DE2165270A1

DE2165270A1 - Vorrichtung zur optischen verstaerkung eines kohaerenten signals

Info

Publication number: DE2165270A1
Application number: DE2165270A
Authority: DE
Inventors: Claus Aberle; Wolfgang Dr Friedl
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1971-12-29
Publication date: 1973-07-12
Also published as: US3828264A; DE2165270B2; GB1383682A; JPS4878895A

Description

P 71/24

22.12.71 sdt/Fs

ELTEO GMBH & CO., GESELLSCHAFT FÜR STRAHLUNGSTECHNIK 69 Heidelberg, Kurpfalzring 106

Vorrichtung zur optischen Verstärkung eines kohärenten Signals

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Verstärkung eines kohärenten Signals mit einem aus einem Fiberbündel bestehenden Laser, dessen einzelne Fasern gemeinsam optisch gepumpt werden.

Es sind Vorrichtungen bekannt, die zur optischen Verstärkung oder"auch zur Erzeugung einer kohärenten Strahlung einen Laser benutzen, dessen aktiver Teil aus einer einzelnen Fiber besteht, die optisch gepumpt wird. Eine solche Vorrichtung ist z.B. in der US-Patentschrift 3»395»366 beschrieben, bei der die Fiber sich an ihren Enden kegelförmig erweitert und von einer Umhüllung aus lichtdurchlässigem Material umgeben ist, Die Pumplichtquelle ist wendelförmig um die Fiber angeordnet.

In einer solchen Vorrichtung stellen die zur Superstrahlung verstärkten spontanen Emissionen eine Rauschquelle dar, die auch zur teilweisen Entleerung des für die Signalverstärkung maßgebenden Energieniveaus beiträgt.

Es ist auch bereits eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der der Laser nicht aus einer einzelnen Fiber, sondern aus einem Bündel von Fibern besteht, die gemeinsam von einer parallel zu ihnen angeordneten Lichtquelle gepumpt iverden. Ein solcher Laser ist in der US-Patentschrift 3,4-71»215 dargestellt. Gegenüber einem aus einem .Stab bestehenden Laser hat er den Vorteil, daß sich die Kühlung des aktiven Materials leichter bewerkstelligen läßt, da zwischen den einzelnen Fibern des Bündels ein Kühlmittel strömen kann. Ferner läßt sich infolge der Flexibilität des Bündels durch eine günstige Geometrie der Wirkungsgrad des optischen Pumpens verbessern.

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Ein Fiberbündel liefert Jedoch nicht ohne v/eiteres kohärente Strahlung, und es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugehen, die die Verstärkung eines kohärenten Signals gestattet. Gleichzeitig sollen das durch die verstärkten spontanen Emissionen verursachte Rauschen und die damit gekoppelte Entleerung des betreffenden Energieniveaus reduziert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Fiberbündel von einer Anzahl von Gradientenfibern gebildet wird und daß in der Fourier-Ebene eines dem Fiberbündel nachgeschalteten Objektivs ein der Struktur des Bündels angepaßtes Ortsfrequenzfilter vorgesehen ist.

Ist das zu verstärkende Signal beim Eintritt in das Fiberbündel kohärent, so trifft dies auch für das am Ausgang des Bündels austretende verstärkte Signal zu, da in einer Gradientenfiber, d.h. in einer Fiber, deren Brechungsindex einen Gradienten aufweist, bei konstanter Länge der Fiber auch die optische Weglänge ( n(r) ds konstant ist (n=Brechungsindex, s = Weg, r = senk- . rechter Abstand von der optischen Achse).

Das dem Fiberbündel nachgeschaltete Ortsfrequenzfilter bewirkt, daß bevorzugt solche Wellen der einzelnen Fibern weiterverstärkt werden, die durch gleiche Phasen am Eingang- und am Ausgang des Fiberbündels gekennzeichnet sind. Für diesen Fall der Phasengleichheit erhält man in der Fourier-Ebene des hinter dem Faserbündel angeordneten Objektivs, in der das Ortsfrequenzfilter vorgesehen ist, ein der Struktur des Bündels zugeordnetes Interferenz-Phänomen, das eine Ausfilterung der kohärenten Wellen und eine Dämpfung der inkohärenten Strahlung mit Hilfe des der Bündelstruktur angepaßten Ortsfrequenzfilters ermöglicht. Während also die inkohärente Superstrahlung (d.h..die verstärkten spontanen Emissionen der einzelnen Fibern) das Ortsfrequenzfilter nur teilweise passieren kann, tritt die verstärkte kohärente Signalstrahlung im wesentlichen ungehindert durch das Ortsfrequenzfilter hindurch.

Die Verstärkung des Signals läßt sich noch dadurch erhöhen, daß die kohärente Strahlung mehrmals durch das Fiberbündel hindurchgeschickt wird. Zu diesem Zweck ist die erfindungs-

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gemäße Vorrichtung "beispielsweise mit einer aus zwei Spiegeln "bestehenden Autokollimationseinrichtung ausgerüstet, wobei der eine Spiegel gleichzeitig zur Auskopplung der verstärkten Strahlung dient und daher teildurchlässig ausgebildet ist.

Ein kürzeres Fiberbündel, das durch Autokollimation mehrfach von einem Signal durchlaufen wird, hat gegenüber einem längeren Fiberbündel,durch das die zu verstärkende Strahlung nur einmal hindurchtritt, den Vorteil-, daß das nach dem ersten Durchgang ' verstärkte Rauschen mit Hilfe des Ortsfrequenzfilters zunächst gedämpft wird, bevor es beim zweiten "Durchgang im gleichen Maß.e weiterverstärkt wird wie die kohärente Strahlung. Die Entleerung des für die Verstärkung der kohärenten Strahlung maßgebenden Energieniveaus durch verstärkte spontane Emission wird auf diese Weise reduziert, so daß ein größerer Anteil der Pumpleistung zur Verstärkung des eigentlichen Signals verfügbar bleibt.

Vorteilhaft sind die Endflächen am Eingang und Ausgang des Fiberbündels nicht plan, sondern gekrümmt ausgebildet, um den Einbau weiterer abbildender Elemente reduzieren zu können.

Spielt letzteres keine Eolle, so ist zweckmäßig am Eingang und am Ausgang des Fiberbündels ^e eine Feldlinse derart anzuordnen, daß mittels des dem Fiberbündel nachgeschalteten Objektivs die eine !Feldlinse auf den einen und die andere Feldlinse auf den zweiten Autokollimationsspiegel abgebildet wird. - ·

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Eingang des Fiberbündels, d.h. bei Vorhandensein einer FeIdlinse in der Eintrittspupille ein transparentes Phasengitter angeordnet, das die Aufgabe hat, den von der Eintrittspupille der Vorrichtung erfaßten Strahlungsfluß weitgehend verlustlos auf die Fibern dee Bündels zu übertragen. Ein solches Phasengitter stellt eine zweidimensional-perioöische Phasenstruktur dar, durch die sich das zu verstärkende kohärente Signal beeinflussen läßt, und zwar wird die Strahlungsleistung des Signals an den Eingängen der einzelnen Fibern durch Interferenz verstärkt, während sie zwischen den Fibern geschwächt wird.

Um auch in den höheren Interferenzordnungen ausreichende Strahlungsleistungen zu erhalten, wird vorteilhaft die Phasenstruktur des Gitters so ausgebildet, daß die Vertiefungen klein sind gegenüber der Gitterkonstanten. In der Brennebene der dem

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Fiberbündel nachgeschalteten Teldlinse wird dann vom Ausgang des Bündels eine Interferenzerscheinung erzeugt, die durch scharfe Intensitätsinaxima gekennzeichnet ist, deren Abstände groß sind gegenüber der Ausdehnung der Maxima. Dabei sind die Abstände der Maxima den Gitterkonstanten des Phasengitters und ihre Ausdehnungen den Dimensionen der Gitter-Vertiefungen zugeordnet.

Mittels des Ortsfrequenzfilters, das der vom Bündelausgang erzeugten Interferenzerscheinung angepaßt ist, wird die Strahlungsleistung außerhalb der Interferenzmaxima unterdrückt, so daß ein großer Teil der in dem Fiberbündel durch spontane Emissionen ausgelösten, gegeneinander inkohärenten Superstrahlungen (Rauschen) ausgefiltert wird. Da diese Strahlung in der Ebene des Ortsfrequenzfilters kontinuierlich verteilt ist, kann lediglich der -relativ geringe Anteil der Superstrahlung, der in die Bereiche der Interferenzmaxima fällt, durch das. Filter hindurchtreten.

Eine besondere Anwendungsmöglichkeit für die Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich dann, wenn außerhalb des teildürch-r lässigen Autokollimationsspiegels, der der-Auskopplung des verstärkten kohärenten Signals dient, ein Objektiv angebracht wird, das die ausgekoppelte Strahlung kollimiert. Das gesamte System stellt nunmehr ein Keplersches Laser-Fernrohr dar, bei dem die Divergenz der ausgekoppelten kohärenten Strahlung von dem Durchmesser der Austrittspupille bestimmt wird.·

Es ist Stand der Technik, die optische Übertragung bzw. Ver- · Stärkung von Bildern mittels einzelner Gradientenfibern oder Fiberbündeln vorzunehmen, wobei ausschließlich geordnete Fiberbündel mit homogenem Brechungsindex zur Anwendung gelangen. Entsprechende Einrichtungen und Verfahren sind z.B. in den. . folgenden Literaturstellen angegeben:

1) "Applied Optics and Optical Engineering" von Rudolf Kingslake,

1967, Bd. IV, S. 2 - 23

2) "Fiber-Optics, Principles and Applications" von N.S. Kapany,

1967, S. 200 - 201

3) "Technische Rundschau", Nr. 32, 27.7.1962, S. 2-5

Die Herstellung derartiger Fiberbündel ist ziemlich kompliziert und daher kostspielig. Diesen Schwierigkeiten kann jedoch aus dem Wege gegangen werden, wenn zur optischen Bildverstärkung die Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt wird, bei der es

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möglich ist, das bisher in der Technik verwendete geordnete Fiberbündel durch ein ungeordnetes Fiberbündel zu ersetzen. Dabei wird das Fiberbündel an seinem Ausgang verspiegelt, d.h. es stellt ein Autokollimationsbündel dar. Das am Eingang des Bündels vorhandene Bild, das verstärkt werden soll, tritt dann nach der Autokollimation am Ausgang des Bündels mit entsprechend höheren Strahldichten wieder am Eingang auf und kann durch herkömmliche Mittel (z.B. eine teildurchlässige Platte) ausgekoppelt werden. Eine derartige Vorrichtung läßt sich wesentlich billiger herstellen als die bisher zur optischen Bildverstärkung verwendeten Einrichtungen.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, und zwar zeigen

die Fig. 1 eine Vorrichtung zur optischen Verstärkung ohne Autokollimation und

die Fig. 2 eine Vorrichtung mit Einrichtung zur Autokollimation.

Die Fig. 1 läßt einen aus einem Gradientenfiberbündel 1 bestehenden Laser erkennen, der zur Verstärkung eines kohärenten Signals dient. Sowohl die Eingangsfläche 2 als auch die Ausgangsfläche des Fiberbündels 1 ist gekrümmt ausgebildet. Vor der Eingangsfläche 2 des Fiberbündels ist ein Eingangsobjektiv 4- derart angeordnet, daß die Eintrittspupille der Vorrichtung auf die Fläche 2 abgebildet wird. Hinter dem Fiberbündelausgang befindet sich ein Ausgangsobjektiv 5» dessen Brennebene mit der Ausgangsfläche 3 zusammenfällt. In der Fourier-Ebene dieses Objektivs ist ein Ortsfrequenzfilter 6 vorgesehen, das der Struktur des Fiberbündels 1 angepaßt ist. Zwischen das Eingangsobjektiv 4- und die Eingangsfläche 2 des Fiberbündels 1 ist ein aus zwei Gliedern bestehendes Transformationssystem 7 geschaltet. Ein ähnlich aufgebautes Transformationssystem 8 ist hinter der Ausgangsfläche 3 des Fiberbündels angeordnet, und zwar derart, daß seine beiden Glieder das Ortsfrequenzfilter 6 umschließen. Das gesamte Gradientenfiberbündel 1 ist in ein Kühlsystem eingebettet, von dem nur die Zugangsleitung 9 und die Abgangsleitung dargestellt sind. An Stelle eines Kühlmediums oder gleichzeitig mit diesem kann auch ein ionisierbares Gas zur Erzeugung der Pumpenergie durch das Kühlsystem geleitet werden.

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Wird nun ein zu verstärkendes kohärentes Signal über das Eingangsobjektiv 4 und das Transformationssystem 7 in das Gradientenfiberbündel 1 geschickt, so werden nur diejenigen Wellen der einzelnen Fibern verstärkt» die an der Eingangsfläche 2 und der Ausgangsfläche 3 gleiche Phasen haben. In diesem Falle entsteht in der Fourier*Ebene, in der sich das Ortsfrequenzfilter 6 befindet, eine Interferenzerscheinung, die von der Struktur des Fiberbündels 1 bestimmt ist. Mittels des Ortsfrequenzfilters 6 lassen sich dann die kohärenten Wellen ausfiltern, d.h. sie treten ungehindert durch das Ortsfrequenzfilter 6 hindurch, während die inkohärenten Wellen gedämpft werden.

In der Fig. 2 wird eine Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt, ™ bei der der Grad der Verstärkung der kohärenten Strahlung durch Autokollimation noch bedeutend gesteigert werden kann. Gleiche Bauelemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in der Fig. 1. Vor dem Eingangs objektiv 4 ist ein teildurchlässiger Planspiegel 11 angeordnet, der einen Winkel von 90° mit der optischen Achse der Vorrichtung einschließt. Ein weiterer teildurchlässiger Spiegel 12, der dem Spiegel 11 - in Strahlenrichtung gesehen - vorgeschaltet ist, ist um 45° zu der optischen Achse geneigt und dient zur Auskopplung des verstärkten kohärenten Signals, wie durch einen Pfeil angedeutet. Der Eintritt der zu verstärkenden Strahlung in die Vorrichtung erfolgt ebenfalls durch den Spiegel 12. Hinter dem Aus gangs objektiv 5 befindet sich ein ) zweiter quer zur optischen Achse stehender Planspiegel IJ, der ein nahezu 100 %iges Reflexionsvermögen besitzt. An diesem Spiegel werden die beim Durchgang durch das Fiberbündel 1 und das Ortsfrequenzfilter 6 bereits verstärkten kohärenten Wellen reflektiert und treten wieder in das Fiberbündel ein, wobei sie abermals verstärkt werden. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach mit Hilfe des Spiegels 11, d.h. die beiden Spiegel 11 und 12 bewirken eine Autokollimation der kohärenten Wellen.

- Patentansprüche -

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Claims

P 71/24 sdt/Fs Patentansprüche

1.)Vorrichtung zur optischen Verstärkung eines kohärenten Signals mit einem aus einem Fiberbündel "bestehenden laser, dessen einzelne Fitem gemeinsam optisch·gepumpt werden,, dadurch gekeimzeichnet, daß das Fiberbündel (1) von einer Anzahl von Gradientenfibern gebildet wird und daß in der Fourier-Ebene eines dem Fiberbündel (l) nachgeschalteten Objektivs (5) ein der Struktur des Bündels(l) angepaßtes Ortsfrequenzfxlter (6) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Autokollimation (11,12,13) der verstärkten kohärenten Strahlung vorgesehen ist, die gleichzeitig zur Auskopplung der Strahlung dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und die Ausgangsfläche (2, 3) des Fiberbündels (l) gekrümmt sind.

4-, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang (2) und am Ausgang (3) des Fiberbündels (1) je eine Feldlinse derart angeordnet ist, daß jeweils eine der beiden Feldlinsen durch das dem Fiberbündel (l) nachgeschaltete Objektiv (5) auf je einen Spiegel (11 bzw. 13) der Autokollimationseinrichtung abgebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fiberbündel (l) ein transparentes Phasengitter vorgeschaltet ist, derart, daß die Strahlungsleistung an den Eingängen der einzelnen Fibern durch Interferenz verstärkt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in der Phasenstruktur des Phasengitters klein sind gegenüber dessen Gitterkonstanten.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (11) der Autokollimationseinrichtung teildurchlassxg ausgebildet und diesem ein Objektiv zur Kollimierung der ausgekoppelten Strahlung nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 für die- optische Bildverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß ein ungeordnetes Fiberbündel verwendet wird, das an seinem Ausgang verspiegelt ist.

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