DE2115742A1 - Amplitude modulated laser - Google Patents
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Description
Rochester, II.Y. 14 003Rochester, II.Y. 14 003
<983921/22><983921/22>
Anplitudenmodulierter LaserAmplitude-modulated laser
üin Laser ist eine Vorrichtung, die einen kohärenten Lichtstrahl erzeugt. Im allgemeinen hat er eine optische ilammor, in der ein aktives Lasermaterial sowie eine Pumpquelle zur Anregung dieses iiaterials angeordnet ist.üin laser is a device that creates a coherent beam of light generated. In general he has an optical ilammor, in which an active laser material and a pump source for exciting this material are arranged.
Laser, die ein amplitudeninoduliertes Signal abgehen, können "bei der Nachrichtenübertragung, bei optischen Radarsystemen und bei verschiedensten anderen Systemen und Geräten angewendet v/erden.Lasers that emit an amplitude-modulated signal can "in communications, in optical radar systems and applied to a wide variety of other systems and devices.
Zur Amplitudenmodulation des AusgangsStrahls eines Lasers mit .Jignalinformationen sind verschiedene Verfahren bekannt. Gernäß den US-Patentschriften 3 229 223, 3 297 876, 3 321 714, 3 403 370, 3 413 476, 3 437 951 und 3 437 230 können in der optischen Kammer Vorrichtungen zur Amplitudenmodulation eines Laserstrahls angeordnet sein. Gemäß anderen Verfahren, wie sie beispielsweise durch die US-Patentsehriften 3 302 026 und 3 457 417 bekannt sind, sind die Vorrichtungen zur Amplitudenmodulation des Laserstrahls außerhalb des Lasers im Bereich des abgegebenen Lichtes angeordnet.For amplitude modulation of the output beam of a laser Various methods are known with signal information. According to U.S. Patents 3,229,223, 3,297,876, 3,321,714, 3 403 370, 3 413 476, 3 437 951 and 3 437 230 can have devices in the optical chamber for the amplitude modulation of a Be arranged laser beam. According to other methods such as those disclosed in U.S. Patent Nos. 3,302,026 and 3 457 417 are known are the devices for amplitude modulation of the laser beam arranged outside the laser in the area of the emitted light.
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Die Aniplitudenmo dtilat ion von Lasern ist nach wie vor verbesserungsbedürftig» Es ist daher Aufgabe der ..Jrfindunj, einen verbesserten aniplituaannoduliertcn Laser zu schaffen.The amplitude modulation of lasers is still in need of improvement » It is therefore the job of ..Jrfindunj to find one to create improved amplitude-modulated lasers.
Ein aiaplitudenmodulierter Laser ist zur Lösung diocor Aufgebe ε rf indungsgeinäß derart ausgebildet, daß in oinor den L-i.sor enthaltenden optischen ranner., die- ein Austreten nur· d~G Lichtes der zweiten Harmonischen der Grtino.fr oquc-riz dos Losere ermöglicht,, ein das Licht der Grundfrequeriz erapfangoiid^r vjl'i'I L-iolit der zweiten Zarmonisclisii dor Grun-"Tfr3-quenz aD; ;e be-nior Generator angeordnet ist, dessen Amplitude durch viii ilxi zucexiüirtes Signal modulierbar ist.An aiaplitude-modulated laser is designed to solve the problem of the task in such a way that in oinor the optical scanner which contains the Li.sor and which allows the emission of only the second harmonic of the Grtino.fr oquc-riz dos Losere, , a the light of Grundfrequeriz erapfangoiid ^ r vjl'i'I L-Iolit the second Zarmonisclisii dor Grun- "TFR3-frequency aD; e be-Nior generator is arranged whose amplitude is modulated by viii ilxi zucexiüirtes signal.
Der in der optischen Kanner des Lasers arvvoordnete C-i-r-orctor empfängt also das dui'ch das Lasarmatoric.l abt-;-2gob&:.o Licht cl:-:r bestimmten Frequenz (d,h. dor Grundfrequoiiz) vz'.i. ./.-rsougt eine zweite Harmonische cJxcos Lichtes« '}.)ieser Goncr:.".tc:.' i:jt elektrisch mit einem modulierenden oigiicl vci-btmdox-, -·1:'-0 I^iderun^ dieses Signals bewirlrt eine linisrung der Arrolituäo doc Licht:.c der zweiten Harmonischen» Dia optische I.'ar.mxor ist 30 ausgofillirt,. daß sie bei der Grundfrequenz und a:i dsr z:reitc:i II--.rr.:onisch£ii in Resonanz ist und da£ das Licht der G-runäfrecaioüZ nicht, cca Licht der zweiten Harnonischen jedoch austrotir. ."icim» 'Je.s iVi:agangssignal des Lasers ist also ein Lichtstralil der zxraitan Ilarrrionischen, dessen ilmplitiide aodulisrt ist.The cir-orctor arranged in the optical scanner of the laser thus receives the dui'ch das Lasarmatoric.l from t -; - 2gob & :. o light cl: -: r determined frequency (i.e. the fundamental frequency) vz'.i . ./.-rsougt a second harmonic cJxcos Lichtes «'}.) This goncr:.". tc :.' i: jt electrical with a modulating oigiicl vci-btmdox-, - · 1: '- 0 I ^ iderun ^ this signal causes a linisrung of the Arrolituäo doc light: .c of the second harmonic »Dia optical I.'ar.mxor is 30 that it is in resonance at the fundamental frequency and a: i dsr z: reitc: i II--.rr.:onisch£ii and that the light of the G-runäfrecaioüZ is not, but cca light of the second urinary tract is exhausted. . "icim» 'Je.s iVi: output signal of the laser is thus a light beam of the zxraitan Ilarrrionischen, whose ilmplitiide is aodulisrt.
Die Erfindung ΐ/ird mit ihren v/eiteren ",;"ώ sens zügen ui:C Vor teil Ji-" im folgenden anhand der Figur beschrieben,, die eine schenatincIiD ■ perspektivische Darstellting eines Ausfülirungsooispisls zeigt«The invention ΐ / ird with its further ",;" ώ sens trains ui: C advantage Ji- " described in the following with reference to the figure, which is a scholarship perspective representation of an execution ospisl shows «
In der Figur ist ein Laser 11 dargestellt« dieser enthält ein Lasernaterial 12f eine Punipquelle 1? und zvei Spisgcl 14 und 15* Die .Spiegel 14 und 15 sind auf jeder Seite des Laseriuaterials so angeordnet, daß sie eine optische Kammer bilden. Imierlinlü der optischen Kammer ist nahe dem Lasermaterial 12 ein Generator 1£ für die zweite Harmonische angeordnet.In the figure, a laser 11 is shown "this contains a laser material 12 f a Punip source 1?" and two Spisgcl 14 and 15 * The .Spiegel 14 and 15 are arranged on each side of the Laseriuaterials so that they form an optical chamber. A generator 1 £ for the second harmonic is arranged in the vicinity of the laser material 12 in the direction of the optical chamber.
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8AD ORIGINAL 8AD ORIGINAL
>.: L^ccri-ir-.tcri-il 12 :;-;.:-n ein festes, flüssi.-'cG oder gasförmiges I r.-i ;-i.-ial pein, welches zum strahlen gebracht worden kann. Die inii.;oruollc 13 kann 3.11 bekannter Vie is e aufgebaut sein und nuß ''Jx λ:irof.-iun;;dos -jeweiligen Lehrmaterials 12 ermöglichen. ;v. ;..<-;·■ ic-?uS\7cisc kann dan Lasenlaterir.l 12. ein fester Stab aus r.i'o·:.·-.! sui]i, das mit Yttrium-Aluminiungranat dotiert ist (i:ä:'jfAG) und bei einer Grundfrequenz von 1,06 Ilikron strahlt. Die -Puiipouelle 13 zur Anregung diesen 1 laterials kann eine Xryp-':onlai.ipe coin, die durch eine GIeiehspannungsquelle ^enpcirt vrirdc 'Jir .Jpic^el 14 und 15 können beide flach oder ge- !".·■':r.'t sein, raicli k<\:ri ein »jpio£;el flach, dei"1 andere gekrümmt c·::.:.--r "Oic ,jpiccol I'i luicl 13 bestehen jov/eils aus einer nehr-,"■c"..licht igen, diclektriGchen Anordnung auf einer geeigneten Unter- :-;v. Der Spiegel 14 hat bei der Grundireque-ηε" und bei der zv/eiten :-.:v ionischen einen Ueflexionsgrad von ca, 100:"'. Der andere Spiegel i„" i.at bei der Grunüireoueiiz einen .-.eflexionsgrad von ca. 100ii, j·':·.", dor z\rcit:ii Harmonischen ist er jedoch zumindest teilweise in... vorzugsweise Möglichst zu 100/ί durchlässig. Das Licht der z\.v.iv...-n Ilar:ionischen kann daher durch den Spiegel 15 aus der rA:-:'.t.;n optischen Hammer austreten, jedoch nicht das Licht der Grundfrequenz.> .: L ^ ccri-ir-.tcri-il 12:; -;.: - n a solid, liquid- 'cG or gaseous I r.-i; -i.-ial pein, which has been made to shine can. The inii.; Oruollc 13 can be built up 3.11 of known forms and must enable `` Jx λ: irof.-iun ;; dos -related teaching material 12. ; v. ; .. <-; · ■ ic-? US \ 7cisc can dan Lasenlaterir.l 12. a solid stick of r.i'o ·:. · -.! sui] i, which is doped with yttrium aluminum garnet (i: ä: 'jfAG) and emits at a fundamental frequency of 1.06 microns. The -Puiipouelle 13 to excite this one laterials, a Xryp - ': onlai.ipe coin, by a GIeiehspannungsquelle ^ enpcirt vrirdc' Jir .Jpic ^ el 14 and 15 both of which can be flat or overall "· ■ ': r!. .'t be, raicli k <\: ri a »jpio £; el flat, dei" 1 other curved c · ::.: .-- r "Oic, jpiccol I'i luicl 13 consist of one nehr - "■ c" .. light weight, diclektriGchen arrangement on a suitable sub: -; v. the mirror 14 has in the Grundireque-ηε "and nits in the zV / - .: v ionic one Ueflexionsgrad of ca, 100: "'. The other mirror in the Grunüireoueiiz has a degree of reflection of approx. The light of the z \ .v.iv ...- n Ilar: ionic can therefore exit through the mirror 15 from the rA: -: '. t.; n optical hammer, but not the light of the fundamental frequency.
Der Generator U für die zweite Harmonische empfängt Licht von de..; Laseruatcrial 12 (uit Grundfrecuens) und erzeugt eine zweite "irnonische dieses Lichtes.The second harmonic generator U receives light from de ..; Laseruatcrial 12 (uit Grundfrecuens) and generates a second "Irnonian of this light.
Der Generator 16 für die zweite Harmonische enthält einen lolaris".""."':or 17, der das durch das Lasermaterial 12 empfangene Licht ^lan^olarisicrt. Ferner ist ein nicht linearer elektro-optischer !kristall 1c vorgesehen.The second harmonic generator 16 includes a lolaris "." "." ': Or 17, which lan ^ olarisicrt the light received by the laser material 12. Furthermore, it is a non-linear electro-optical ! crystal 1c provided.
Der Polarisator 17 kann beispielsvreise ein Glan-Thompson-Polarisationselement sein« Das von dem Lasermaterial 12 abgegebene Licht fällt durch den Polarisator 17 und tritt in der Richtung A planpolarisiert aus. Ist das Lasermaterial 12 ein Stoff, der bcrciv.s planpolarisiertes Licht abgibt, (d.h. ein llubinkristall), so kair.i der Polarisator 17 entfallen.The polarizer 17 can, for example, be a Glan-Thompson polarizing element The light emitted by the laser material 12 passes through the polarizer 17 and passes in the direction A plane polarized. If the laser material 12 is a substance that emits plane-polarized light (i.e. a llubine crystal), so kair.i the polarizer 17 is omitted.
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Der nicht lineare elektro-optische Kristall 18 ist geschliffen, orientiert und. hinsichtlich der Temperatur so eingestellt, daß er das Licht der Grundfrequenz, das in einer Richtung -planpolarlslert ist, aufnimmt und eine zweite Harmonische dieses Lichtes erzeugt, die rechwinklig zur Polarisation der Grund-schwingung planpolarisiert ist. Beispielswelse kann ein Kristall 18 aus Lithiumniobat (LiIIbQ-) bestehen und eine Größe von ca. 4 cm χ 4^ cm zz 12 cm haben, wobei die längste Kante in Richtung der Achse B der optischen" Kammer liegt» Die temperatureinsteilung ist auf 170 C vorgenommen. Der Kristall 18 wird auf die jeweils richtige Temperatur erhitzt und mit einem Heizer 19 auf dieser Temperatur gehalten. Der Heizer 19 kann ein an einer Seite offener Ofen sein. Wird das planpolarisierte Licht der Grundfrequenz durch den Kristall IS geleitet, so wird planpolarisier"besv Licht der zweiten Harmonischen erzeugt. Das Grundfrequenzlicht und das Licht der zweiten Harmonischen treten aus dem Kristall In einer Richtung längs der optischen Achse B aus. Das Licht der Grundfrequenz tritt aus dem Kristall 18 planpolarisiert in derselben Richtung A aus, die es beim Eintritt in den Kristall 18 hatte« Das Licht der zweiten Harmonischen tritt aus dem ICristall 18 in einer Richtung planpolarisiert aus, die durch den Pfeil F bezeichnet Ist, Es ist zu erkennen, daß das Licht der zweiten Harmonischen rechtwinklig zur Polarisationsrichtung der Grundfrequenz strahlung polarisiert ist.The non-linear electro-optic crystal 18 is cut, oriented and. set with regard to the temperature so that it absorbs the light of the fundamental frequency, which is plane-polarized in one direction, and generates a second harmonic of this light, which is plane-polarized at right angles to the polarization of the fundamental. Example catfish, a crystal 18 of lithium niobate (LiIIbQ-) and have a size of approximately 4 cm χ 4 ^ cm zz 12 have cm, wherein the longest edge in the direction of the axis B of the optical "chamber is" The temperature one division is at 170 C The crystal 18 is heated to the correct temperature in each case and kept at this temperature with a heater 19. The heater 19 can be an oven open on one side. bes v second harmonic light is generated. The fundamental frequency light and the second harmonic light emerge from the crystal in a direction along the optical axis B. The light of the fundamental frequency exits the crystal 18 plane polarized in the same direction A that it had when it entered the crystal 18. The light of the second harmonic exits the IC crystal 18 in a plane polarized direction, which is indicated by the arrow F, It can be seen that the light of the second harmonic is polarized radiation at right angles to the polarization direction of the fundamental frequency.
Elektroden 20 und 21 sind an der Oberseite und der Unterseite des Kristalls 18 angeordnet und mit der modulierenden Signalquelle 22 verbunden, Diese liefert ein variables elektrisches Signal an die 131 ektröden 20 und 21. Das Signal erzeugt ein elektrisches Feld im Kristall 18, das senkrecht zur optischen Achse B gerichtet ist.Electrodes 20 and 21 are on the top and bottom of the crystal 18 and with the modulating signal source 22 connected, this provides a variable electric Signal to 131 electrodes 20 and 21. The signal generates a electric field in crystal 18, which is perpendicular to the optical Axis B is directed.
Der Kristall 18 ist geschliffen., orientiert und hinsichtlich der Temperatur so eingestellt, daß eine optimale Phasenanpassung bei Fehlen eines Signals, von der Signalquellc 22 erfolgt (dies entspricht der Spannung O)* Befindet sich der Kristall in seinem optimalen Phaseiianpassungszustanä, so ist der BrechungsindexThe crystal 18 is cut., Oriented and with regard to the Temperature adjusted so that an optimal phase adjustment in the absence of a signal from the Signalquellc 22 takes place (this corresponds to the voltage O) * the crystal is in his optimal phase matching condition is the refractive index
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bei der Grundfrequenz gleich dem Brechungsindex bei der zweiten Harmonischen. Bios kann folgendermaßen mathematisch ausgedrückt wordenat the fundamental frequency equal to the refractive index at the second Harmonics. Bios can be expressed mathematically as follows
wobei O^ = Grundfrequenzwhere O ^ = fundamental frequency
£cu = zweite Harmonische£ cu = second harmonic
— ordentlicher Brechungsindex bei der Grundfrequenz - decent index of refraction at the fundamental frequency
^* außerordentlicher Brechungsindex bei der zweiten Harmonischen ist.^ * extraordinary refractive index at of the second harmonic.
Die Kohärenzliinge 1 wird durch die folgende Formol angegeben:The coherence line 1 is given by the following formula:
wobei Λ die Grunclwellenlähge ist und den Wert Unendlich hat. ¥emi ein Signal (Spannung) der Signalquelle 22 an den Kristall 18 angelegt wird, so wird eine Änderung des Brechungsindex im Kristall 10 erzeugt, so daß "}le.(^w) nicht mehr gleich 1^o(U?where Λ is the basic wave length and has the value infinite. If a signal (voltage) from the signal source 22 is applied to the crystal 18, a change in the refractive index is generated in the crystal 10, so that " } le. (^ W ) no longer equals 1 ^ o (U?
ist und die Erzeugung der zweiten Harmonischen unter den optimalen Wert liegt« Wird das signal erhöht, bis "*Ie.^*O ~ Il*0**} * TT ist, wobei L die lange Achse des Kristalls 10 ist, so ist die Phasenanpassung vollständig gestört, und es wird kein Licht der zweiten Harmonischen abgegeben. Unter diesem Abstand ist die Kohärenzlänge 1 = —75— °and the generation of the second harmonic is below optimal Value is «If the signal is increased until" * Ie. ^ * O ~ Il * 0 **} * TT where L is the long axis of crystal 10, it is Phase matching is completely disturbed and no second harmonic light is emitted. Below this distance is the coherence length 1 = —75— °
■ Die zur vollständigen Störung der Phasenanpassung (keine .Erzeugung der zweiten Harmonischen) erforderliche Spannung beträgt ca. 100 Volt für einen Kristall aus Lithiumniobat, der in oben beschriebener Weise bemessen und orientiert ist. Ein variables Signal zwischen-0 Volt und ca. 1000 Volt liefert daher einen Modulationsgrad von 100^o, wobei das Licht der zweiten Harmonischen in maximaler Intensität bei 0 Volt (kein Signal) erzeugt wird ο■ The one to completely disrupt the phase adjustment (no generation of the second harmonic) required voltage is about 100 volts for a crystal of lithium niobate, which in above is sized and oriented as described. A variable signal between -0 volts and approx. 1000 volts therefore provides one Degree of modulation of 100 ^ o, the light being the second harmonic is generated in maximum intensity at 0 volts (no signal) ο
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Da beide Spiegel 14 und 15 für die Grundfrequenz einen Reflexions faktor von ca. 100^ haben, lauft das Licht der Grundfroquenz innerhalb der optischen Kammer vor und zurück Lind kann nicht austreten. Da der Spiegel 15 jedoch zumindest teilweise für die'zweite Harmonische durchlässig ist, tritt auch zumindest ein Teil der Strahlung der zweiten Harmonischen aus der optischen Kammer aus. Das austretende Licht hat die Richtung 3 der Kairnerachseo Der Laser 11 gibt also eine araplitudenmodulierte Strahlung mit einer Frequenz ab% die der zweiten llarnonisehen der Grundfrequenz entspricht.Since both mirrors 14 and 15 have a reflection factor of approx. 100 ^ for the fundamental frequency, the light of the fundamental frequency travels back and forth within the optical chamber and cannot escape. However, since the mirror 15 is at least partially transparent to the second harmonic, at least part of the radiation of the second harmonic also emerges from the optical chamber. The emerging light is in the direction of 3 o Kairnerachse The laser 11 is therefore a araplitudenmodulierte radiation having a frequency from that of the second llarnonisehen% corresponds to the fundamental frequency.
Anstelle von Lithiumniobat kann auch ein anderer nicht linearer,' elektro-oiotischer Kristall zur Erzeugung des Lichtes der zweiten Harmonischen verwendet sein, wenn dieser in richtiger v/eise temperatureingestellt, geschliffen und orientiert ist. Beispielsweise" kann der Kristall 13 ein Kristall aus Kaliundihydrogenphosphat (KDP) sein, der gemäß der US-Patentschrift 3 409 319 temperatureingestellt, geschliffen und orientiert ist.Instead of lithium niobate, another non-linear, ' electro-oiotic crystal to generate the light of the second Harmonics can be used if this is correctly temperature-adjusted, ground and oriented. For example" For example, the crystal 13 can be a crystal of potassium dihydrogen phosphate (KDP), which is disclosed in US Pat. No. 3,409,319 temperature adjusted, ground and oriented.
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