DE2238046A1 - Vorrichtung und verfahren zur synchronisation von schwingungstypen und zur impulskopplung in molekular-verstaerkern - Google Patents

Description

NORTHROP CORPORATION
1800 CENTURY PARK EAST
CENTURY CITY
LOS ANGELES
CALIP. 900 67/USA

Vorrichtung und Verfahren zur Synchronisation von Schwingungstypen und zur Impulskopplung in Molekular-Verstärkern

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz aligemein auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzielen des inneren (d.h. intrakavitären) Gleichlaufs von Schwingungstypen und zur Modulation in einem optischen Molekularverstärker (Laser).. Insbesondere soll gleichzeitig eine intrakavitäre Synchronisation von Schwingungstypen und eine Ausgangskopplung in einem Molekular-Verstärker (Laser) unter Verwendung nur eines einzigen elektrooptischen Kristalls, der sich in einem Laser-Resonatorraum befindet, erreicht werden.

Die Möglichkeit, stabile Ketten kurzdauernder optischer Impulse mit hohen Folgefrequenzen zu erzeugen und sie einzeln oder in irgendeiner gewünschten Folge aus dem Resonanzraum des Lasers

herauszukoppeln, bietet eine ganze Reihe sinnvoller Anwendungsfälle auf dem Gebiet der optischen Kommunikation, für Radar-Systeme und möglicherweise auch für Kernfusionsprozesse, die durch Laserinduzierung ausgelöst werden. Die Naehriehlentheorie bestätigt, daß Informationen in einem optischen Strahl verschlüsselt werden können, indem die Folge, in der die Impulse erscheinen oder nicht erscheinen, gesteuert wird. Die dem Stand der Technik entsprechenden Laser-Systeme weisen beim ijetrieb im langwelligen Infrarot-Bereich verschiedene Vorteile auf. Bei der Anwendung in optischen Radar-Vorrichtungen führt die Möglichkeit der Erzeugung kurzdauernder Impulse zu Verbesserungen in der Auflösung und in der Bestimmung von Zielobjekten. Für Fusionsprozesse, die von Lasern induziert werden, ist die Erzeugung kurzdauernder Impulse mit hoher Energie wichtig.

Die Frequenzen der axialen Schwingungsarten eines Laser-Resonator-Raumes werden durch die Tatsache bestimmt, daß eine bestimmte Anzahl von optischen Ilalbwellen in den Resonatorraum mit der Länge L passen muß. Die Frequenzdifferenz ist gleich c/2L, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Gleichlauf oder Synchronisation von Schwingungstypen ist ein Prozeß, bei dem die axialen Schwingungstypen eines Laser—Resonatorraumes so induziert werden, daß ihre Phasen miteinander gleichlaufen. Das bedeutet, daß das optische Feld im Laser aus einem einzelnen Impuls besteht, der im Resonatorraum vor- und zurückwandert. Neben der spontanen (oder passiven) Synchronisierung, die manchmal aufgrund nichtlinearer Wechselwirkungen im Laser-Verstärkungsmedium auftreten kann, gibt es zwei grundlegende aktive Methoden zur Erzielung des Gleichlaufs von Schwingungstypen im Laser. Beide verlangen die Einwirkung einer zeitveränderlichen Störung in den Resonanzraum des Lasers mit einer Frequenz in der Nähe eines Vielfachen der Differenzfrequenz des axialen Laser-Schwingungstyps. Es treten nur Schwingungstypen auf, die genügend Verstärkung im Laser-Medium erfahren und dadurch die Dämpfung im Resonatorraum überwinden können. Nur diese Schwingungstypen und vielleicht einige andere, deren Verstärkung an der Grenze liegt, können phasenmäßig synchronisiert werden, so

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daß ein markant geformter, optischer Impuls beim aktiven Gleichlauf entsteht.

Die erste Art des aktiven Gleichlaufs von Schwingungstypen ist der AM-Gleiehlauf oder der gedämpfte Gleichlauf, welcher eine Amplitudenmodulation beinhaltet. Diese Form des Gleichlaufs
wird erreicht, indem eine zeitveränderliche Dämpfung im Laser-Resonatorraum bewirkt wird. Der Einfachheit halber kann man
sich als auslösende Ursache dieser Dämpfung eine sehr schnell arbeitende Sperreinrichtung oder Zerhackereinrichtung vorstellen, die mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen wird, die gleich der,Frequenzdifferenz der axialen Schwingungstypen ist. Da diese Frequenzdifferenz (c/2L) der Frequenz entspricht, mit der Licht im Resonator umlaufen kann, wird nur ein solcher optischer Impuls im Laser aufgebaut, der'taktmäßig mit den Öffnungszeiten des Zerhackers übereinstimmt. Dies ist natürlich eine vereinfachte Erklärung des gedämpften Gleichlaufs. Im allgemeinen
stehen-viele verschiedene Methoden zur Einführung eines zeitveränderlichen Amplituden-Störmechanismus in den Laser-Resonatorraum zur Verfugung, um eine Phasensynchronisation der Schwingungstypen zu bewirken. Dabei wird stets ein optischer Impuls erzeugt, der im Resonatorraum vor- und zurüoliäuft und zeitlich mit den Dämpfungsminima zusammenfällt. Der AM-Gleichlauf kann beispielsweise mit Hilfe eines elektrooptischen Kristalls erreicht werden, Diese Einrichtung sieht eine elektrooptische
Sperre vor, die nur solche Impulse im Resonatorraum entstehen läßt, welche eine geeignete Synchronisation aufweisen.

Die andere Art des Gleichlaufs von Schwingungstypen wird FM-Gleichlauf oder Phasen-Gleichlauf genannt. Diese Art der Synchronisation kann beispielsweise erreicht werden, indem einer der Spiegel der Laser-Einrichtung mechanisch vor- und zurUekbewegt wird, und zwa:r mit der Differenzfrequenz für die axialen Schwingungstypen« Trifft ein Impuls während der Bewegung auf
den Spiegel, dann wird die Frequenz und damit die Phase der
Lichtwelle verschoben· Der Impuls kann sich daher im Resonator-

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raum dos Lasers nicht, aufbauen. Nur diejenigen Impulse entwickeln sich, dje in Jiewecungsendpunkten auf den Spiegel treffen, weil in diesen Augenblicken der Spiegel kurzzeitig stillsteht und keine Doppler-Frequenzverschiebung im reflektierten Lichtstrah] bewirkt. Der gleiche Effekt kann mit Hilfe eines elektrooptischen Kristalls erreicht werden, dessen Brechungsindex durch oin angelegtes elektrisches Feld verändert wird, Ein an einem elektrooptischen Kristall liegendes elektrisches Feld verursacht eine Änderimg des optischen brechungsindex. Die Phasengeschwindigkeit von Licht im Medium ist gleich c/n, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und η der Brechungsindex des materials ist. Mit Hilfe eines veränderlichen elektrischen Feldes ist es mod ich, die Phasengeschwindigkeit des Lichtes im elektrooptischen Material zu modulieren. Durch Veränderung der am Kristall liegenden Spannung wird die Phase des Lichtes beim Lauf durch den Kristall verschoben. Eine Ausnahme bilden lediglich die Extrempunkte der "Störung". Besitzt die angelegte Spannung eine Frequenz in der Mähe eines Vielfachen der Differenzfrequenz der axialen Schwingungstypen (welche gleich c/2L ist), dann können sich Impulse im Kesonatorraum aufbauen, wenn sie zeitlich mit den Extrempunkten der Störung zusammenfallen. Der Phasen-Gleichlauf wird gegenüber dem gedämpften Gleichlauf bevorzugt, weil er bei gleichzeitiger Dämpfungsmodulation oder Kopplung stabiler ist.

Die Technik der i'hasensynchronisation mit einem elektrooptischen Kristall ist. bereits früher demonstriert worden. Audi die Methode der Induzierung einer Doppelbrechung in einem elektrooptischen Kris I all für die Impuls-Ausgangskopplung ist bereits früher verwendet worden. Bei der Verwendung eines elektrooptischen Kristalls zur Impulskopplung wird der Strahl zuerst linear polarisiert (mit. einem Brewster'sehen Fenster beispielsweise). Ein Paar am elektrooptischen Kristall angebrachte Elektroden erlauben das Anlegen eines elektrischen Feldes» welches eine Doppelbrechung in dem im ttesonatorraum befindlichen Kristall bewirkt. Induzierte Doppelbrechung bedeutet, daß der Kristall

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doppelt brechend gemacht wird. Läuft linear polarisiertes Licht durch einen doppelt brechenden Kristall, dann kann der Strahl elliptisch polarisiert werden. Befindet sich ein zweites, auf die Polarisation ansprechendes Element im Laser-Resonätorraum, dann reflektiert es einen Teil des elliptisch polarisierten Strahls aus dem liesenatorraum heraus. Damit wird ein Teil des optischen Impulses aus dem Resonatorrauni des Lasers herausgeführt. Eine solche Vorrichtung ist in der US-Patentschrift Nr. T. 508.164 erläutert.

Das Vorhandensein von separaten, intrakavitären Elementen zur Synchronisation von Schwingungstypen und zur Impulskopplung führt aber zu einer erhöhten optischen Komplexität mnl ist außerdem wegen der mit diesen Elementen verbundenen Dämpfung unerwünscht.

Der hier benutzte Begriff "Laser" (iriolekularvers Lärker) bezieht sich sowohl auf Festkörper- als auch auf Gas-Laser. Die vorliegende Erfindung ist also nicht auf irgendein bestimmtes Laser-Material beschränkt.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, bei dem ein einzelner elektroop— tischer Kristall im Ilesonatorraum eines Lasers so untergebracht wird, daß der Kristall gleichzeitig Phasensynchronisation der Schwlngungstypen und Impuls-Ausgangskopplung bewirkt. Dies wird, vereinfacht ausgedrückt, durch eine geeignete Ausrichtung des Kristalls und eine geeignete'Wahl der optischen Polarisation bewerkstelligt, so daß die notwendigen elektrischen Felder für den Phasengleichlauf und die Ausgangskopplung mit zwei Elektrodensätzen an vier gegenüberliegenden Seiten aufgebaut werden können. Die Polarisationsrichtung des optischen Feldes und die kristallographisehen Symmetrieeigenschaften bestimmten die Orientierung des Kristalls und die Elektrodenkonfiguration. Der erste Elektrodensatz, der an gegenüberliegenden Seiten angebracht ist, wird für ein elektrisches tyechselfeld zur Induzie-

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rung des Gleichlaufs der Sohwingungs typen, benutzt. Der zwei-Le Elektrodensalz an den anderen gegenüberliegenden Flächen dient für einen elektrischen Impuls (oder eine verschlüsse I I e impulsfolge) zur impuls—Ausgangskopul unjsr. Inders ausgedrückt, den :«n don Se i ton flachen des Kristalls liegenden Elektroden werdet) Signale simultan zu?reführt, wobei der elektrooptisch« Kristall glelch/oibig einen Gleichlauf von äehwingungstypen und eine Impuls-Ausgangskopplung bewirkt. Ein typisches Kristallmaterial lsi Galliurn-Arsenid (GaAs), das in oinom 00,,-Laser benutzt wird. Das erste Elektrod?npaar-befindet sich anl den (U0I)—Flachen des Kristalls und bewirkt einen Gleichlauf von ächwiugungstypen. Das /weile Elektrodenpaar liegt an den (110)-Flächeu des Kristalls (welche senkrecnt zu den ((K)I)-Flachen sind), so daß beim Anlegen eines elektrischen Feldes eine Impuls-Ausganpskopplung bewirkt wird.

Die Erfindung läßt, sich wie folgt zusammenfassen:

Ein einzelner elektrooptischer Kristall, an dem sich ein erstes Elektrodenpaar an gegenüberliegenden Seiten und ein zweites Elektrodenpuar an anderen gegenüberliegenden Seiten befindet, ist in einem Laser-ilesona tor raum untergebracht. Die Ausrichtung des Kristalls und die Auswahl der Elektrodenfltfc heu bewirken zusammen mit der Anwendung zweier verschiedener elektrischer Felder, dali gleichzei tig ein Gleichlauf von Schwingungs typen und CLiH! Aus;ra'i/iükopj> J iing von optischen impulnen erreicht ν ird.

Die folgende boschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren ErIUu teruiiK dieser Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen:

Fic. 1 eine räumliche Ansicht der Modulator-Konfiguration für die Demonstration dieser Erfindung, wobei die Orientierung der Kris ta!luchsen relativ zur optischen Achse des Laser-llesonatorraumes ((JTo-Ulctitung) dargestellt ist;

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i:lr. ι¹ cine, räumliche Ansteht der hodulator-Konfiguration mit den jüloktrodenpaaren an senkrecht zueinander liegenden Flächen, wodurch die simultane Synchronisation von ijolnvinffnnjDfs typen und die Impuls—Ausgangskopplung erreicht wi rd ;_-

Piu. j in sehematiseher Form den abgewinkelt auigeoauten xieso-' uatorraiiiii, üer zur Demonstration dieser Erfindung konstruiert worden ist;

Fig. k eine schematisohe Darstellung der Kesonatorschal ttuig, die für den Gleichlauf der Schwiiigunßrstypen !benutzt wurde, wobei der elektrische Impuls für die Ausgangs-kopplung angedeutet ist;

Fig. j die schematisehe Ansicht eines ModulatorkristalIschnilts mit BrewsLer'sehen Winkeln für die Realisierung dieser Erfindung; und

Fi er. 5'i eine Ansieht des iiodula torkristal Is von Fig. 3 von der Linie 5-'*-!>λ aus.

j.s Jolgt nun eine Beschreibung Ijevorzugler Ausführungsformen dieser Erfindung.

hin externes elekLrisches Feld Kann bekanntlich ir.) optischen j)rei:hunirsindex eines kristallinen frecliuins eine Doppelbrechung induzieren. Für einen Kristall, dem die Inversionssvmmeίrie ioiilt., ifit dies der lineare elektrooptisch^ liiffekt. Die Änderung des Brechungsindex ist proportional zum angelegten Feld. Eine induzierte Doppel bre<;him/T führt zu rTiasenverzögerungen und/oder zu elliptischer l'olarisation eines durch das Medium tretenden Lichtstrahls. Dieser elektrooptisch^ Effekt kann für viele Fälle (|c-r optischen Modulation, des Gleichlaufs von Schwingungstypen und der Impuüs-Ausgangskoppluiig verwertet werden. Das elektrooptische i'lodulatormaterial sollte vorzugsweise einen hohen elektrischen Widerstand, einen großen NichLlinearitätskoeffizieuten, kinine /vbsorp Lions ve rl us Le und einen hohen Brechungsindex beii l/.<;)). Jia die j ικΐιικ ierle Do-ppel brechung im Brechungsindex pro

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elektrische Feldstärkeeinheit typischerweise sehr klein ist, müssen außerdem lan^e Kristalle mit guter optischer Qualität verwendet werden, um angemessene l'hasenverzögerungen zu erreichen. In der speziellen, hier beschriebenen Ausführungsform wird ein Gallium—Arsenid-Kristall benutzt. Es sei dabei auch auf die Erläuteruntr der dem Experiment zugrundeliegenden Geometrie verwiesen. GaIlium-Arsenid ist im Infrarot-Bereich durchlass i/r und kann daher in einem G0_o-Laser verwendet werden. Es sei darauf !rlncev.iesen, dali andere Materialien, die im sichtbaren lioreich durcli I iissifr sind, für Laser erforderlich sind, die sichtbare WeI Jeu aussenden sollen. Zu solchen elektrooptischen Stoffen gehört beispielsweise LiNbU.· Die folgende mathematische Analyse der Theorie des elektrooptischen Effektes entsprechend, wie er etwa für GaIlium—Arsenid frill, wird hier zur Darstellung der Wirkung des jrl eichzei i. i g erreichten Gleichlaufs von Schwin— gungstypen und der Ausgangskopplung von impulsen in Verbindung mit einem einzelnen Kristall benutzt.

Die nicii ι lineare Pol arisution P ^^L (<Jz " &i + ^₀ ) » die durch die Wechselwirkung λ on zwei elektrischen Feldern E (Ui) und ζ (D₀) induziert wird, ist gegeben durch P₁-^(U₁) = d^ (U₁ , U₁, U₀)Ej (oj^ wobei ilir GaAs der Sus/epti bilitäts tensor 2 Komponenten besitzt, die verschwinden, wenn nicht (i]k) eine Permutation von (xyz) ist alle ivoei i'izi ent en, die unrrleich O sind, haben den Wert d-<es--fo~^? £ε.5-E-J und können als unabhängig von cj betrachtet werden. Ls gilt daher

P_x" (ω,) = dEy (LJ₁) §_z fo.) +ΟΙΕ; ((J-,) ty (%)

Py" (CO₁) = cl£_z (CO₁) ξ, (oo₀) i- <t£, (ω<) ξ_ζ (ω₀) Ρ_ζ ^ (lo_z) - dEy (CO, )ξ_ν (Uo) 1- dEy (CO-, )f_y (Jo)

^i(¹I I ι j ( UJ₀) ci'i ai¹.'el tie t es nodu J a ί i ousfe 1 d und £ (Ui) ein o|>ti — sehes Feld dar, dann wird eine »lieh i I iueare Polarisation unter einer optischen ι requenz LO^ = U₁ ^f LJ₀ i nduziert. Angenommen, (J₀ ist der cewahJlc Fro(|uenzun1 erschied zwischen zwei gleichphasi-

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freu uxiaLuti ounwiniiiiuiis typen im Laser-l;.e,>on,i ι orrauii mit¹ gleicher Amplitude, dann still mil don Frequenzen cj^ mid uj^

Lin dielektrischer Tensor Xiir 6^, der sowohl die. linenre iatreuunfi wie auch den nichtlinearen optischen üi'fekt erklärt, ist nun gegeben'durch

(O

und iw ähnlicher Form auch für CJ^ . lier s Lörun»sl'reie dielektri sehe Tensor <f_o ist eine Konstante,· nämlich €_Q (4)* sie wird als unabhängig-van der frequenz 6a angenouimf.-u. Ltie biirenvektoren νοη{?·»#&)' £~* [^) bestimmen die l^Jolarisati onsrlchtiiii.aen der optischen So hwinsnrn/rs typen, die sich ira Kristall ausbreiten können* Die entspreohenUen hiigenwerte sind die i/erte von l/n"*. Üa d klein ist, ffi 1 ί .

-f

Ks soll nun ein GaAs-KrIsta 1.1 betrachtet werden, der so orientiert ist, daß die Felder für die tiesonator-Schwingungstypen £ (<*Ji) und ■£ (^_x) in der (i tü)-iiichtung polarisiert sind, wobei die Ausbreitung in der {lTü)-itichtung geschieht und in der (üül) lUchtung ein Feld J (cü_Q) angelegt ist. Ls gilt- dann

BAD ORfQlNAL

-IO -

imd ilii'scr lens«.r bosiI/ι (I it» hiitrenvekt oren (lit)), (Πο) nut (»ι(ι I) mil entsprechenden ;<i «?f>uwcr ( en:

¹A

2 =

¹A

Ί ⁼⁶°"

/ν /Λ A \

l»a dies aiu.h bii'envektoren xm\(1—KK) sind, stellen »ie i.ürenvektnreu von(/'-p(K)s~ (uJ) dar, und bestimmen dadurch die neuen, sich ausbreitenden Schwiniruriirs typen im kristall hei Vorhandensein des Feldes 5 . Da die iirspriins 1 iehe Aiinaiit·!·: für die tie— soualor—behwiiiTunirs typen aiii die rolarisalionsriehliinar (llo).abiiesiiiomt war, bewirkt (tas Ans leiierfelrt ξ (cj_o) eine Phasenmodulation tier optischen Felder ohne Induzierun» einer öl 1ipi isehen 1¹O Lar isa t i on, da (110) i nun er noeh ein bchwiii^uucH typ iiir die Ausbreitung mit η ~(£ο+4-7\όξ) bleibt« Kin an^elesiLes Feld in der (OUl)-UiChIiInC mit einer Frequenz 6Jo , die auf die ι rentinn·! der axialen Sciiwinffinurs typen abgestimmt ist, kann zur .iynehi .»aisaiion von itesona lor-Schv.' inffiiiiirs I ypeu, die in der ( I 10) — ti Li: n .uiti» iIiu'di in i rakavi tiire Hhasens I ο ruiieen polarisiert sind, hcnul/ werde'i. i'.Hii; rdei.i wird die ϊ ο I a r isa I ionsebeni· nielit i?:<;dreh(.

^'lui aiii auecnommon, t\-\o das Feld Ij₀ ein s ta t i .jciies Feit! in der

( I It) J-ltirhliinir is I. i>cr efiei 1 ive d ielek Ir is«!he Tensi»r tür dt-

Unsonator-Sehwi U" uii'üs l vpen (bei der Fre«tuen/ (^/ oilnr i·-'? ) ist dann Mveljen duiclt

0	υ	i
ü	υ	1
\/	1	0

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Hie Li ftenveki υ reu von 6_eff mi L den entsprechenden Eigenwerten I Ur don Brechung«index sind dann ganz einfach gegeben durch

e, -(&, Pk, ViF) nf - S₀ +

Aus iiii. 1 geht hervor, daß die Anwendung eines Feldes J^o in der (J .lu)-jiichtmif£. zu einem neuen Satz von Eigeuscliwincungstypen führt,, die gegen die kristallrichiungen (üul) und (HO) um A5 ffedrehi sind. Für Resonator—behwiniiungstypen, die in der (tiü)—llichtimg polarisiert sind, ergibt sich dauer eine - el lip Lisoiie j/ol.irisa I ion, die vom l⁽'eld ξο verursacht wii'fl. D.h., daß die ursprungJ iciien Resona Lor-Sclnviinnimts t ypeü E (&) in zwei • omnoiicni.en «erlegt werden köunen, die sich uui den neuen Satz jiOlarisier1 er Sohwineungs typen ^₁ , e„ bezielien, wobei sich jede (Ii(¹So.!' lvoinnoiH. η ι en ;ni I. versciiiedenen iMiasengeschwindicltei t en im . i'Lstiill ausbroilei.. JJadurch entstellt ein e 1.1 ip 'Ii sch polarisiertes, op'isches Feld. Die Amplitude der Ke I dlcomjxjnonte, die ί ■·''■>;! j■ v:iii if 1 i ". '.":■< :,[ u'ansr ]>oJ ar i sir>r t ist, hHiifft von dor Ln η ge dos risialls mi I von der Größe des a:i⁽re I c/r t (;n Feldes ob. (>ib1 >ua;i las οί! iscbc, s i.nii im kristall ausbrei i ende Feld üiii Kt) - (E e-^sH) [^ e^T^'^r- e₂ e^T/*'^T J

an, dann ist E Λ?/²O zunächst in der ( 1.1 O l-Hio'it unnr pol.arj si ort i;<> IK₁I = r>4 LoJc₁ /Kzfan^Lj/csLlli,, w i vri IK₁ +K₁ ) = 2K und das Feld /? ίθέ) knnn finf'aohor darffeste.il t werden durch.

E Ir₁ i) = (EffT)exp (-lütt j'Je·?) {β_Ί exp (''Ak · r/z) + ^ exp (-i*k -r/zjl ■

~f ■

hohe! Δ K = k-/ K^ ist. j;s genüfrl. daiier, nur die Amplitude der VwIIf; v,w bet ruelH'üi, wenn sie duro!· üan kr is LaIi wandert. Der i'li;iii"niiiM or exp (-ι'ωί i-ik ·~τ) kann unterdrück ι werden. Ls gilt

F fr*) ■-- fEf-/l) [c^ c.yp f''Ak-?/z) + e_z exp (-ΪΔk - 'r/z)]

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In jeder beliebigen Entfernung 7 im Medium ist die Feldkoinponente £ fr) in der (110)—Richtung gegeben durch

E cos f - 1- fe, + e_z) /-/? - i" cos (äTr-

so daü der Winkel <f ausgedrückt werden kann durch

/ - A~k-~r/z - ω Cad/ic ,

wobei Δη-Zn₁ -n_z/_B 9 7Td^₀ /n₀ . Gilt für das statische Feld $_o die Beziehung ^₀ = ts₀ /t , wobei Vo die angelegte Spannung und t die Dicke des Kris rails ist, dann gilt f - πέν_οη_ο ³^ /(ζ Ά_οί),

wobei der elekLrooptische Koeffizient,T^₁ =£^"d/r>Q eingeführt worden und Tl₀ die Wellenlänge im leeren Raum ist. Wird ein Folarisalionsselektor, etwa eine Brewster'sehe Platte, zur Impuls—Auskopplung benutzt, wobei der Impuls einen doppelten Durchlauf durch einen Kristall der Länge 1 gemacht hat, dann ist die gesamte reflektierte Energie, abgesehen von geometrischen Faktoren, proportional zu s/'n^z

Es wurde der erfolgreiche Nachweis erbracht, daß es gleichzeitig möglich ist in einem COp-Lager die Synchronisation von Schwin— gungstypen durch intrakavitäre Phasenstörung zu erreichen und Impuls-Auskopplung zu bewirken. In der Technik wird dazu ein GaAs-Modulator mit zwei Elektrodensätzen verwendet, wobei ein Feld mit der Frequenz OJ₀ in der (Oül)-Richtung angelegt und synchronisierte Impulse durch ein pulsierendes, statisches Feld in der (liü)-uichtuug ausgekoppelt werden. Die Geometrie des Modulators gehl- aus Fig. 2 hervor. Der Energieanteil, der durch Reflexion an der brewster'sehen Platte mit dem Brechungsindex η ausgekoppelt wird, ist gegeben durch

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Eine ähnliche Analyse kann auch für andere Kristall-Symmetrien vorgenommen werden, wenn ein anderes Modula torniaterial verwendet wird.

Es soll nun speziell auf j^ig. 2 Bezug genommen werden. Der rechfceckförmig geschnittene Kristall 13 aus Gallium-Arsenid besitzt Seitenflächen 15 und 17 in der (llO)-Ebene und Seitenflächen 19 und 21 in der rechtwinklig dazu liegenden (OOl)-Ebene. Ein Elektrodenpaar 23» 25 befindet sich an den Seiten 15 und 17. Die Elektroden bestehen aus einem Sibberauftrag oder aus ähnlichem leitenden Material in Form dünner Folien oder Platten. Geeignete elektrische Leitungen sind mit den Elektroden verbunden, um das gewünschte auskoppelnde elektrische Feld im Kristall aufbauen zu können. Ein Elektrodenpaar 27 und 29 befindet sich auch an den Flächen 19 und 21 in der (OOl)-Ebene des Kristalls. Es ist einzusehen, daß die Elektroden 23 und 25 zum Anlegen eines auskoppelnden Feldes in der (110)--Richtung des Kristalls und die Elektroden 27 und 29 zur Induzierung einer Störung im Kristall für die Synchronisation von Schwingungstypen vorgesehen sind. Ein CO -Laser wurde zur Demonstration der vorliegenden Er— findung benutzt. Die Laser-Vorrichtung Gestand aus einer Entladungsröhre 31 mit 40 mm innerem Durchmesser und 6 m Länge. Die Röhre 31 wurde in einem insgesamt 22 m langen, geknickt aufgebauten optischen Resonator mit Spiegeln J(L-M/- verwendet. Dies bewirkte eine Trennung axialer Schwingungstypen bei 6,8 WHz. Das Laser-Ausgangssignal eines Ausgangsspiegels M6 mit einer Übertragungsrate von 2 °/o wurde mit einem durch flüssiges Helium gekühlten Ge-Cu-Detektor 30 überwacht. Der benutzte Gallium-Arsenid-Kristall 13 hatte die Abmessungen 3x3x50 mm und besaß Elektroden nach dem in Fig. 2 gezeigten Vorbild. Das optische Feld war in der (lio)-ttichtung durch ein aus Natriumchlorid bestehendes Brewster¹sches Fenster 33 an der Entladungsröhre 31 polarisiert. Der Kristall befand sich in einem Parallelschwingkreis hoher . Güte (über 300) mit einer Frequenz, die der Ansteuerfrequenz entsprach. Die Modulator—Resonatorschaltung war induktiv mit einem abstimmbaren Hochfrequenz-Steuersender 36 (Fig. 4) ge-

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koppelt. Unter typischen Laser-Detriebsbedingimgen wurde bei einem Druck von 10 Torr ein Gemisch aus ^;i,5 '/o OO,,, 12,U > ^₀ und S3,3 Ίο He bei einem Ent lades !.rom von 2ü mA verwendet. ,

lie i der /Abstimmung des Hochfrequenz—Steuorsenderu nut' die Uesamttrequenz de» axialen Sehwingungstyps wurde ein stabiler π Lilauf mit einem Signal von 0,3 V Spitze-Spitze aus der Modulator— Steuereinrichtung erreicht. Dies entsprach einer l'iodulator-ijteuerenergie von lim/. Unter diesen iiedingungen wurden Impulse .mit Uauü¹ schein Profil und einer Breite von Ί0 nsec in Intervallen von l'iü nsec beobachtet. Die Verstärkung des Signals auf 10 V SpiIze-Spitze reduzierte die Impulsdauer auf 25 nsec. Eiwe weitere Erhöhung der angele-rteti Spannung bewirkte eine graduell schärfere Impuls form. Die durchschnittliche hnergie itn ir I eieiigesciialteieu üetrieb lie' ι¹ :." 0Ί > der Eneriiie der 'i'r-i'icrwt! Π o. jiose isrgebiiisse stiiiiiiieti ».j i l \\va\ beobachteten .iochf rfitjuenz-üpeic i, ra 1-llnien des De telci or-Auscangssigual s überein, das die Synchronisation von fünf bis sechs Sehwingungstypen anzeigte. Anders ausgedrückt, mit der Erhöhung der Steuerspannung steigt die Anzahl der gleichlaufenden Sehwingungstypen, während die Impulse scharnier werden. Um den grollen Vers t iminungsbereich zu demons tr ieren, den die vorliegende Erfindung bei der Synchronisation von Schwingungstypen garantiert, wurde die Modulationsfrequenz erhöht und gesenkt. Es wurde festgestellt, daß eine stabile Synchronisation induziert werden kann, wenn die Modulationsfreqiieriz im iJereioh von -75 Kiiz bis +170 Kiiz um die Grundfrequenz von 6,b HHz der axialen Sehwingungstypen herum liegt. In jedem Fall wurde die Modulator—Hesonatorschaltung auf die Steuerfrequenz abgestimmt. Die für die Synchronisation an den Extrempimkten des Abstimmungsbereiches notwendige Steuerspannung war etwa 20 mal so groti wie die Spannung bei der Verstimmung null.

Die obigen Erläuterungen beziehen sich auf die Synchronisation von Sehwingungstypen in Verbindung mit einem Gallium-Arsenid— Kristall in einem UO_o-Laser. In der in Fig. 3 gezeigten Vorrich—

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l.uriff wurde das optische iⁱ'eld in der (iJ.O)-_tiiclitung des Kristalls in Abwesenheit eines hopplungssignals polarisiert. Die Kopplung eines einzelnen Laser-Impulses oder einer Kette Λ'οη Impulsen Würde mit ι ilJe eines Spamiuiigsimpulses auf den ( i iu)-öeiten, so wie in Fig. h gezeigt, erreicht«, Dies bewirkt f i'ie Dopjiel brechung im Galliutu-Arseriid-ivrls ta] 1 in der vorher beschriebenen Weise. Die resultierende, in der (üül )~RiciiLung iH)lciri.sierte optische Ii.ompon.en! e wurde mit einei.lPolarisations- :i i;il_;L^;saio)· T5, der die Form eines iluone'i uerrüiuiumstikjkes besaß utiti unter einem urewsier' sehen liinkel angeordnet war, a.üs— pelcoppel t. j-iin mit flüssigem Stickstoff gekühlter Ge-AU-Deiektor 37 wurde benutzt. Zur Energiemessung, fand eine geeichte thermoelektrische ,Säule Verwendung:. Die intrakavitäre Spitzeni'upulsenergie iia synchronisierten ßetrieb betruß 2 iüi. Ein Jmpulsgenerator 3o, so wie in B'ig. h dargestellt, induzierte einen iteehteckimpul s mil. einer Amplitude von kh\i V, um die Auseaiigskopplung zu erreichen. Der gemessene Äaumkopplungskoeffizient lag bei etwa 3 ^L/o· Die Steigerung der Kopplungsiiupulseiiergie konnte durch Beobachtung der Iiupülskette am 2 %— L·ίlds])iegel i-i6 und mit Hilfe des Detektors JO festgestellt werden. Verschiedene Messungen wurden mit Kopplungsfaktoren bis zu 25 io vorgenommen. Dabei wurde festgestellt, daß die Stabilität der Synchronisation von Schwingungstypen von der Kopplung unbeeinflußt blieb, auch wenn die Kopplung so stark wurde, daß die Laser—Oszillation nahezu verschwand.

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein speziell konstruiertes Kristallelement hl zur Kopplung der gewünschten Energie vorgesehen ist. Der Kristall 41 weist einen ersten Elektrodensatz Ί3, 45 an den (ilü)-Seiten auf. liier \iird die Kopplungsmodu-Ia tion zugeführt. Ein zweiter Elektrodensatz (eine Elektrode hl davon ist in Fig. 5 zu sehen) befindet sich an den (üOl)-. bei ten und dient der Synchronisation von Schwingungstypen. Es sei .jedoch darauf hingewiesen, daß die hier beschriebene Kristall—Vorrichtung besonders für die Impulskopplung ausgelegt ist und nicht gleichzeitig für die Synchronisation von Schwin-

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gunjrs typen beuui/l. werden mull. j)te Ll ek !roden an den ((KU)-b'eiten sind ('anti iiioii unbedingt erf order] ich, es sei denn ^ die bynchronj sal ion von bchwingungs typen und die Phasenkopplung sind, im Sinne'der" vorliegenden Erfindung, gleichzeitig erwünscht, bine Seite Λ9 des Kristalls ist so geschnitten, daß die dort unter'dom urewster'sclien »V ink el auf treffende Laser-b1 railJ uii" $1 so gebrochen wird, daß das optische Feld im Kristal] in der (iTu)-Hiehtung weiterläuft. Das elektrische Auskopplungsield an den (llO)-Seiten bleibt lange genug bestellen, viii für einen synchronisierten Impuls im Hesonatorraunr einen UwI au i im kristall zu ermöfrl ichf-n. Die Rückseite 53 des Kristal Is ist senkrecht zur Achse des uesonatorraumes geschnitten und mit einem Spiegel 55 verseilen. Wäre das Ende des Modulatorkristails nicht mit einem Spiegel 55 abgeschlossen, würde ein Teil des synchronisierten Impulses reflektiert werden und einen zwei I en Durchlauf durch den Kristall beginnen. Die Größe des angelegten Impulskopplungsfeldes ist so gewählt, daß die Pol arisationsriehtung um 90° gedreht wird, wobei die Auskopplung schließlich durch innere iieflexion an der iirewsler' sclien Flüche h') ,«resehieh t. Eine zweite ilrews ter 'sehe Flache 57 für den Ausaauesinpuls ist in einem kleinen Abschnitt des Kristalls 5^CJ vorgesehen. Der Kristall 59 ist optisch mit dem Modulatorkristall kl verbunden, um eine innere iieflexion an der unteren (llü)-Seite 61 zu verhindern. Ein weiterer besonderer Vorteil der neuartigen Kristall-Vorrichtung von Fig. 5 besteht darin, daß der Kristall keine Anti-iteflexionsbeläge an den Enden zu haben braucht. Das Vorhandensein der Brewster'sehen Fläche h'·) und die Licht-Auskopplung durch die zweite Brewster¹ sehe Fläche 57 in Übereinstimmung mit der dargestellten Vorrichtung bewirken, daß Licht nur dann austreten kann, wenn ein Kopplungsimpuls zugeführt wird, so wie dies erwünscht ist. In der Vergangenheit war es schwierig, die Anti-Keflexionsschichten auf die Kristall-Endflächen aufzutragen und zu befestigen. Eine Verschlechterung der Schichten oder der Verlust führte zu Energieverlusten im Laser, was natürlich sehr unerwünscht ist. Obwohl die obige Beschreibung sich auf maximale Kopplung bezieht, ist einzusehen, daß eine reduzierte Kopplung, die

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für die Modulation zweckmäßig ist, mit geringerer Spannung erreicht werden kann.

Der in der Vorrichtung von Fig. 5 "benutzte Kristall bestand aus Gallium-Arsenid und die Erläuterungen bezo/reu sich auf den Fall, daß die Modulationssighale den senkrecht" "zueinander angeordneten Kristall!'lachen (llü) und (üüi) zugeführt wurden. Es wurde schon gesagt, daß der dieser Erfindung zugrundeliegende Gedanke auf jeden beliebigen elektrooptischen Kristall angewendet werden kann. Die speziellen Flächen eines Kristalls, denen Kopplungs— und Modulationssignale zugeführt werden können, lassen sich anhand einer Analyse bestimmen, die aus einfachen kristallographischen Symmetriebetrachtuiigen besteht.

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Claims (1)

- ld Fa tentans prüche Vorr ichi iiti? zur gl f.iehzeiLi<ren Synchronisation von Schwingurigs typen und Impulskupplung in Mo lekulnr-Vers türkern, wel — oho ein aktives Medium in einem Resona torraum zur Erzeugung tuner elektromagnetischen Welle besitzen, gekennzeichnet durch ein einzelnes, in einem Uesonatorraum untergebrachtes Element, das gleich/eilig für die Synchronisation der Wellentypen und für die Auskopplung eines Teils der in den V/ellon sLeckenden Energie sorgt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein elektrooptischer Kristall (13) ist» 3. vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Elektrodenpaar (27» 29) das an entsprechenden gegenüberliegenden Flächen (19, 21) des Kristalls (13) befestigt ist; Einrichtungen, die mil den Elektroden elektrisch verbunden sind und eine Störung im Kristall induzieren, um SchwingimgsIypen darin zu synchronisieren; ein zweites Elektrodenpaar (23> 25) das an zweiten entsprechend gegenüberliegenden Flächen (15, L7) des Kristalls befestigt ist; und Einrichtungen, die elektrisch mit dem zweiten Elektrodenpaar verbunden sind und eine Störung im Kristall bewirken, wodurch ein l'eil der Wellenenergie ausgekoppelt wird. 4t. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daü die ersten und zweiten, einander gegenüberliegenden Seitenpaare so gewählt sind, daß die Störung für die Synchronisation von Schwingungstypen unabhängig von der Störung für die Phasenkopplung im Kristall ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Seitenpaare des Kristalls senkrecht zueinander liegen. 309818/0660 bad original 6. \'(irr j ohlimp. nao'i Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß fi<M' .'-ristall aus Hal I ium-Arsenici bestellt, senkrecht zueina ■■ or lie.ire.ule Häcuen ('Ht)) und (üUi) besitzt miü Elektro-'len j'ür die iinpu ! ,- Kopp! -ring au den (1J u)-i(1läehen trügt. ,". i.'orr J (.'iii nmr ulic!) Anspruch 1I1dadurch gekennzeichnet, daß <·!<.·>· ..ristall (hi) oin 3 airrgos i reckl.es Element mit einer .,udf i äox'ui (;f;)) unter einem brewster1 sehen .viiike] und mit, der anderen .:i-i'i i'i ί':.·ο (Ij") unter eineiii senkreclii en v,-i niet*]. ist, wobei, die (ro<renüberl i ecrenden cJei l (Mipaare zwischen diesen beiden liJudon verlaufen; der Kris I. all· so in eine™ itesonatorrauni Ii '.1Ct, dall das in der Resona I orranniafih.se lauf ende optische Feld unter dem brews ( er ' sehen Winkel auf triff, i ; und ein weiteres h ins ich 1.1 ich dos iircoliuii/rs index an«repaiM.es ji.ri.s t-allma I erin I vorgesehen ist, das an die ei'sLe Endfläche des ilauptkrIs i>al Is angefügt und so positionierL ist, daß es das an der iirews t erf sehen Flache reflektierte optische Feld einpfiiiifc I, wobei das angefügte Kristallinaterial eine weitere iirews i.er 'sehe Fläche (57) hes.il.zt, die so positioniert ist, daß das empfangene optische Feld übertragen wird. '■ . Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet', daß der Kristall einen reflektierenden Spiegel (55) &n der senkrechten Endfläche besitzt. , 9. Vorrichtung Jiach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der am Kristall befestigte Spiegel ein Endspiegel für den Resonatorraum des Molekularverstärker« ist. Jo. L· i e'ktroopi isehes Element, gekennzeichnet durefi einen lang— gea i,reckten Kör ,er ius el cki rooptiseisem Kristallmaterial ('Ji) mit einer ersten und zweiten iiiidfläche (V-), 55); gegenüberliegenden beitenpaaren, die sich zwischen den Endflächen erstrecken; die erste Endfläche (49), die unter einem BrewsUir'schen Winkel angelegt ist; und ein weiteres, hinsicht- 3 Ö 9 8 18/0680 1AD 0RlGmM- ] ioii <k'i! iirooimnüs i udex angepai.1 1 oh Jv r j s ί al Jinaterial (59), das an die »i'hIc Lud fläche des 1anggesIreokton Elementes auge Lust und hu position i er t ist, datJ es da» an der Brewsi er 'solion Mäche reflektierte optische Feld empfängt, wo bei das aneojügte kristallmalerial eine weitere urewster1 sehe Flache ([)"/") besitzt, die so posi tioniert is L, daü daw oinpf amrene optische KeId übertrafen wird. 11. ulemcnt nach Anspruch IU, gekennzeichnet durch einen reflektierenden, .ii» i,ti(lo des Kris (al Is angebrachten Spiegel J 2. jbl emeu I iiH<?!i /inspraeh K), gekennzeichnet durch Elektroden (;i3, 4 >> y*7), die an den gegenüberliegenden üeitenpaaren an/rebra(!lit sind, wobei eine Störung im Kristall induziert werden kann.

1. verfaij/en v.vr gl eichzei I igen Synchronisation von Schwin.'rungstypen \\\u\ i.iipul slfoppl ung in hol ekular-Verstlirkern, dadurch ireuennzei ciiiic ( , dai. ein einzelner el okl rtt^pt ischer Kristall (J 3) im ^:fDH"iiMi orrauui eines Holekular-Vers Iarkers untergebracht wii'd, wobei der Kristal] wenigstens zwei einander gegenüberliegende üeitenpaare (19, 21; 23» 25) besitzen soll; ein elektrisches Signal einem ersten Seitenpaar (l9i 21) des Kristalls mit dem Ziel der Synchronisation von Schxv'ingungstypen dos Molekular-Verstärkers zugeführt wird; und ein elektrisches Signal dem zweiten Seitenpaar (15» 17) des Kristalls mit dem Ziel der Kopplung eines Teils der Wellenenergie zugeführt wird.

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