmesser aufweist, der etwa dem 1- bis lOOfachen der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung entspricht (F ig. 1,2).

2. Vorrichtung zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer Anordnung zur Aufnahme eines flüssigen aktiven Mediums und einer Einrichtung zum Einführen von zur Wechselwirkung mit dem aktiven Medium vorgesehener monochromatischer Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen das aktive Medium (64) enthaltenden Behälter (69) und eine hierin verlaufende dielektrische Faser (63) aufweist, die zur Leitung der monochromatischen Strahlungsenergie im in Kontakt mit der Faser stehenden aktiven Medium und längs der Faser vorgesehen ist sowie einen Außendurchmesser hat, der etwa dem 1- bis lOOfachen der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung entspricht (F i g. 6).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das aktive Medium als Raman aktive Flüssigkeit vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlungseinführung eine Quelle monochromatischer Strahlungsenergie einer Intensität vorgesehen ist, die unterhalb des Volumenschwingungsschwellenwertes der Flüssigkeit gelegen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium das eines Farbstofflaser!» (74) ist (F i g. 7).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser im Bereich des 2- bis 40fachen der Wellenlänge liegt und daß die monochromatische Strahlungsenergiequelle Licht im Frequenzbereich von 10¹⁴ bis 10¹⁵ Hz zuführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei Verwendung als superstrahlende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre Flüssigkeit über eine ^r>o 50 cm überschreitende Länge enthält und einen Innendurchmesser zwischen 0,5 und 20 μπι besitzt, und daß die Quelle (45) kohärentes monochromatisches Licht einer Frequenz oberhalb 5 χ 10¹⁴Hz liefert (F ig. 4). «

7. Vorrichtung nach Anspruch 1,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Anordnung in einem optischen Resonator angeordnet ist, der ein Paar zu den Enden der lichtleitenden Anordnung benachbarter Reflektoren (14, 21) umfaßt und zur Resonanz für die Raman-Streustrahlung vorgesehen ist(Fig. 1).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Anregungslichtquelle (13) benachbarte Reflektor (14) für die monochromati- μ sehe Strahlung dieser Quelle im wesentlichen durchlässig und für die Raman-Streustrahlung im wesentlichen total reflektierend ist und daß der andere Reflektor (21) für die monochromatische Strahlung der Anregungslichtquelle im wesentlichen total reflektierend und für die Raman-Streustrahlung teildurchlässig ist (F i g. 1).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Ende der Kapillarrohre (12) und dem entsprechenden Reflektor (21) eine Einrichtung (18) zum Speichern des aktiven Mediums (11) für eine Strömung durch die KapiUan-öhre hindurch vorgesehen ist und daß zwischen dem anderen Ende der Kapillarröhre und dem anderen Reflektor (14) eine Einrichtung (17) zur Aufnahme des aus der Kapillarrohre strömenden Mediums vorgesehen ist (F i g. 1).

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 Festkörpernade] (25) vorgesehen ist, die an das Raman-aktive Medium angepaßt und so geformt ist, daß eine ausgewählte Schwingungsform in die Licht'.eiteranordnung und das Medium eingekoppelt wird (F ig. 2\

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhre zu einer flexiblen Wendel (36) aufgewickelt ist (F ig. 3).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (48) zum Einführen eines Signals in die Lichtleiteranordnung (44) an einer von der Anregungslichtquelle (45) entfernten Stelle vorgesehen ist, wobei dieses Signal bei einer Frequenz der Raman-Streustrahlung zugeführt wird, um die Streustrahlung zu stimulieren, und um ein verstärktes Signal von der Lichtleiteranordnung abnehmen zu können (F i g. 4).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einführen und Auskoppeln des Signals dichroitische Glieder (21) umfassen (Fig. 1).

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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 (F i g. 5).

15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Faser (63) einen Brechungsindex besitzt, der den des flüssigen aktiven Mediums um einen Betrag übersteigt, der sicherstellt, daß ein wesentlicher Teil der Strahlung sich in dem flüssigen Medium fortpflanzt (F i g. 6).

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 stimuliert wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium das eines Farbstofflasers ist und daß eine Einrichtung (77, 78) vorgesehen ist, die das Medium veranlaßt, die optische Faser (73) zu umströmen (Fig. 7).

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium des Farbstofflasers veranlaßt wird, die ODtische Faser

(73; 83) in Querrichtung zu umströmen (F i g. 7,8).

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (83) mit einer Unterstützung (85) versehen ist, die den gleichen Brechungsindex wie das flüssige aktive Medium hat und daß der Brechungsindex der optischen Faser den Brechungsindex des flüssigen Mediums um einen ausreichend kleinen Betrag übersteigt, um sicherzustellen, daß die Strahlung eine Feldverteilung hat, die sich im wesentlichen durch den Teil des flüssigen Mediums in derjenigen Ebene erstreckt, in der es die optische Faser passiert (F ig. 8).