DE2260500A1

DE2260500A1 - Ramanstreuung ausnutzende vorrichtung

Info

Publication number: DE2260500A1
Application number: DE2260500A
Authority: DE
Inventors: Erich Peter Ippen; Chandra Kumar Naranbhai Patel; Rogers Hall Stolen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-12-13
Filing date: 1972-12-11
Publication date: 1973-06-20
Also published as: FR2163535A1; US3705992A; GB1408318A; FR2163535B1; JPS4866855A

Description

2280500

Western Electric Company, Inc. Ippen-7-32-1

New York, N. Y., USA

Ramanstreuung ausnutzende Vorrichtung

Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen, die den Raman-· effekt ausnutz en.

Für bekannte Ramanstreuuhgsvorrichtungen, bei denen man stimulierte Äustrahlung aufgrund des Ranianeffektes erhalten hat, wurde· typischerweise Material mit einem hohen Ramangewinn verwendet, dem ein hoher Rarnanstreuungs-Wirkungsquerschnitt und eine relativ geringe Ramanstreuungs-Linienbreite zugeordnet ist. Im allgemeinen handelt es sich bei Materialien mit diesen Eigenschaften um Flüssigkeiten.

Eine neuere Entwicklung auf diesem Gebiet betrifft die Flüssigkern-Kapilarrohre, die sowohl optisches Leiten im Flüssigkern als auch einen stimulierten Ramaneffekt aufweisen. Solche Ramaneffektvorrichtungen sind in der

5/10 5 S

gleichlaufenden amerikanischen Patentanmeldung 99, 990 (Deutsche Patentanmeldung P. 2103218 Punkt 8) offenbart.

Der relativ niedrige Wirkungsquerschnitt des Ramaneffektes in vielen Festkörpern und insbesondere in Gläsern hat die Aufmerksamkeit derjenigen, die sich mit diesem Gebiet beschäftigen, von Gläsern als Materialien für potentielle *" Ramaneffektvorrichtungen weggeführt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine die Ramanstreuung ausnutzende Vorrichtung vorgesehen, in der ein kohärentes optisches Anregungsstrahlenbündel mittels einer Übertragungseinrichtung durch ein aktives Medium hindurch übertragen und die gestreute Strahlung verstärkt wird, die sich dadurch auszeichnet, daß das aktive Medium eine erschmolzene optische Faser mit Wellenleitereigenschaften ist.

Niedrige Raman-Wirkungsquerschnitte von Gläsern werden typischerweise begleitet von sehr breiten Ramans tr euungs-

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Linienbreiten. Man hat folgendes entdeckt: Wenn eine . Stimulation über einen wesentlichen Teil dieser Linienbreite erhältlich wäre, wäre die Vorrichtung von Natur aus durch ein geeignetes frequenzselektives Element abstimmbar.

In. erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwenden stimulierte R am anstreuungs vor richtungen eine optische Wellenleitung in erschmolzenen optischen Fasern, vorzugsweise relativ niedriger Verluste, welche die oben beschriebenen niedrigen Ramanstreuungsquerschnitte und hohen Linienbreiten aufweisen. Es ist ein relativ niedriger Schwellenwert für stimulierte Ramanemission erreicht worden, da hohe optische Leistungsdichten über große Längen des Wellenleiters erhalten werden.

Eine Abstimmung über einen Längenwellenbereich in der Größenordnung von 100 Angströmeinheiten kann durch eines der folgenden Mittel erreicht werden: Durch einen drehbaren Prisinenreflektor oder durch eine Kombination einer mit

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chrom ati seller Aberration behafteten Kopplungslinse mit einem Spiegel. Deren räumlicher Abstand wird verändert, um die Frequenz zu verändern, für die eine optimale Kopplung zurück in die Faser auftritt. Eine optimale Kopplung ist für verschiedene Frequenzen wegen der chromatischen Aberrationen der Linse verschieden.

Eine Unterdrückung der Brillouin-Streuung wird dadurch erleichtert, daß man das Ramangestreute Licht in stärkerem Maße auf Resonanz bringt als das Anregungslicht. Die Verwendung einer breitbandigen Anregungsquelle erleichert ebenfalls das Brillouin-Streuungsproblem.

Die Erfindung soll im folgenden anliand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

ersten erfindungsgemäßen Ausführungs-

form;

3 0 ') M ' i. / 1 Ü

Fig. 2 kurven zur Erklärung der erfindungs-

gemäßen Arbeitsweise;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer

Modifikation der Ausführungsform der.

Fig. 1, bei der eine Prismenabstimm-

vorrichtung verwendet wird;

y
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer

anderen Modifikation der Ausführungsform der Fig. 1, bei der eine Abstimm vorrichtung des chromatischen Aberrationstyps erfindungsgemäß verwendet wird;

Fig. 5 eine Modifikation der Ausführungsform

der Fig. 1, die als Verstärker in einer optischen Nachrichtenanlage verwendbar ist; und

Fig. 6 eine andere Modifikation der Ausführungs-

form der Fig. 1, die als Generator von • Sub-Picosekundenimpulsen verwendbar ist.

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Der optische Faseroszillator der Fig. 1 stellt eine Quelle sichtbaren Lichtes dar, die über einen Bereich von etwa 100 Angström abstimmbar ist. Der Oszillator umfaßt die Glasfaser 11, typischerweise eine beschichtete Einzelmode-Faser mit einem Kerndurchmesser von etwa-4 Mikrometer. Diese wird angeregt durch kohärentes Licht von einer Laser anregungsquelle 12, die mittels einer Linse 13 durch einen dichroitischen Reflektor 14 fokussiert und mittels einer Objektivlinse 16 erneut fokussiert wird, nämlich auf ein Ende der Faser. Das vom anderen Ende der Faser 11 emittierte Anregungslicht und Ramanstreuungslicht wird durch eine Objektivlinse 17 auf einen dichroitischen Reflektor 15 fokussiert, wobei ein Teil des Ramanstreuungslichtes durch diesen hindurch übertragen und der Rest für einen weiteren Durchgang durch die Faser 11 zurückgeschickt wird. Eine als Kollimator wirkende Linse 18 bündelt das herausgetretene restliche Anregungs- und Ramanstreuungslicht in ein Strahlenbündel, das durch ein dispersives Prisma 19 in dessen jeweilige Anregungs- und Stokes-Lichtkomponenten

3 0 Ü : · / I ι) 'i J

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zerlegt. Das Stokes-Licht ist diejenige Komponente des Ramanstreuungslichtes, die in ihrer Frequenz hinsichtlich der Anregungsfrequenz nach unten verschoben ist. Letzteres Licht, das das ausnutzbare frequenzverschobene Ausgangssignal ist, wird durch eine V erwertungs vorrichtung 20 aufgenommen. Zum Zweck des Abstimrnens des Stokes-Lichtes kann der Spiegel durch ein Littrow-Prisma ersetzt werden, das auf seiner rückseitigen Oberfläche eine reflektierende Beschichtung aufweist. Eine Abstimmung wird durch Drehen des Littrow -Prismas erzielt.

Als Grundlage für die Erklärung der Wirkungsweise der Fig. 1 soll darauf hingewiesen werden, daß der Ramanwirkungsquerschnitt von Glas sehr niedrig ist, zwei Größenordnungen kleiner als in typischen Flüssigkeiten und Kristallen, und daß dieser niedrige maximale Wirkungsquerschnitt wegen einer sehr großen Streuungslinienbreite entsteht. Diese Linienbreite bestimmt den Abstimmbereich des Oszillators. Die durch die Faser 11 gebildete optische Wellenleitung hält über lange Distanzen der Faser 11 hohe optische Anregungsleistungs-

30P'^!?5/ 1 G ül.

dichten aufrecht. Der Nachteil des geringen Ramanquerschnitts wird somit überwunden, während der Vorteil des großen Abstimmungsbereiches beibehalten wird. Ein solcher abstimmbarer Oszillator wäre besonders nützlich zum Wahrnehmen und Messen geringer Mengen von Gasen bei verschiedenen industriellen Verfahren und bei der Umweltverschmutzungskontrolle. So stellt die Verwertungsvorrichtung 20 typischerweise eine Vorrichtung dar, in der solche Messungen gemacht werden können.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß der dichroitische Spiegel 19 den größten Teil des ramangestreuten Lichtes reflektiert und im wesentlichen das gesamte Anregungslicht hindurchläßt. Der dichroitische Spiegel 14 ist im wesentlichen dem Spiegel 15 gleich, da man gefunden hat, daß es zur Unterdrückung der Brillouin-Streuung, die bei Frequenten nahe der Anregungsfrequenz entsteht, wirksam ist, für lediglich einen einzigen Durchlauf des Anregungslichtes zu sorgen, während man das ramangestreute Licht in Resonanz treten läßt. Einige der Experimente wurden mit einer Anregungswellenlänge von ■532 Nanometer durchgeführt, der Wellenlänge des frequenzver-

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doppelten Ausgangs eines gepulsten neodymdotierten Yttriumaluminiumgranat-Lasers.. Eine andere geeignete Laseranregungsquelle wäre eine gepulste Xenon-Ionenlaserquelle 12 mit einer Strahlenbündelwellenlänge von 535, 5 Nanometern. Allgemein gesagt kann als Anregungslaserq uelle 12 irgendeine Laserquelle dienen, die in einem Wellenlängenbereich arbeitet, in dem die optischen Verluste des Glases für die bestimmte Verwendung genügend klein sind. Weiterhin ist es wünschenswert, daß diese Quelle einen Impuls erzeugt, der genügend lang ist, so daß das Oszillatorlicht während der Dauer des Anregungsimpulses etliche Umläufe im Resonator machen kann*

Die Wirkungsweise der stimulierten Ramanemission ist in einer Ausführungsform beobachtet worden, die der Fig. 1 gleich ist. Speziell wurde die stimulierte· Ramanstreuung sowohl erhalten als eine einmalig durchlaufende, superstrahlende Emission in dem Fall, in. dem die Spiegel 14 und 15 nicht vorhanden waren, als auch als Ausgangssignal des

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Oszillators, der bei vorhandenen Spiegeln 14 und 15 existiert.

Bei einer Anregung mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern wurde eine Stokes-Emission von der Faser 11 bei 545 Nanometern beobachtet-. Die Stokes-Frequenzschiebung betrug etwa 460 cm

Um eine Stokes-Emission an einer 9 Meter langen Faser zu beobachten, war eine Leistung von etwa 75 Watt nötig. Dieser Schwellenwert entspricht einer Leistungsdichte von etwa GOO !Megawatt pro Quadratzentimeter und einem stimu-

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lierten ftamangewinn von etwa e

Bei anderen Experimenten war der Oszillator der Fig. 1 mit einer 190 Zentimeter langen Faser 11 aufgebaut. Der Reflektor 14 war so beschichtet, daß etwa 60 Prozent des Anregungslichtes übertragen wurden, während die Reflexion bei der Stokes-Wellenlänge etwa 98 Prozent betrug. Im selben Experiment wies der Spiegel 15 eine breitbandige Reflexion von etwa 98 Prozent auf. Mit etwa 40-fachvergrößernden Objektivlinsen 16 und 17 konnten etwa 70 Prozent der von

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der Paser austretenden Energie in diese zurückgespeist werden. Es wurde eine Oszillation in der Faser mit einer Leistung von etwa 500 Watt und einer Leistungsdichte von etwa 400 Megawatt pro Quadratzentimeter beobachtet. Durch Kippen des Ausgangsspiegels 15 wurde die Stbkes-Emission eliminiert und nachgewiesen, daß die Anordnung schwang.

Hinsichtlich der Ausführungsform der Fig. 1 mögen weitere Daten interessant und im folgenden wiedergegeben werden. In den meisten Gläsern ist die Ramangewinnkurve ein breites Band zwischen etwa 20 cm bis 550 cm . Der Gewinn g/l ist auf den differentiellen Querschnitt *· bezogen durch die Gleichung

¹ c'²h £ (n+l)n²

cm

/Watt (1)

dabei bedeuten /. die Stokes-"Wellenlänge und c die Licht-

s *

geschwindigkeit, und zwar jeweils in cgs-Einheiten. I ist

30 9 ^: ."5/1 0 55

BAD

-2

die Anregungsintensität in W cm , dieElektrizitätskonstante bei der Stokes-Wellenlänge, h die Planks ehe Konstante und η der Bose-Einsteinsche Besetzungsfaktor, η ist der effektive Brechungsindex bei der Anregungsfrequenz. Zur Erläuterung sind in Fig. 2 die Gewinnkurven dreier verschiedener Gläser gezeigt. Kurve 31 bezieht sich auf Quarzglas; Kurve 32 gilt für ¹¹PYREX" (eingetragenes Warenzeichen); und Kurve 33 bezieht sich auf Natriumcalciumsilikat im Verhältnis 20:10:70. Die Ordinate gibt den normierten Gewinn an.

Diese Gewinn- oder Verstärkungskurven wurden erhalten von spontanen Streuungsdaten, die man unter Verwendung eines kontinuierlich arbeitenden Argonlasers (514, 5 Nanometer) und eines Doppelspektrometers aufgenommen hat. Die Laserleistung betrug 200 Milliwatt und die spektrale Auflösung war 5 cm . Der Ramanquerschnitt ist direkt proportional der Intensität des spontanen Ramanspektrums. Der maximale Gewinn unterscheidet sich von Glas zu Glas

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sehr wenig und beträgt für eine Anregung bei 532. Nanometer etwa 5x10 era/Watt (* g/l). Die Gewinnzahl erhielt man durch einen Vergleich der Streuungsintensität in den Gläsern mit den Spitzenintensitäten in Kristallquarz und Benz&I, für welche die absoluten Raman-Streuungsquersehnitte sorgfältig gemessen hatte. Der maximale differentielle Querschnitt in Quarzglas war ein um 25 kleinerer Faktor als der maximale differentielle Querschnitt der 464 cm -Linie in Kristallquarz.

Die Verstärkung für einen einzigen Durchlauf in einer langen Faser kann berechnet werden aus der Beziehung:

Cn CP^/F^ - fe/i) . F . tP™t-r²) fl-e~^> - iL (2)

Dabei bedeuten P und P die Signal- und Anregungsleistung, s ρ ■

den linearen Verlustkoeffizienten, L die Länge und F den Kopplungskoeffizienten zwischen Leitungsmoden,

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Bei der langen Faser wurde auch eine stimulierte Brillouin-Streuung in Rückwärtsrichtung beobachtet. Es war keine Rückwärts-Ramanstreuung zu beobachten. Der Gewinnkoeffizient g/l für stimulierte Brillouin-Streuung im Quarz-

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glas ist etwa 3x10 cm/Watt. Dies wurde unter Verwendung von Daten für Quarzglas berechnet, für welches die Brillouin-Schiebung bei 532 Nanometern 32,8 GHz und die Linienbreite (FWHM) etwa 93 MHz beträgt (unter der Annahme einer linearen Erhöhung vom gemessenen Wert bei 632, 8 Nanometer). Der elasto-optische Koeffizient beträgt 0,271. Es wird nicht erwartet, daß der Brillouin-Gewinn für verschiedene Gläser merklich unterschiedlich ist. Auf eine erste Betrachtung hin kann man erwarten, dal! der große Brillouin-Gewinn die Beobachtung stimulierter Ramanstreuung stört.

In Wirklichkeit kann der Ramanprozeß wegen der relativen Breitbandigkeit der Anregung dominieren. Der Anregungswirkungsgrad der Brillouin-Linie wird durch das Verhältnis der Brillouin-Linienbreite zur Anregungslinienbreite vermindert. Für die Ramanlinie ist die Gewinnkurve viel breiter als

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die Anregungslinienbreite und die gesamte Anregungsleistung ist wirksam. Nach Einbeziehung der relativen Linienbreiten typischer-Anregungen und Brillouin-Linien sind der Ramantmd der Brillouin-Gewinn etwa gleich. Die Verwendung selektiv beschichteter Spiegel in einer Oszillatoranordnung zum Erhalt einer Resonanz vorwiegend oder ausschließlich der Ramanstreuungsstrahlung sollte eine Hervorhebung·-gegenüber stimulierter Brillouin-Streuung bewirken. .

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß.die Verwendung langer, wenig Verlust behafteter Fasern zur Beobachtung einer stimulierten Streuung bei viel kleineren Leistungspegeln.führt als sie hier angegeben sind. Mit den gezeigten Gewinnen und mit derzeit erreichbaren Faserverlusten kann man starke stimulierte Ramanstreuung und stimulierte Brillouin-Streuung bei Leistungspegeln von einigen Watt erwarten.' Der durch diese Streuung eingeführte Verlust erzeugt eine zusätzliche Einengung beim Aufbau optischer, Glasfasern verwendender Nachrichtenanlagen. "■■-..

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Id

In der Ausführungsform der Fig. 3 wird eine Abstimmung bewirkt durch leichte Neuausrichtung des dispersiven Prismas 19, da verschiedene Frequenzen im inneren des Prismas 1 9 mit etwas verschiedenen Winkeln gebrochen werden. Die Stokes-Frequenz, die praktisch senkrecht auf die reflektierende Ausgangsoberfläche auftrifft, ist die Frequenz, bei der Resonanz eintritt.

Eine Abstimmung kann auch auf andere Weise erreicht werden, wie es in der modifizierten ausführungsform der Fig. 4 dargestellt ist. Kurz gesagt verwendet die Ausführungsform der Fig. 4 die natürlich vorhandenen chromatischen Aberrationen einer Linse.

Beim modifizierten Äbstimrnungsverfahren nach Fig. 4 sind die Linse 17 und das Prisma 19 der Fig. 3 durch eine Kombination von Bauelementen ersetzt, die als wichtigstete eine Linse 47 mit chromatischer Aberration und einen dichroitischen Reflektor 45 umfassen, der axial verschoben werden kann,

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um seinen Abstand bezüglich der Linse 47 zu ändern. Dieser Abstand wird beispielsweise verändert mittels einer Stellschraube 57, welche die Befestigung 51 des Reflektors 45 verschiebt, wenn die Schraubenwindungen durch feststehende Befestigungen 54 und 55 hindurch vorwärts oder rückwärts bewegt werden. Beispielsweise wird die Linse 47 von der feststehenden Befestigung 55 gehalten.

Die Funktionsweise der Abstimm-Methode der Fig. 4 kann man leicht verstehen, wenn man annimmt, daß die Linse unter der Absicht hergestellt wird, die chromatischen Aberrationen nicht zu korrigieren sondern vielmehr zu erhöhen. In diesem Fall werden verschiedene Farben oder Lichtwellenlängen in etwas verschiedenen Abständen von der Linse 47 fokussiert. Deshalb ist die optimale Stellung der Linse bezüglich des Reflektors 45 für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich. Der Oszillator neigt zur Schwingung bei der Wellenlänge, für welche der Abstand zwischen der Linse 47 und dem Reflektor 45 am nächsten am Optimum liegt.

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Es können viele andere Modifikationen der aufgezeigten Ausführungsformen gemacht werden. Beispielsweise könnten die'Untersuchungen ebenso gemacht werden mit einer kontinuierlich strahlenden Argon-Ionenlaserquelle 12 mit einer Anregungswellenlänge von 514, 5 Nanometer.

Es ist möglich, sowohl Breitband- Faserverstärker als auch bezüglich der Wellenlänge abstimmbare Oszillator aufzubauen. Ein solcher Verstärker ist in Fig. 5 dargestellt. Die Ausführungsform der Fig. 5 unterscheidet sich von der der Fig. 1 darin, daß der optische Resonator weggelassen ist, daß die die kollimierten Strahlenbündel beiderseits der Faser koppelnden Linsen modifiziert sind, und daß ein schrägliegender dichroitischer Reflektor 64 vorgesehen ist, um das Anregungstrahlenbündel mit einem modulierten Strahlenbündel bei der Ramanträgerfrequenz von einem Nachrichtenübertrager 61 zusammenzuführen. Ein Empfänger 70 ersetzt nun die Vorrichtung 20 der Fig. und demoduliert das verstärkte modulierte Strahlenbündel bei der Ramanträgerfrequenz, um an seinem Ausgang das Ausgangssignal zu ergeben.

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Das modulierte Strahlenbündel vom Übertrager 61 wird durch stimulierte Ramalistreuung verstärkt. -

Bezüglich weiterer Gesichtspunkte .wird die Ausführungsform der Fig. 5 auf gleiche Weise aufgebaut und betrieben wie die der Fig, I..

Die Ausführuiigsform der Fig, 6 unterscheidet sich von der der Fig. 1 darin., daß im Resonator eine Zelle 72 zur phasenstarren Modenkopplung vorgesehen ist, typischerweise eine verdünnte, sättigungsfähige Diäthyloxydiearbocyanin-Farbstoff-Absorptionszelle {DODG) um Ausgangsimpulse der Ramanstrahlung im Sub-Picosekundenbereich { - 1Ό Sek..) zu erzeugen. Diese Impulse sind nützlich für Laborinstrumente und optische Nachrichtenverbindungen.

09 V ;· 5 /.10

Claims

Patentansprüche

ΐΛ Ramanstreuung ausnutzende Vorrichtung, in der

ein kohärentes optisches Anregungstrahlenbündel mittels einer Übertragungseinrichtung durch ein aktives Medium hindurch übertragen und die gestreute Strahlung verstärkt

dadurch gekennzeichnet,

daß das aktive Medium eine erschmolzene optische Faser

(11) mit Wellenleitereigenschaften ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung als Resonator mit einer Resonanzeinrichtung (14,15) ausgebildet ist, und daß die Übertragungseinrichtung und die Resonanzeinrichtung zur Unterdrückung der Brillouin-Strahlung zusammenwirken.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines verstärkten modulierten Strahlenbündels, gekennzeichnet durch eine Kombinationseinrichtung (64), die das Anregungstrahlenbündel und ein moduliertes Strahlenbündel, das bei der Frequen'z des Ramanstrahlungsbündels schwingt, vor dem Eintritt in die Faser zusammenführt, wobei der Gesamtstrahl zur Stimulierung der Ramanstreuung dient, ....

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, . .. ■ , dadurch gekennzeichnet, ., . . · daß die Resonanzeinrichtung zur selektiven Abstimmung der Faser auf eine Ramanstreustrahlung einer Wellenlänge, die länger als die des Anregungsstrahlenbündels ist, verwendbar ist. . : ■ .. _. _ ._ " . . ..-.·.,

5. .,... ,Vorrichtung.nach Anspruch 4, .- .... , dadurch gekennzeichnet, _f

daß die Übertragungseinrichtung mindestens einen dichroitischen Reflektor (18) umfaßt, wobei die Reflektion für das Anregungs strahlenbündel geringer als für die Ramanstreustrahlung ist*

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch¹'gekennzeichnet,

daß eine Abstimmvorrichtung (19 oder 47, 51) zum Abstimmen des in Resonanz bef indlichen Strahls vorgesehen ist. ■*

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, · dadurch gekennzeichnet,

daß die Abstimmeinrichtung ein der Resonanzeinrichtung zugeordnetes dispersives Prisma (19) umfaßt, dessen Winkelstellung um eine quer zur Achse der Resonanzeinrichtung verlaufende Achse einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abstimmeinrichtung eine der Abstimmung der Resonanz* einrichtung auf eine bestimmte Wellenlänge dienende Linse (47) mit chromatischen Aberrationen und einen axial verschiebbaren Reflektor (51) aufweist.

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9. Vorrichtung nach einem .der Ansprüche 2 bis 8₃

dadurch gekennzeichnet,

daß innerhalb der Resonanzeinrichtung eine Vorrichtung (72) zur phasenstarren Modenkopplung des Ranaanstreuungs-Strahlenbündels vorgesehen ist, um im Verein mit dem Anregungsstrahlenbündel und der Faser eine Kette von Impulsen im Sub-Picosekundenbereich zu erzeugen.

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