DE2163439A1

DE2163439A1 - Optischer Frequenzsender

Info

Publication number: DE2163439A1
Application number: DE19712163439
Authority: DE
Inventors: Herwig Werner Fair Haven; Shank Charles Vernon Laurence Harbor; N.J. Kogelnik (V.StA.). HOIs 3-22
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-12-22
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1972-07-13
Also published as: FR2118975B1; CA954616A; IT943300B; DE2163439C3; FR2118975A1; DE2163439B2; US3760292A; SE375411B; BE776865A; GB1354928A; NL7117576A; NL173581C; JPS5336319B1

Description

V/ESTERN ELECTRIC COMPANY INC. Kogelnik 19/20-4/5

NEW YORK

Optischer Frequenzsender

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Frequenzsender mit einem stimulierbaren Medium, das bei Anregung durch eine geeignete Anregungsquelle Schwingungen erzeugt.

Optische Sender mit stimulierbarem Medium (Laser-Oszillatoren) bestehen im allgemeinen aus einem stimulierbaren Medium, welches eine Verstärkung bewirkt, und einer Resonator-Anordnung, die zum Erzeugen des gewünschten Schwingungsaufoaus eine Rückkopplung bildet. Die Resonator-Anordnung kann eine von mehreren Ausführungsformen annehmen. Die übliche Ausführungsform besteht in einem Spiegelpaar, von denen jeweils einer an jedem Ende des stimulierbaren Mediums angeordnet ist und welche die optische Energie in das stimulierbare Medium reflektieren. Die Spiegel können eben oder in der Praxis häufiger konkav ausgebildet sein; im lebzteren Fall wird ein Fokussiereffekt realisiert. In praktisch allen Fällen sind die Ausrichtung der Spiegel und deren Abstand in gewissem Umfang kritisch. Außerdem gibt das mechanische Problem der Aufrechterhaltung der Ausrichtung und des Abstandes unter Betriebsbedingungen Anlaß zu komplexen und kostspieligen Anordnungen,, Es ist ferner in der Regel wünschenswert, daß die von den Spiegeln in den einfallenden Lichtstrahl

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eingeführten Verluste auf einem Minimalwert gehalten werden. Spiegel mit geringen Verlusten, z. B. dielektrische Spiegel, sind nicht nur kostspielig, sondern auch empfindlich und störanfällig.

Im Falle von Festkörper-Lasern kann der Resonator durch Verspiegelung bzw. Versilbern der Enden des stimulierbaren Festkörpermediums gebildet werden. Diese Enden müssen jedoch extrem eben und parallel oder bei gekrümmter Spiegelausfuhrung sorg- W fältig auf die geeigneten Radien und Glätte geschliffen werden.

Ein weiterer Nachteil derartiger Resonator-Anordnungen ergibt sich aus der Tatsache, daß der Resonator notwendigerweise eine Länge von mehreren Wellenlängen besitzen muß. Aus diesem Grunde existieren mehrere Oszillator-Eigenschwingungen innerhalb des Resonators, »die zu einer Verbreiterung des Spektralbandes des Laser-Ausgangsignales führen. Einige der Ausrichtprobleme konnten bekanntlich durch Verwendung von Prismen, z. B. Dach- oder Kantenfc prismen zur Bildung der Resonator—Reflektoroberflächen ausgeräumt werden. In einigen Fällen konnten mit diesen Maßnahmen auch ausreichend schmale Spektralbandbreiten erzielt werden. Derartige Prismen sind jedoch mit dem gewünschten Präzisionsgrad ziemlich schwierig herzustellen und demgemäß teuer.

Die vorliegende Erfindung überwindet die oben angegebenen Probleme durch die Eliminierung des Resonators als solchen. Die

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Erfindung besteht im Prinzip darin, daß das stimulierbare Medium in einem optischen Frequenzsender in Längsrichtung im wesentlichen zeitlich konstante, räumlich periodische Störungen in seinen Übertragungscharakteristiken aufweist.

Bei der Erfindung wird die für die Schwingungserzeugung maßgebliche Rückkopplung durch im wesentlichen zeitlich konstante, räumlich periodische Störungen in den Transmissionscharakteristiken des Mediums in dessen Längsrichtung hervorgerufen, wobei die Störungen in Form von Änderungen der Verstärkung, des Brechungsindexes, der Fortpflanzungskonstante oder anderer Mediumparameter vorgesehen sein können. Eine solche verteilte, integralere Kopplungsanordnung ist von Natur aus mechanisch stabil und außerdem wegen der gitterartigen Struktur der Rückkopplungsanordnung von einer Filterwirkung begleitet, welche die spektrale Bandbreite im Vergleich zu herkömmlichen Rückkopplungs-Anordnungen drastisch einengt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das laser-aktive Medium einen Film aus dichromierter Gelatine auf, der auf eine Glasunterlage aufgebracht und mit einem Farbstoff mit Lasereigenschaft getränkt ist. In der Gelatineschicht ist ein Interferenzmuster vorhanden, das mit Mitteln der Holographie gebildet ist, wodurch im Inneren des Mediums eine zeitlich konstanteräumliche Modulation des Brechungsindexes des stimulierbaren Mediums hervorgerufen wird. Wird der Laser durch geeignete Mittel oberhalb des Oszillations-Schwellenwerts angeregt, so liefert

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er Schwingungen in einem extrem schmalen Sprektalband.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung werden im wesentlichen zeitlich konstante, räumlich periodische Störungen in den Transmissionscharakteristiken des Lasers durch periodische Verstärkungsänderungen, periodische Belastung des Mediums oder periodische Deformationen, insgesamt in verschiedenen stimulierbaren Medien hervorgerufen.

% Allen illustrativen Ausführungsformen der Erfindung ist eine im wesentlichen zeitlich konstante, räumliche Periodizität in den Übertragungscharakteristiken des aktiven Mediums gemeinsam.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

FIG. 1 eine schematische Darstellung mit den Prinzipien der

vorliegenden Erfindung;
FIG. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der

Brech-ungsindex geändert wird; FIG. 3, 4 und 5 Ausführungsformen der Erfindung mit geändertem

Verstärkungsmechanismus;
FIG. 6 und 7 Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die

Fortpflanzungskonstante geändert wird;

FIG. 8 eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf einen parametrischen Oszillator.

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In Fig. 1 ist schematisch ein Laser 11 mit verteilter Rückkopplung und eine geeignete Anregungsvorrichtung 12 dargestellt. Der Laser 11 hat eine periodische räumliche Änderung mit der Periode A j wobei die periodische Änderung in verschiedener Form vorliegen kann, so z. B» in Form einer Änderung.des Brechungsindexes η des Mediums oder als Änderung der Verstärkungskonstante e£ . Diese Änderungen können ausgedrückt werden durch

n(z) = η + n. cos Kz (1)

oC(z) * ^+Ot₁ cos Kz (2)

wobei ζ in Richtung der optischen Achse gemessen ist, K = 2v/A und n. und öl., die Amplituden der räumlichen Modulation der Periode A sind. Wenn das stimulierbare Medium in einem solchen Laser auf einen Wert oberhalb eines Schwellenwerts von der Anregungsquelle 12 angeregt wird, so schwingt er in der Nähe einer Wellenlänge A , welche durch die Gleichung

*o/2n « A (3)

gegeben ist, welche Bragg'sehe Rückstreuung darstellt.

Zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung sei eine Eingangswelle angenommen, welche in der in Fig. 1 dargestellten Weise auf den Laser 11 fällt. Die in der Zeichnung von links nach rechts wandernde Welle begegnet der Reihe nach jeder Transmissions- bzw. Übertragungsänderung, wobei jeweils ein Teil der Welle zurückgeworfen wird, wodurch eine von rechts nach links wandernde Welle entsteht. Diese Welle ist ihrerseits

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periodischen Teilreflektionen unterworfen, welche die ursprüngliche Welle verstärken. Es gibt daher ein gekoppeltes Wellenphänomen der Form

E = R(_Z)

l^Kz

^{S(Z) e 2}

welches zwei gegenläufige Wellen komplexer Amplituden R und S definiert. Wie in der graphischen Darstellung nach Pig. I gezeigt ist, nehmen diese Wellen bei Vorhandensein einer Verstärkung zu und führen einander Energie zu. Die Randbedingungen für die Wellen-

fc amplituden sind gegeben durch

R(-L/2) » S(L/2) = 0 (5)

wobei L die Länge des Laserkörpers ist. In einem optischen Sender mit stimulierbarem Medium (Laser-Oszillator) geht eine Welle mit der Amplitude Null an den Endpunkten aus und wächst auf eine Maximalamplitude am gegenüberliegenden Ende. Jedes Paar periodischer Änderungen kann als Resonator der Länge /\ angesehen werden, wobei die Endflächen teildurchlässig und teilreflektierend W sind. Daher kann die in Fig. 1 dargestellte Anordnung als Vielzahl von Teilresonatoren in Tandemanordnung angesehen werden.

Für große Verstärkungsfaktoren, d. h. bei

G = exp (2<«L)^ 1 (6)

ist die Oszillations-Anfangsbedingung, d. h. der Schwellenwert, gegeben durch

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Wenn nur der Brechungsindex moduliert wird (Gleichung (I)), so wird die Schwellenwertbedingung

η _ —9. ^{1 L}

Wenn nur die Verstärkung moduliert wird, so ergibt sich die Schwellenwertbedingung durch

Die spektrale Bandbreite des Laser-Ausgangssignals kann durch lineare Analyse aus der obigen Entwicklung geeignet bestimmt werden. Wenn z. B. der Verstärkungsfaktor G den Schwellenwert bei der Mittenfrequenz um einen Faktor von 2 übersteigt, so wird der Schwellenwert über eine spektrale Bandbreite Δ λ ausgedehnt, die gegeben ist durch

A₀ WnL ■"■"" (10)

Tatsächlich suchen nicht lineare Effekte die Bandbreite noch weiter einzuengen. Als Beispiel sei eine Einrichtung der Länge L = 10 mm, G = 100 und A = 0,63 jjm (Mittenfrequenz) angenommen. Aus der Gleichung (8) ist zu sehen, daß der Laser schwingt, wenn n^ 2> 10~ und aus Gleichung 10 ergibt sich, daß die Bandbreite Δλ & 0,IA ist. Eine solche Bandbreite liegt um wenigstens

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eine Größenordnung unterhalb derjenigen herkömmlicher Farbstoff-Laser.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Laserkörper einen dichromierten Gelatinefilm 21 aufweist, der beispielsweise auf einer Glasunterlage 22 aufgebracht ist. Im Film 21 sind mehrere Inteferenzebenen 23 von Brechungsindexänderungen mit einem gegenseitigen Abstand Λ angeordnet. Die Ebenen 23 können in der Gelatine durch Interferenz zwischen zwei

P Kohärenten ultravioletten Strahlen beispielsweise von einem He-Cd-Laser erzeugt werden, worauf die Gelatine entwickelt wird. Dies ist eine holographische Methode, welche dem auf dem vorliegenden Gebiet tätigen Fachmann bekannt ist und zeitlich konstante, räumlich periodische Brechungsindexänderungen in der Gelatine hervorruft. Die Gelatine wird mit einem stimulierbaren Medium, z. B. einem Lasarfarbstoff wie Rhodamin 6G imprägniert. Eine geeignete Anregungsstrahlung, z. B. die von einem Stickstoff-Laser gelieferte ultraviolette Strahlung dient zum Aktivieren

^ des Lasers. In einem solchen Laser einer Länge von 10 mm und einer Breite von 0,1 mm wird der Laser 'bei einem Intacferenzebenen-Abstand /\ von 0,3 jam von Anregungsdichten oberhalb von 10 W/cm bei angenähert 0,63 jam mit einer räumlichen Bandbreite von weniger als 0,5 A zum Schwingen gebracht. Ein ähnlicher Laser erzeugt ohne die periodischen Änderungen des Brechungsindexes wie bei der Ausführung gem. Fig. 2 Schwingungen bei einer Mittenfrequenz von angenähert 0,59 jam mit einer Bandbreite von ange-

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ο
nähert 5OA. Daraus ist zu ersehen, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 eine Linienkomprimierung um einen Faktor von 100 hervorgerufen wird.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Festkörper-Laser-Medium 31 wie z. B. ein mit NeodymJ*Hn dotierter Yttrium-Aluminium-Granat, ein im wesentlichen zeitlich konstantes, räumlich periodisches Interferenzmuster aufweist, das durch die Interferenz zwischen unter einem Winkel zueinander gerichteten Anregungs-Lichtstrahlen von ersten und zweiten kohärenten Anregungsquellen 32 und 33 erzeugt ist, wodurch eine periodische Verstärkungsänderung hervorgerufen wird. Die beiden dargestellten Anregungsquellen stehen für verschiedene mögliche Anordnungen. Ein zweckmäßiger Weg zur Erzielung der gewünschten Frequenz- und Phasen-Beziehung der beiden Strahlen besteht in der Verwendung einer einzigen Anregungsquelle, deren Ausgangssignal mit Hilfe einer Spiegelanordnung in zwei Strahlen aufgeteilt wird, wobei die beiden Strahlen in das Medium unter den gewünschten Winkeln gerichtet werden. Eine geeignete Wahl der Wellenlänge der Anregungsstrahlung und der Richtung der beiden Strahlen ergibt den gewünschten Abstand Λ· Die Ausgangstrahlung des Lasers kann in irgendeiner geeigneten Weise weiter verwendet werden, z. B. in einem Verbraucher 34. Die Anordnung gem. Fig. 3 hat den zusätzlichen Vorteil der Durchstimmbarkeit, da Änderungen des Winkels θ Änderungen bezüglich /y hervorrufen, wodurch die Laser-Wellen-

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- ίο -

länge variiert werden kann.

Aus der Gleichung (3) ist zu ersehen, daß die Wellenlänge ^ der Schwingung eine Funktion des Brechungsindexes η des Mediums ist. Daher kann ein Durchstimmen bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 3 für ein festes Λ auch durch Änderung von η erreicht werden, sofern die Art des verwendeten Mediums dies gestattet. So kann beispielsweise der Brechungsindex in einem Farbstofflaser, in welchem der Farbstoff Rhodamin 6G ist und das Lösungsmittel aus einem Gemisch aus Methanol und Benzylalkohol besteht, leicht von 1,33 bis 1,55 geändert werden, indem die Anteile der Lösungsmittelbestandteile geändert werden. Bei einer Anordnung, wie diejenige gem. Fig. 3, ändert eine Änderung von 0,01 des Brechungsindexes η bei einem festen Winkel θ von angenähert 107,6°^ um angenähert 43A bei einer Farbstoffkonzen-

— 3

tration von 1 χ 10 M.

Periodische Anregungsänderungen, ähnlich denjenigen gem. Fig. 3, ψ können auch bei der Anordnung gem. Fig. 4 realisiert werden, bei der ein optisches Gitter an oder in der Nähe von einem von verschiedenen möglichen Lasermedien 41 angeordnet ist, wobei das optische Gitter 42 in dem Medium periodische Intensitätsänderungen der von der Anregungsquelle 43 gelieferten Anregungsenergie hervorruft.

In einem Halbleiterlaser können die Anregungsperiodizitäten gem. den Fig. 3 und 4 mit Hilfe der Anordnung gem. Fig. 5 er-

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reicht werden. Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform weist einen Halbleiter-Laser 51 aus einem geeigneten Material auf, das auf einem Substrat 52 angebracht ist. Auf einer Oberfläche des Bauteils 51 liegt eine Strommaske 53, welche den von einer Stromspeiseelektrode 54 gelieferten Anregungs- oder Erregerstrom nur durch Öffnungen 56 eintreten läßt, die mit einem gegenseitigen Abstand A angeordnet sind. Die Wirkung dieser Ausführungsform besteht darin, eine periodische Verstärkungsänderung im Inneren des Halbleiter—Laserbauteils 51 hervorzurufen.

Die zuvor beschriebenen Auεführungsformen der Erfindung basieren zur Erreichung der gewünschten Ergebnisse auf Änderungen des Brechungsindexes oder der Verstärkung. Es ist außerdem möglich, einen die erfindungsgemäßen Prinzipien benutzenden optischen Sender mit stimulierbarem Medium durch räumlich periodische Änderungen der Fortpflanzungskonstante β des stimulierbaren Mediums herzustellen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Einrichtung gem. Fig. 6 weist ein stimulierbares Medium 61 in Form einer Dünnschicht auf, die beispielsweise aus Neodym dotiertem, auf einem geeigneten Substrat 62 aufgebrachten Hoch—Index—Glas besteht. Eine Anregungsenergiequelle 63 dient zum Anregen des stimulierbareri Mediums 61. Auf der Oberfläche des Mediums 61 sind mehrere dielektrische Elemente 64 beispielsweise aus Glas angeordnet, die sich parallel zueinander

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über das Medium 61 erstrecken. Die Elemente 64 sind mit einem gegenseitigen Abstand A voneinander entfernt angeordnet und erzeugen mit Hilfe des Mechanismus der dielektrischen Aufladung Änderungen der Fortpflanzungskonstante ß des Dünnschicht-Bauteils 61, wobei die Änderungen einen gegenseitigen Abstand /\ voneinander haben.

In der Fig. 7 ist eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 6 gezeigt. Ein Dünnschicht-Bauteil 71 aus einem geeigneten stimu- h lierbaren Material ist auf einem geeigneten Substrat 7 2 angebracht oder niedergeschlagen. Eine Anregungsquelle 73 liefert Energie in das Medium 71. Entsprechend den Prinzipien der Erfindung weist eine Oberfläche des Bauteils 71 mehrere Dickenänderungen 74 mit einer Periodizität /\ auf. Diese Änderungen rufen ihrerseits Änderungen in der Fortpflanzungskonstante ß des Mediums mit der Periode /\ hervor.

In Fig. 8 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Prinzipien der Erfindung in einem parametrischen Oszillator angewendet werden. Ein Bauteil 81 aus geeignetem Material, z. B. aus Lithiumniobat wird von einem Ende aus mit Hilfe eines Pumplasers 82, z. B. eines Krypton-Ionenlasers, der Licht im roten Bereich des Spektrums emittiert,gepumpt. Im Bauteil 81 wird eine zeitlich konstante, räumlich periodische Änderung des Brechungsindexes mit Hilfe der Interferenz zwischen zwei von Hilfslasern und 84 gelieferten kohärenten Strahlen hervorgerufen, wobei die

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beiden Strahlen unter einem Winkel θ zueinander in das Medium 81 gerichtet sind. Wie im Falle der Anordnung gem. Fig. 3 soll ein Paar von Strahlquellen symbolisch für zahlreiche andere mögliche Anordnungen stehen. Tatsächlich bildet eine einzige Quelle mit einer Strahlaufteiler- und Scheren-Anordnung vielleicht die zweckmäßigste Anordnung zur Gewährleistung der geeigneten Phasen- und Frequenzbeziehungen zwischen den beiden Strahlen. Das Interferenzmuster wird im Medium durch den bekannten "Stör-" Mechanismus geschaffen, der in Lithiumniobat beispielsweise dann auftritt, wenn dieses kohärenter Bestrahlung unterworfen wird.

Bei parametrischen Schwingungen kann die Periode A des Interferenzmusters so gewählt werden, daß die Idler-Welle rückgekoppelt wird. Daher kann bzw. können der bzw. die Hilfslaser 83, 84 Argon-Ionenlaser sein, welche Licht im ultravioletten Bereich des Spektrums emittieren. Andererseits kann A so gewählt sein, daß die Signalfrequenz rückgekoppelt wird, oder in gewissen Fällen kann A auch derart vorgesehen sein, daß sowohl die Signal- als auch die Idler-Wellen rückgekoppelt werden.

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Claims

Patentansprüche

1/ Optischer Frequenzsender mit einem stimulierbaren Medium, das bei Anregung durch eine geeignete Anregungsquelle Schwingungen erzeugt,

dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium in Längsrichtung im wesentlichen zeitlich konstante, räumlich periodische Störungen in seinen Übertragungscharakteristiken aufweist.
2. Optischer Sender nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Periodizität der Störungen definiert ist durch

a_o/2n » Α

wobei /\ die Periode, ^ die Wellenlänge der Schwingungen und η der Brechungsindex des stimulierbaren Mediums ist.
3. Optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungen in der Form von

n(z) = η + n^ cos Kz

vorliegen, wobei ζ die entlang der optischen Achse des Senders gemessene Entfernung, n. die Amplitude der räumlichen Modulation der periodisch räumlichen Änderung der Periode /\ und K gleich 2 Tf/Λ ist.

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4. Optischer Sender nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungen die Form

(K (z) = Λ.+ {χ, cos Kz

haben, wobei (K. die Verstärkung des stimulierbaren Mediums, ζ die längs der optischen Achse des Senders gemessene Entfernung, ■JG. die Maximalver Stärkung des stimulierbaren Mediums und K gleich 2 T/Λ ist.
5. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen zeitliche konstante, räumlich periodische Störungen in dem aktiven Medium hervorgerufen werden, wenn Anregungsenergie in einem Winkel zur Richtung der von der geeigneten Anregungsquelle gelieferten Anregungsenergie in das aktive Medium eintritt.
6. Optischer Sender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unter einem Winkel zur Richtung der von der geeigneten Anregungsquelle gelieferten Anregungsenergie in das aktive Medium eintretende Anregungsenergie mit zwei unter einem Winkel zueinander stehenden Strahlen in das Medium gerichtet wird.
7. Optischer Sender nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen zeitlich konstante, räumlich periodische Störungen in dem stimulierbaren Medium

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dadurch hervorgerufen werden, daß Anregungsenergie an in Längsrichtung des Mediums mit gegenseitigem Abstand angeordneten Stellen dem stimulierbaren Medium zugeführt wird.
8. Optischer Sender nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beugungsgitter an dem stimulierbaren Medium angeordnet ist, das sich in Längsrichtung des Mediums erstreckt.
k 9. Optischer Sender nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine über die Länge des stimulierbaren Mediums verlaufende, mit Öffnungen versehene Maske vorgesehen ist.
10. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch g e kennze lehnet, daß die räumlich periodischen Störungen solche der Fortpflanzungskonstante des stimulierbaren Mediums in dessen Längsrichtung sind.

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11. Optischer Sender nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich periodischen Störungen der Fortpflanzungskonstante durch mehrere dielektrische Bauteile hervorgerufen werden, die zur periodischen dielektrischen Belastung (loading) des Mediums mit gegenseitigem Abstand in der Längsrichtung des stimulierbaren Mediums angeordnet sind.

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