DE2314084C3 - Verfahren zur Stimulierung eines Dualpolarisationsbetriebes in einem optischen Sender (Laser) und optischer Sender zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stimulierung eines Dualpolarisationsbetriebcs in einem optischen Sender (Laser), in dessen ansonsten isotrop ausgebildetem optischem Resonator, außer einem stimulierbaren Medium zwei Vorrichtungen für lineare Doppelbrechung angeordnet sind, von denen wenigstens eine steuerbar bzw. modulierbar ist, sowie einen optischen Sender zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der USA.-Patentschrift 36 22 912 ist bereits ein Gas-Laser der eingangs genannten Art bekannt. Die steuerbare doppelbrechende Vorrichtung wird hierbei z. B. mit einer Signalspannung beaufschlagt. Hierdurch wird die Polarisationsrichlung der erzeugten Laserschwingungen proportional zu der angelegten Signalspannung gedreht. Durch ein nachgeschaltetes linear polarisierendes Bauteil kann eine Amplitudenmodulation der Schwingung erzeugt werden.

Es ist ferner bekannt, in einem Laser einen Dualpolarisationsbetrieb zu stimulieren. Als Ausgangsgröße

ίο eines so betriebenen Lasers werden zwei sonst gleiche, jedoch unterschiedlich polarisierte Strahlen erzeugt.

Dieser Dualpolarisationslaserbetrieb hat mehrere Vorteile, da die Anordnung so getroffen werden kann, daß die AusgangsgröDe aus zwei benachbarten Eigenschwingungen mit zueinander genau senkrechten Polarisationsrichtungen und mit einem steuerbaren Frequenzabstand besteht. Der Dualpolarisationseffekt läßt sich in einfacher Weise durch Anbringung eines optischen Bauteils mit linearer Doppelbrechung innerhalb eines im übrigen isotropen optischen Resonators erreichen. Da ein Schwingungssystem stationärer optischer Wellen nur für solche Signale auftritt, die entweder parallel oder senkrecht zur Hauptachse des doppelt brechenden Bauteils polarisiert sind, werden die möglichen Schwingungen auf Eigenschwingungen mit einer dieser Schwingungsrichtungen beschränkt. Infolge des Unterschieds im Brechwert unterscheidet sich die optische Resonatorlänge für den Parallel- und für den senkrecht dazu polarisierten Schwingungsmodus geringfü-

gig voneinander und demgemäß ist auch die Frequenz der Eigenschwingung geringfügig gegenüber der Frequenz der anderen Eigenschwingung versetzt. Somit werden sowohl die Polarisationsrichtungen als auch der Frequenzunterschied benachbarter Eigenschwingungen durch den Charakter des optischen Bauteils bestimmt. Wird das doppelt brechende Bauteil elektrisch moduliert, so hat dies eine entsprechende Modulation des Frequenzunterschiedes zwischen benachbarten Eigenschwingungen zur Folge. In einem Dualpolarisationssystern werden, wie bereits erwähnt, zwei senkrecht zueinander polarisierte gleiche optische Strahlen erzeugt, und ihr Frequenzunterschied kann mittels informationshaltiger elektrischer Signale moduliert werden. Falls beide Signale in einem optischen Detektor überlagen werden, kann das elektrische informationshaltige Signal zurückgewonnen werden. Praktisch wirkt dabei jeweils der eine optische Strahl als Überlagerungsoszillator für den andern. Da beide Strahlen im wesentlichen den gleichen Turbulenzen der Atmosphäre irr Strahlengang ausgesetzt sind, wird der Einfluß diesel Turbulenzen weitgehend eliminiert. Außerdem lasser sich die senkrecht zueinander polarisierten benachbar ten Eigenschwingungen leicht mittels polarisations empfindlicher Vorrichtung trennen, was eine Stabilisie rung der Betriebsfrequenz des Lasers mit verhältnismä ßig einfachen Vorrichtungen ermöglicht.

Der Kohlenstoffdioxid-Laser besitzt viele nutzban Übergänge im 9 bis 11 μιη-Wellenlängenbereich. Diesi Wellenlängen sind, da sie in einer atmosphärischci Lücke liegen, für Nachrichtenübertragungs- und Ent fernungsmeßzwecke außerordnentlich nützlich. Viel· Infrarot-Wellenlängen werden hingegen durch die At mosphäre stark absorbiert und sind daher njr von bc grenzter Brauchbarkeit. Es wäre daher äußerst er wünscht, den Kohlenstoffdioxid-Laser mit den vorste hend erwähnten senkrecht zueinander polarisicrtei Eigenschwingungen betreiben zu können. Der Dualpolarisatio.isbetrieb ist mit Erfolg auf viel

Gas-Laser-Systeme angewandt worden. Der Kohlenstoffdioxid-Laser zeigt jedoch einen so hohen Grad von Kopplung zwischen benachbarten Eigenschwingungen, daß die Auffindung eines Resonatorzustands, der zur gleichzeitigen Anregung benachbarter Eigenschwingungen führt, Schwierigkeiten bereitet. Die jeweils angefachte Eigenschwingung entzieht nämlich der benachbarten Eigenschwingung in einem solchen Ausmaße Energie, daß die benachbarte Eigenschwingung sich nicht ausbilden kann. Praktisch unterdrückt eine Eigenschwingung die andere. Daher läßt sich mit einem gewöhnlichen ungekoppelten »freilaufenden« CO:-Laser ein Dualpolarisationsbetrieb nicht ohne weiteres erzielen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in einem Laser, dessen uiimulierbares Medium eine starke Kopplung zwischen eng benachbarten Eigenschwingungen zeigt, einen Dualpolarisationsbetrieb zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Laser, in dessen ansonsten isotrop ausgebildetem optischen Resonator außer einem stimulierbaren Medium zwei Vorrichtungen für lineare Doppelbrechung angeordnet sind, von denen wenigstens eine steuerbar bzw. modulierbar ist, dadurch, daß erfindungsgemäß bei der Verwendung eines solchen stimulierbaren Mediums, das eine starke Kopplung zwischen eng benachbarten Eigenschwingungen zeigt, zur Entkopplung zweier senkrecht zueinander polarisierter benachbarter Eigenschwingungen die in ihrer Doppelbrechung steuerbare Vorrichtung zusätzlich mit einer Frequenz beaufschlagt wird, die mit dem Frequenzunterschied zwischen den beiden zu entkoppelnden senkrecht zueinander polarisierten Eigenschwingungen übereinstimmt.

Vorzugsweise wird die Amplitude des elektrischen Steuersignals für die elektrisch steuerbare Doppelbrechungsvorrichtung etwas größer gewählt als zur Stimulierung des Dualpolarisationsbetriebs in dem Laser erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin auch einen optischen Sender zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dessen ansonsten isotrop ausgebildetem optischen Resonator außer einem stimulierbaren Medium zwei Vorrichtungen für lineare Doppelbrechung angeordnet sind, von denen wenigstens eine steuerbar bzw. modulierbar ist und wobei crfindungsgemäß die Doppelbrechungsachse der elektrisch steuerbaren DoppelbrechungsvoTichtung unter einem Winkel bezüglich der Doppelbrechungsachse der anderen Doppelbrechungsvorrichtung angeordnet ist und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals für die elektrisch steuerbare Doppelbrechungsvorrichtung aufweist, wobei das elektrische Steuersignal eine Frequenz besitzt, die annähernd dem Frequenzunterschied zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Dualpolarisationseigenschwingungen entspricht.

Diese elektrisch steuerbare Doppclbrcchungsvorrichtung ist so ausgebildet, daß eine Doppelbrechung in Abwesenheit eines elektrischen Signals im Vergleich zu der fest eingestellten Doppelbrechungsvorrichtung sehr schwach ist. Die Doppelbrcchungsachsc dieselelektrisch steuerbaren Doppelbrechungsvorrichtung ist vorzugsweise unter 45° bezüglich der Doppeibrechungsachse der fest eingestellten Doppelbrechungsvorrichtung verdreht angeordnet. Bei Anlegen einer Spannung an diese steuerbare Doppelbrechungsvorrichtung nimmt ihre Doppelbrechung zu. Sie ist bestrebt, die Laserpolarisation von dem durch die fest eingestellte Doppelbrechungsvorrichtung bestimmten Wert wegzuziehen. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Doppelbrechungsvorrichtung wird die vorgegebene Nominalpolarisation moduliert oder zyklisch gedreht. Der Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, daß bei Modulation der Polarisation mit einer Frequenz, die gleich der Differenzfrequenz zweier durch die fest eingestellte Doppelbrechungsvorrichtung bedingten Eigenschwingungen ist, bereits ein sehr geringer Modulationsgrad, eine Umverteilung der Energie zwischen erlaubten benachbarten Eigenschwingungen eines CCh-Lasers und damit eine weitgehende Entkopplung oder geschwächte Kopplung zwischen den Eigenschwingungen bewirkt, derart, daß diese gleichzeitig schwingungsfähig sind. Daher läßt sich beim Vorlegen einer derartigen Modulation der gewünschte Dualpolarisationsbetrieb des Lasers zuverlässig erzielen. Das erfindungsgemäße Prinzip der elektrooptischen weitgehenden Entkopplung oder geschwächten Kopplung der vorstehend genannten Art wird im nachfolgenden als Modulationskopplung bezeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g. 1 ein Geschwindigkeitsmeßsystem unter Verwendung eines Kohlenstoffdioxidlasers mit Modulationsentkopplung,

F i g. 2 einen Kohlenstoffdioxidlaser mit Modulationsentkopplung und Frequenzstabilisierung, F i g. 3 einen Kohlenstoffdioxidlaser als Nachrichtenübertrager mit selbst verriegelnder Modulationsentkopplung,

F i g. 4 einen Kohlenstoffdioxidlaser mit Modulationsentkopplung in Ausbildung als tastbarer Nachrichtenübertrager.

In F i g. 1 enthält ein Laser-Gasenlladungsrohr 1 Kohlenstoffdioxid, das in geeigneter Weise mittels einer Gleichspannungsquelle 2 durch eine Gasentladung angeregt wird. Der linke stirnseitige Abschluß 3 weist eine reflektierende Oberfläche 4 auf, deren Brennpunkt mit dem eines zweiten Reflektors 5 rechts zusammenfällt. Der zweite Reflektor 5 ist teildurchlässig, um eine Energieentnahme aus dem Resonator zu ermöglichen. An seinem rechten Ende ist das Laserrohr mit einem Fenster 6 mit einem Antireflexionsüberzug verschlossen. Im allgemeinen wird in einem Laserrohr dieser Art, wie in F i g. 1 gezeigt, keine spezielle Polarisationsrichtung benachteiligt oder begünstigt. Erst die außerhalb des Laserrohrs angeordneten optischen Bauteile bewirken eine Beeinflussung oder eine Auswahl der Schwingungsrichtung.

Ein optisches Bauteil 7 mit geeigneter fester lineare! Doppelbrechung bewirkt das gewünschte Dual-Polari sationsverhalten des Lasers. Dieses Bauteil besitzt eim Doppelbrechungsachse derart, daß nur solche stationä rcn Eigenschwingungen angefacht werden können, dii entweder parallel oder rechtwinklig zu dieser Achsi polarisiert sind.

Gegebenenfalls kann das Bauteil für lineare Doppel brechung mit einem Antireflexionsüberzug versehe und gegebenenfalls als Fenster 6 verwendet werden.

Die Doppelbrechung des Bauteils 7 kann aber auc (durch nicht dargestellte Mittel) elektrisch gestcuci sein. In bestimmten Werkstoffen kann die Doppelbri chungseigenschaft durch ein elektrostatisches oder ei magnetisches Feld induziert werden. Derartige Vo richtungen sind mit Vorteil anwendbar, wo eine Steui rung oder Modulation der Doppelbrechung erwünscl ist.

Mit den bisher beschriebenen optischen Bauteilen kommt es zu einem Dual-Polarisations-Laserbetrieb nur, falls die Kopplung zwischen benachbarten Eigenschwingungen schwach ist. Die Gasentladung erzeugt in dem im Laserrohr eingeschlossenen stimulierbaren Gas, im Plasma eine Inversion von Energiezustanden. Das Gas fluoresziert und würde normalerweise optische Energie innerhalb eines verhältnismäßig breiten Bandes in sämtlichen Richtungen emittieren. Indem man das stimulierbare Medium in einem optischen Resonator einschließt, der Eigenschwingungen als Harmonische seiner Grundfrequenz innerhalb der Fluoreszenzbandbreite aufweist, kommt es zu der spezifischen Laserwirkung. Auf einem optischen Weg innerhalb des Resonators, für den eine stationäre stehende Wellcnverteilung möglich ist, wird das angeregte Gas kohärente Photonen emittieren, die ihrerseits weitere Übergänge in dem Gas auslösen, wodurch es zur Freisetzung von monochromatischer Energie kommt, die mittels des teildurchlässigen Reflektors ausgestoßen werden kann. Durch die Anisotropie des doppelbrechenden Bauteils wird die Polarisation des Systems stehender Wellen auf eine Richtung parallel zur Doppelbrechungsachse oder senkrecht hierzu begrenzt. Da der Brechwert für diese beiden Achsen unterschiedlich ist, besitzt die senkrecht polarisierte Eigenschwingung eine andere Frequenz als die dazu benachbarte, waagrecht polarisierte Eigenschwingung, wobei der Frequenzunterschied in Beziehung zur Stärke der Doppelbrechung steht.

Viele Laser des vorstehend beschriebenen Typs werden von Haus aus gleichzeitig in beiden Arten schwingen, da die Kreuzkopplung zwischen den Eigenschwingungen gering ist. Der KoMenstoffdioxidlaser hingegen besitzt eine starke Kopplung zwischen derartigen Eigenschwingungen, und zwar in einem solchen Ausmaß, daß es äußerst schwierig ist, beide Eigenschwingungen gleichzeitig anzuregen. Im letzteren Fall entzieht die angefachte Eigenschwingung der anderen ihre Energie in solchem Ausmaß, daß nur eine Eigenschwingung übrigbleibt. Eine Verstellung des Spiegelabstandes bewirkt dabei ein Umkippen des Schwingungszustandes von einer Eigenschwingung zur anderen. Nur mit großer Schwierigkeit läßt sich eine Einsteilung finden, in welcher beide Eigenschwingungen gleichzeitig aufrechterhalten werden. Falls eine Dual-Polarisation gewünscht wird, ist ein solches Verhalten des Kohlenstoffdioxidlasers sehr unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich mit einer verhältnismäßig einfachen Maßnahme ein Dual-Polarisations-Betrieb von Kohlenstoffoxidlasern erzwingen läßt. Es genügt bereits, den Laser einer schwachen Polarisationsmodulation mit dem Frequenzabstand der senkrecht zueinander polarisierten Eigenschwingungen zu unterwerfen.

Das optische Bauteil 8 in F i g. 1 ist ein Polarisationsmodulator. Es stellt ein doppelbrechendes Bauteil dar, bei welchem der Betrag der Doppelbrechung elektrisch mittels eines Hf-Generators 9 variiert wird. Die Doppelbrechungsachse des Bauteils 8 ist vorzugsweise unter 45° gegenüber derjenigen der doppelbrechenden Platte 7 ausgerichtet. Sein Doppelbrechungsvermögen wird klein gegenüber demjenigen des Bauteils 7 gewählt. Bei einer elektrischen Steuerung des Modulators 8 durch den Generator 9 ändert sich die Stärke seiner Doppelbrechung derart, daß es die Polarisation des Lasers von der durch die Platte 7 begründeten ursprünglichen Richtung weg zu drehen sucht.

Wird der Modulator 8 mit der der Frequenzdifferenz zwischen den durch die Platte 7 erzeugten rechtwinklig zueinander polarisierten benachbarten Eigenschwingungen entsprechenden Frequenz beaufschlagt, so kann hierdurch der Laser zur gleichzeitigen Schwingung in beiden Eigenschwingungen veranlaßt werden.

Die durch die vollausgezogcnc Linie 10 angedeutete Ausgangsstrahlung des optischen Resonators enthält beide Polarisationsrichtungen.

ίο Ein erster Strahlteiler 11 in Gestalt einer durchlässigen Platte ist umer einem solchen Winkel angeordnet, daß er polarisationsempfindlich ist. Die parallel zur Einfallsebene des Strahlleilers 11 polarisierte optische Komponente wird längs des Weges 10a durchgelassen, während die senkrecht hierzu polarisierte Komponente längs des Weges 10b reflektiert wird. Das längs 10a durchgelassene Signal wird über einen isotropen zweiten Strahlteiler 12 einem entfernten Versuchskörper 13 zugeführt, von welchem es zu dem Strahlteiler 12 zu-ίο rückreflektiert wird. Ein Teil der von dem Versuchskörper zurückreflektierten Energie wird an dem Strahltciler 12 in einen optischen Detektor 14 reflektiert. Diesem Detektor wird ferner auch ein Übcrlagcrungssignal längs 10b zugeführt, das an einem vorderscitig Z₅ verspiegelten Spiegel 15 reflektiert wurde. Da die beiden dem Photodetektor 14 zugeführten Signale zueinander rechtwinklig polarisiert sind, ist ein unter 45° zur Strahlpolarisation orientierter Polarisator 16 zur Mischung der beiden Signale im Strahlengang vorgesehen. Die Ausgangsgröße des Photodetektors 14, der auf die Laserwellenlänge anspricht, enthält eine dem Frequenzunterschied zwischen den optischen Eingangssignalen entsprechende elektrische Frequenzkomponente. Wenn sich der Versuchskörper 13 nicht bewegt, so wird diese Frequenz durch den Betrag der Doppelbrechung in der doppelbrechenden Platte 7 bestimmt. Unter der Annahme, daß das Signal 10a eine niedrigere Frequenz als das Signal 10b besitzt, wird eine Bewegung des Versuchskörpers 13 auf den Laser zu eine Verringerung der Schwebungs- bzw. Überlagerungsfrequenz des Detektors 14 bewirken. Umgekehrt bewirkt eine Bewegung des Versuchskörpers vom Laser fort eine Zunahme der Schwebungs- bzw. Überlagerungsfrequenz. Mittels elektronischer Demodulatorschaltungen 17 werden die jeweiligen Überlagerungs- bzw. Schwebungsfrequenzwerte bestimmt und hieraus die Information über die Relativgeschwindigkeit des beweglichen Versuchskörpers 13 abgeleitet.

Da der Laser im 9 bis 11 μπι-Bereich arbeitet, ergibi sich für diese Strahlung eine hohe atmosphärisch« Durchlässigkeit und Durchdringung über weite Entfer nungen hinweg. Auch wird diese verhältnismäßig lang« Wellenlänge durch die feinen Aerosol-Teilchen voi Nebel und Dunst nicht nennenswert gestört. F i g. 2 veranschaulicht die Anwendung einer erfin dungsgemäßen Modulationsentkopplung in einem sta bilisierten Laser. Sie zeigt das Laserrohr 1 mit seine Spannungsquelle 2, mit dem linken Resonatorspiegel auf der Stirnplatte 3 und mit dem rechten teildurchlä! sigen Spiegel 5 entsprechend den Teilen in F i g. 1. m der Ausnahme, daß der Resonator-Spiegel 5 mitte eines piezoelektrischen Trägers in axialer Richtur verstellbar ist Die linear-doppelbrechende Platte 7 e zeugt wiederum eine Dual-Polarisation mit Frequen Versetzung, und der von einem Hf-Generator 9 beat schlagte Modulator 8 bewirkt wieder die durch leich Modulation geschwächte Kopplung. Auf diese Wei kommt es wieder zur Ausbildung eines Dualpolaris

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tionsbelriebs, wie er an Hand von l·" i g. 1 beschrieben, und der Ausgangsstrahl 10 umfaßt zwei sonst gleiche Strahlen, die lediglich senkrecht zueinander polarisiert sind und voneinander geringfügig verschiedene optische Frequenzen aufweisen. Ein isotroper ersier Sirahlteiler 18 zweigt einen Bruchteil des Strahlbündels 10 zu einem polarisationsabliängigcn zweiten Slrahlteilcr 19 ab. Die übrige Alisgangsstrahlung sieht für den jeweils gewünschten Anwendungszweck zur Verfügung. Der polarisalionsempfindliche Strahlteiler 19, beispielsweise ein Wollaston-Prisnia, bewirkt eine Divergenz der senkrecht polarisierten Strahlungskomponcntcn, derart, daß einem ersten Photodetektor 20 nur die eine Polarisationsrichtung und einem zweiten Photodelektor 21 nur die andere Polarisationsrichtung zugeführt wird. Die beiden Photodctcktoren 20 und 21 arbeiten auf einen Differenzverstärker 22, der das Steuersignal für den piezoelektrischen Träger 23 erzeugt. Im Betrieb wird mittels der Ausgangsgröße des Differenzverstärkers 22 der piezoelektrische Träger 23 im Sinne einer Veränderung der Länge des optischen Resonators so lange verstellt, bis die Ausgänge der Phoiodclckioren 20 und 21 gleich groß sind. Hierdurch werden die Resonatorlänge und damit die Absolutfrequenzen der Eigenschwingungen stabilisier!. Mit einem herkörrimü chen Kohlenstoffdioxidlascr ist ein derartiges einfaches Slabilisierungssystcm nicht möglich. Durch Hiti/unahinc der Bauteile 8 und 9 wird so in einfacher Weise eine ausgezeichnete Stabilisierung erreicht.

I i g. 3 veranschaulicht einen Dual-Polarisationssender für Nachrichtenübertragungszweckc. Das Kohlenstoffdioxid als stimulierbarcs Medium enthaltende Laserrohr 1 wird mittels der Spannungsqucllc 2 über eine Gasentladung angeregt. Die Stirnplatte 3 schließt das l.aserrohr links ab und weist innen eine Spiegelfläche 4 auf. Durch den teildurchlässigcn Resonator-Spiegel 5 wird der optische Resonator rechts begrenzt: das Fenster 6 verschließt das Laserrohr am rechten Ende. F.in lincar-doppelbrcchendes Bauteil 24 ist durch einen Modulator 25 elektrisch modulierbar, durch welchen die an eine entfernte Stelle zu übertragenden optischen Nachrichiensignale der Strahlung aufgeprägt werden. In dem Maße, wie der Modulator 25 den Betrag seiner linearen Doppelbrechkrafl verändert, verändert sich der Frequenzabstand zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Ausgangsstrahlcn. Voraussetzung ist, daß der Modulator 25 von einer festen Gleich-Vorspannung überlagert wird, so daß sich bereits ohne Modulation eine Ruhegrößc des Strahlfrcqucnzabstandcs als eine feste Schwebungs- oder Trägerfrequenz ausbilden kann. Die zu übertragende Nachricht wird in Form eines Wechselstromsignals der Gleichstromvorspannung überlagert. Die Nachricht stellt somit eine Frequenzmodulation des Trägers dar. Ein Bruchteil des Ausgangsstrahls 10 wird durch einen isotropen Strahlteiler 17 zu einem Polarisator 16 und einem Detektor 14 abgezeigt. Die übrige Strahlungsenergie steht zur Übertragung an die entfernte Station des Nachrichtenübcrtragungssystcms zur Verfügung.

Der Polarisator 16 ist unler etwa 45' bezüglich der Sirahlpolarisation orientiert, derart, daß der Photodetektor 14 ein elektrisches Ausgangssignal mit einer Wcchsclstromkomponcnte erzeugt, deren Frequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserstrahlen ist. Ein Verstärker 26 führt dieses Signal einem zweiten Polarisationsmodulator 8 /u. Durch dieses Rückführsysicm wird der zweite Polansationsinodulator 8 stets mit einem Signal gespeist, dessen Frequenz gleich den l'requenzabstand zwischen den senkrecht zueinandei polarisierten Eigenschwingungen ist, selbst wenn diesel l'requenzabstand zwischen den Eigenschwingunger durch das im Bauteil 24 zugeführte Wechselstromsigna stetig verändert wird. Auf diese Weise wird, sobald dk Resonatorlänge zu Anlang einmal über den Bereich hin, in welchem beide Dualpolarisations-Eigcnschwin giingen normalerweise gleichzeitig vorübergehend be

ίο stehen können, angeregt wird, der Dualpolarisations Betrieb stetig über ein breites Modulationsband des La sers hin aufrechterhalten. Ohne die Polarisationsmodulation könnte der Kohlenstoffdioxidlascr nicht als Dual-Polarisations-Frequenzmodulations-Sender verwendet werden.

In F i g. 4 ist die Anwendung der Modulationscntkopplung im Taslbetrieb auf einen als Nachrichtenübertragungsglied dienenden Kohlenstoffdioxidlascr veranschaulicht. Die Laserteile sind die gleichen wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen. Jedoch wird in diesem Falle dem Polarisationsmodulator 8 von einem getasteten Hf-Gencrator 27 ein EIN-AUS-Hf-Signal zugeführt. Die Hf-Frequenz wird gleich dem Frequenzunterschied zwischen den senkrecht zueinander polarisierten Eisenschwingungen, wie sie durch das linear-doppelbrcehende Bauteil 7 erzeugt werden, gewählt. Im aufgetasteten Zustand der Hochfrequenz emittiert der Laser Dual-Polarisationsencrgie. während im nicht- bzw. ausgetasteten Zustand der Hochfrcquenz nur eine Eigenschwingung emittiert wird.

Am entfernten Ende des Nachricht jnübertragungskanals wird die Laserausgangsstrahlung in einem Empfänger abgefühll. Ein Photodetektor 14 spricht auf die optische Energie an, wobei ein unter 45° bezüglich der Lascrpolarisation orientierter Polarisator 16 eine Mischung der Laserstrahlen in dem Photodetektor bewirkt, wenn zwei Laserstrahlen vorliegen. Ein Bandpaßfilier 28 ist auf den Frequenzabstand zwischen den rechtwinklig zueinander polarisierten Lasereigcnschwingungen abgestimmt. Ein Demodulator 29 wandelt die Hf-Signalc vom Ausgang des Filters 28 in herkömmliche Impulse um. Bei Auflastung des Polarisationsmodulators 8 durch die Hochfrequenz emittiert der Laser, wie erwähnt, dual-polarisiertc Strahlen und am Ausgang des Demodulators 29 tritt somit ein Glcichstromsignal auf. Im nichtgetas'eten Zustand des Modulators 8 wird nur ein Strahl emittiert, und der Demodulator 29 erzeugt keine Ausgangsgröße. Auf diese Weise wird unter Ausnutzung der Modulationscntkopplung ein einfacher Tasl-Modulator-Nachrichtenübertrager geschaffen.

Beispiel 1

Zur Demonstration der erfindungsgemäßen durch Polarisationsmodulation geschwächten Kopplung wurde ein Kohlenstoffdioxid-Laserenlladungsrohr von 60 cm Länge und 1 cm Innendurchmesser verwendet. Ein optischer Resonator von 1 m mit einem ebenen. 90% reflektierenden Auskopplungsspiegel wurde so eingestellt, daß seine Resonanzfrequenz über den nutzbaren Kohlenstoffdioxid-Verstärkungsbercich abgestimmt werden konnte. Eine mechanisch vorgespannte Germanium-Platte mit Antireflcxionsüberzügen diente als Iinear doppelbrechendes Bauteil (vgl. Bauteil 7 in der Zeichnung). Der Polarisationsmodulator 8 gemäß der Zeichnung war ein Galliumarscnid-Kristall von 5 cm Länge mit einer 3 mm großen Öffnung. Diese Vorrieh-

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lung hatte eine Ikilbwellcnempfindliehkeii von 1 i,^r> kV. Ohne Anliegen einer Spannung an dem Modulator gelang ein Dual-Polarisationsbetrieb nur innerhalb eines L.ascrfrequeiiz-Abstimmbcrcichs von weniger als 15OkIIz. Bei Anlegen einer Spannung von 0,5 Veff an den Modulator wurde ein Dualpolarisalionsbetricb über einen Abstimmbereich von bis zu 20 MHz erzielt. Diese Modulation bewirkte eine Doppclbrechungs-Phasenverschiebung von nur 1,2 · 10~' rad.

Beispiel 2

Mit den Bauteilen wie in Beispiel 1 beschrieben wurde eine Anlage gemäß der Anordnung nach F i g. 3 aufgebaut. Das mechanisch vorgespannte doppelbrcehcnde Bauteil wurde durch einen elektrooptischen Kristall ersetzt. Die Verstärkung des Verstärkers 26 war auf die Erzeugung eines Ausgangssignals von etwa 2 Vcff eingestellt. Der Modulator 25 erzeugte eine 600 V-Glcichsirom-Vorspannung für den zusätzlichen elektrooptischen Kristall 24, zur Erzeugung eines Frequenzabstandes von etwa 11 MIIz zwischen den Dual-Polarisalions-Eigenschwingungcn. Ein Signal von 100 Veff bei 1.5 MIIz von dem Modulator 25 ergab eine Frequenzabweichung von ±2,4 MHz. Die resultierende Modulation konnte an einem Spektralanalysator als herkömmliche Frequenzmodulation beobachtet werden. Das Frequcnzstabilisierungssystem aus F i g. 2 wurde in der Vorrichtung erfolgreich angewandt.

Im vorgehenden wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Anwendung der Modulationsentkopplung erläutert, wobei jeweils spezielle Laser- und anderweitige Bauteile zum Aufbau der Systeme dienten; anderweitige Anwendungsfälle und Systembauteile ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres. Der Kohlenstoffdioxid-Lascr wurde wegen seiner außerordentlichen Bedeutung im einzelnen beschrieben. Jedoch dürften anderweitige derartige homogen verbreiterte Lasersysteme ein ähnliches Verhalten zeigen. Beispielsweise werden sich allgemein Yitrium-Aluminium-Granai-Lascr und loncnlascr zur vorteilhaften Anwendung der erfindungsgemäßcn Polarisationsmodulationsentkopplung eignen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Stimulierung einses Dualpolarisationsbetriebes in einem optischen Sender (Laser), in dessen ansonsten isotrop ausgebildetem optischen Resonator außer einem stimulierbaren Medium zwei Vorrichtungen für lineare Doppelbrechung angeordnet sind, von denen wenigstens eine steuerbar bzw. modulierbar ist, dauurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung eines solchen stimulierbaren Mediums, das eine starke Kopplung zwischen eng benachbarten Eigenschwingungen zeigt, zur Entkopplung zweier senkrecht zueinander polarisierter benachbarter Eigenschwingungen die in ihrer Doppelbrechung steuerbare Vorrichtung (8) zusätzlich mit einer Frequenz beaufschlagt wird, die mit dem Frequenzunterschied zwischen den beiden zu entkoppelnden senkrecht zueinander polarisierten Eigenschwingungen übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des elektrischen Steuersignals für die elektrisch steuerbare Doppelbrechungsvorrichtung (8) etwas größer gewählt wird als zur Stimulierung des Dualpolarisationsbetriebes in dem Laser erforderlich ist.

3. Optischer Sender (Laser) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, in dessen ansonsten isotrop ausgebildetem optischen Resonator außer einem stimulierbaren Medium zwei Vorrichtungen für lineare Doppelbrechung angeordnet sind, von denen wenigstens eine steuerbar bzw. modulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelbrechungsachse der steuerbaren Doppelbrechungsvorrichtung (8, 24) unter einem Winkel bezüglich der Doppelbrechungsachse der anderen Doppelbrechungsvorrichtung (7) angeordnet ist und eine Vorrichtung (9 in F i g. 1 und 2; 25,26 in F i g. 3; 27 in Fig.4) zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals für die elektrisch steuerbare Doppelbrechungsvorrichtung (8, 24) aufweist, wobei das elektrische Steuersignal eine Frequenz besitzt, die annähernd dem Frequenzunterschied zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Dualpolarisationseigenschwingungen entspricht.

4. Optische Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Orientierung der Doppelbrechungsachse der elektrisch steuerbaren Doppelbrechungsvorrichtung (8, 24) bezüglich der Doppelbrechungsachse der anderen Doppelbrechungsvorrichtung (7) etwa 45° beträgt.

5. Optischer Sender nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als stimulierbares Medium Kohlenstoffdioxid aufweist.