DE3008022A1 - WAVE TYPE CONVERTER FOR ELECTROMAGNETIC WAVES - Google Patents
WAVE TYPE CONVERTER FOR ELECTROMAGNETIC WAVESInfo
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Description
Brief vom Blatt Jr Dlpl.-Ing. G. Schliebs Letter from Leaf Jr Dlpl.-Ing. G. Schliebs
das Deutsche Patentamt, Munch on Patentanwaltthe German Patent Office, Munch on Patent Attorney
Die Erfindung betrifft Wellentypwandler für elektromagnetische Wellen und insbesondere einen Wellentypwandler, der den Typ TMQ in den Typ TEQ wandelt. (Der einzige Index bezieht sich auf die orthoradiale Richtung.)The present invention relates to mode converters for electromagnetic waves, and more particularly to a mode converter which converts the TM Q type to the TE Q type. (The only index is for the orthoradial direction.)
In dem elektromagnetischen Wellenbereich, der sich von den Ultrakurzwellen bis zu den Lichtwellen und darüber hinaus erstreckt, ist der Ausbreitungstyp TEQ einer der interessantesten. In Hohlleitern runden Querschnitts zeigt er die geringste Dämpfung und die besten PiItereigenschaften. In der DE-OS 28 05 732 ist gezeigt worden, daß bei der Erregung von Plasmen der Typ TEQ in Gegenwart eines axialen magnetischen Gleichfeldes "einschließend" ist, d.h., daß, wenn man ein Plasma erzeugt, indem man auf einem Peststoff ein starkes Strahlenbündel fokussiert, das sich nach dem Typ TEQ ausbreitet, ein Teil des Plasmas in der Mitte-des Brennflecks eingeschlossen bleibt und dort eine Temperatur erreichen kann, die sehr viel höher ist als sonst irgendwo.In the electromagnetic wave range, which extends from ultra-short waves to light waves and beyond, the TE Q propagation type is one of the most interesting. In waveguides with a round cross-section, it shows the lowest attenuation and the best piper properties. In DE-OS 28 05 732 it has been shown that when exciting plasmas of type TE Q in the presence of an axial constant magnetic field is "inclusive", that is, that when a plasma is generated by placing a strong one on a plague Focused bundle of rays that spreads according to the TE Q type, part of the plasma remains trapped in the center of the focal point and can reach a temperature there that is much higher than anywhere else.
Man kann diese Eigenschaft des Einschließens von Elektronen durch den Typ TEQ benutzen, um Pseudokathoden in Elektrolyten zu erzeugen und dadurch Solarenergie zu speichern, indem man sie elektrochemische Reaktionen durchführen läßt·One can use this property of the confinement of electrons by the type TE Q to create pseudocathodes in electrolytes and thereby store solar energy by letting them carry out electrochemical reactions
Dagegen gehört der Typ TM0 zu denjenigen, die am einfaehst en zu erzeugen und auszufiltern sind. 3k Lichtwellenbereich selektiert man ihn in Lasern durch konische Diopter, deren Kegelwinkel gleich dem Brewster-Winkel ist. Im Ultrakurzwellenbereich verlängert der Typ TM0 natürlich den koaxialen Grundtyp.In contrast, type TM 0 is one of the easiest to generate and filter out. 3k light wave range, it is selected in lasers through conical diopters, the cone angle of which is equal to the Brewster angle. In the ultra-short wave range, the type TM 0 naturally extends the coaxial basic type.
Der Wellentypwandler gemäß der Erfindung weist ein TM0-Pilter auf, bestehend aus einem Hohlraumresonator für den Typ TM0 und aus wenigstens einem nach dem Brewster-The mode converter according to the invention has a TM 0 filter, consisting of a cavity resonator for the TM 0 type and at least one according to the Brewster
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Brief WM Blatt Jf Letter WM sheet Jf WpHne- CL ScMtebsWpHne- CL ScMtebs
μ Sas Deutsche Patentamt, München Patentanwaltμ Sas German Patent Office, Munich Patent Attorney
Winkel geschnittenen Diopter im Wege des Strahlenbündels, und ist dadurch gekennzeichnet, daß er Stoffe als planparallele Platten benutzt, die für die interessierenden elektromagnetischen Wellen homogen, aber anisotrop sind. Ihre Dicke und eventuell die Richtung ihrer Anisotropie sind so bestimmt, daß sie, wenn sie eine ebene und geradlinig polarisierte Welle durchsetzt, das elektrische Feld der Welle um ^- radian drehen lassen.Angle cut diopter in the path of the beam, and is characterized by the fact that it uses materials as plane-parallel plates, which are for those of interest electromagnetic waves are homogeneous but anisotropic. Their thickness and possibly the direction of their anisotropy are so determined that if they pass through a plane and rectilinearly polarized wave, they are the electric Let the field of the wave rotate by ^ - radian.
Sin Stoff ist isotrop, wenn sein dielektrischer Tensor f , der die elektrische Induktion D~ mit dem elektrischen Feld Έ nach der Gleichung D" = f · Έ verknüpft, ein sphärischer Tensor ist. Im anderen Fall ist er anisotrop.Sin material is isotropic if its dielectric tensor f, which links the electrical induction D ~ with the electric field Έ according to the equation D "= f · Έ , is a spherical tensor. In the other case it is anisotropic.
Einen allgemeinen Tensor kann man immer als Summe von einem antisymmetrischen und von einem symmetrisch en Tenaor betrachten. Dadurch kann.man zwei Sorten von anisotropen Substanzen unterscheiden: Substanzen, die ein "Drehvermögen" besitzen und wo f. die Summe aus einem sphärischen und einem symmetrischen Tensor ist, und die kristallinen Substanzen, wo t ein symmetrischer Tensor ist, aber kein sphärischer.A general tensor can always be viewed as the sum of an antisymmetric and a symmetric tenaor. Thereby one can differentiate between two types of anisotropic substances: substances that have a "rotating power" and where f is the sum of a spherical and a symmetrical tensor, and the crystalline substances, where t is a symmetrical tensor but not a spherical one.
Viele Substanzen natürlicher organischer Herkunft, wie z.B. die Glykose, besitzen ein Drehvermögen, d.h., daß das elektrische Feld einer planen, geradlinig polarisierten Welle, die sich durch diese Substanzen ausbrei- tet, sich proportional zu der zurückgelegten Strecke dreht.Many substances of natural organic origin, such as glucose, have an optical rotation, that is, that the electric field tet, rotates a plane, linearly polarized wave propagation through these substances is proportional to the distance traveled.
Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung benutzt man Substanzen mit natürlichem Drehvermögen, die meistens flüssig oder in lösung sind, um einen Wellentypwandler herzustellen. Dazu werden diese Substanzen in mit planparallelen Platten verschlossenen Behältern untergebracht. Diese Platten sind durchsichtig undAccording to a first embodiment of the invention, substances with natural turning power are used, which are mostly liquid or in solution to produce a wave type converter. This is what these substances are for in containers closed with plane-parallel plates housed. These panels are see-through and
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liegen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Welle und in einem Abstand, bei dem di^ Drehung der Wellenpolarisation gleich V; ist.are perpendicular to the direction of propagation of the wave and at a distance at which the rotation of the wave polarization equals V; is.
Die Substanzen mit Drehvermögen können ein induziertes Drehvermögen haben, d.h. sie können einen Faraday-Effekt zeigen. Es ist bekannt, daß man das natürliche Drehvermögen von bestimmten Substanzen verstärken oder sogar ein Drehvermögen induzieren kann, wo ursprünglich kein natürliches Drehvermögen war, wenn man diese Substanzen in den beschriebenen Behältern in ein axiales Magnetfeld einbringt. - In dieser ersten Art von Wellentypwandlern ist die Anisotropie mit der antisymmetrischen Komponente des Tensors f verknüpft.The substances with rotating ability can have an induced rotating ability, i.e. they can have a Faraday effect demonstrate. It is known that the natural turning ability of certain substances can be increased or even can induce a turning ability where originally there was no natural turning ability by using these substances introduces in the containers described in an axial magnetic field. - In this first type of wave type converter the anisotropy is linked to the antisymmetric component of the tensor f.
Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet man die optischen Eigenschaften der Kristalle, und zwar speziell die optischen Halbw ellenplatten. Es wird gezeigt werden, daß, wenn zwei Halbwellenplatten so übereinander gelegt sind, daß die schnelle und die langsame Achse der einen die Winkelhalbierenden der Winkel zwischen der schnellen und der langsamen Achse der anderen sind, sie die Polarisationsebene einer sie durchsetzenden planen und geradlinig polarisierten Welle um £ radian drehen lassen. Man kann die Halbwellenplatten in Quarz schneiden, wenn es sich um Iiichtwellen oder Infrarotwellen handelt, deren Wellenlängen die Größenordnung von Micron haben. Für Zentimeterwellen werden anisotrope künstliche Stoffe beschrieben werden, mit denen sich das Äquivalent einer Halbwellenplatte herstellen läßto"According to a second embodiment of the invention, use is made of the optical properties of the crystals, specifically the optical half-wave plates. It will be shown that when two half-wave plates are superposed so that the fast and slow axes of one are the bisectors of the angles between the fast and slow axes of the other, they are the plane of polarization of a plane and rectilinearly polarized wave passing through them turn around £ radian. The half-wave plates can be cut in quartz if they are light waves or infrared waves whose wavelengths are of the order of microns. For centimeter waves, anisotropic artificial substances will be described, with which the equivalent of a half-wave plate can be produced o "
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:In the following the invention is described in detail with reference to the drawing; in this show:
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Brief vom Blatt Ir^ Dlpi.-Ing. G. Schttebs Letter from the sheet Ir ^ Dlpi.-Ing. G. Schttebs
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Fig. 1 einen koaxialen COg-Pumplaser, der den Typ TM0 abstrahlt, mit einem Wellentypwandler, der diesen Typ in den Typ TE umwandelt;1 shows a coaxial COg pump laser which emits the TM 0 type, with a mode converter which converts this type into the TE type;
Fig. 2 einen Gaslaser, bei dem das für TMQ selektive Filter und der Wellentypwandler TM0-TE0 nicht2 shows a gas laser in which the filter selective for TM Q and the mode converter TM 0 -TE 0 not
die gleiche relative Position wie in Fig. 1 haben;have the same relative position as in Fig. 1;
Fig» 3a eine Vorrichtung zur Anwendung der in Fig. 1 und 3b und 2 dargestellten Anordnungen im Bereich der Elektrolyten, um Solarenergie speichern zu3a shows a device for using the arrangements shown in FIGS. 1 and 3b and 2 in the area of the electrolytes in order to store solar energy
können, indem man sie elektro-chemische Reaktionen durchführen läßt;can by making them electro-chemical reactions lets carry out;
Fig. 4a Gaslaser, bei denen der Typ TM0 ausgefiltert und 4-b ist und das Strahlenbündel zwei gekreuzte Halbwellenplatten durchsetzt, die den Typ Fig. 4a gas lasers in which the type TM 0 is filtered out and 4-b and the beam passes through two crossed half-wave plates, which the type
TM0 in Typ TE0 umwandeln;Convert TM 0 to type TE 0;
Fig. 5 ein erklärendes Schema; Fig. 5 is an explanatory diagram;
Fig. 6 eine Anwendung des in Fig. 4a und 4b gezeigten und 7 Wellentypwandler im Zentimeterwellenbereich. Fig. 6 shows an application of the in Fig. 4a and 4b and 7 shown wave converter type in the centimeter wavelength range.
Im Beispiel der Fig. 1 ist mit 10 ein C02-Laser bezeichnet, der eine Welle TE ausstrahlt. Er besteht aus dem COg-Laser selbst, der eine Welle TM0 ausstrahlt, und aus einem Wellentypwandler TM *TEQ. Der Hohlraumresonator dee lasers ist durch einen planen und ringförmigen Metallspiegel 13 und ein halbreflektierendes Fenster 14 begrenzt. Im Hohlraumresonator befinden sich zwei koaxiale Zylinderelektroden 101 und 102, zwischen denen der Höchstfrequenzimpulsgenerator 103 Impulse erzeugt. Ein Spannungsteiler 104 erlaubt es, den Metallspiegel 13 an eine mittlereIn the example of FIG. 1, 10 denotes a C0 2 laser which emits a wave TE. It consists of the COg laser itself, which emits a TM 0 wave, and a TM * TE Q wave type converter. The cavity resonator of the laser is delimited by a planar and annular metal mirror 13 and a semi-reflective window 14. In the cavity resonator there are two coaxial cylinder electrodes 101 and 102, between which the ultra-high frequency pulse generator 103 generates pulses. A voltage divider 104 allows the metal mirror 13 to a middle
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Spannung (zwischen den an den Elektroden 101, 102 anliegenden) zu legeno Die Stellung des Spiegels 13 läßt sich mittels seiner Halter 105 und nicht dargestellter Mikrometers ehr au "ben präzise einstellen. Das CO2 ist in einem Behälter 100 enthalten, aus dem es in den Hohlraumresonator etwa unter Atmosphär end ruck geleitet wird.The position of the mirror 13 can be adjusted more precisely by means of its holder 105 and micrometers (not shown). The CO 2 is contained in a container 100 from which it is extracted the cavity resonator is passed approximately below atmospheric pressure.
Der COg-Laser strahlt eine Welle TM0 aus. Der Typ TM wird von konischen Dioptern 25 und 27 gefiltert, die den durchsichtigen Block 26, der im Hohlraumresonator liegt, begrenzen. Dieser Block ist unter dem Brewster-Einfallwinkel gegen die achsparallelen Strahlen geneigt, d.h., der Einfallwinkel dieses Strahles liegt so, daß seine Tangente gleich dem optischen Brechungsindex des durchsichtigen Blocks ist. Als durchsichtige Substanzen werden für die Optik der von COp-Lasern ausgestrahlten Wellen von 10 yum meist Zinksulfid und Zinkselenid verwendet.The COg laser emits a wave TM 0 . The TM type is filtered by conical diopters 25 and 27 which delimit the transparent block 26 which lies in the cavity resonator. This block is inclined at the Brewster angle of incidence with respect to the axially parallel rays, ie the angle of incidence of this ray is such that its tangent is equal to the optical refractive index of the transparent block. Zinc sulfide and zinc selenide are mostly used as transparent substances for the optics of the waves of 10 μm emitted by COp lasers.
Man wählt die Dicke des Blockes 26 groß genug, um die Strahlen an der Achse zu bündeln. Zwischen dem Spiegel 13 und dem Diopter 25 ist die Struktur des elektrischen Feldes der Welle den koaxialen Grundtypen sehr ähnlich.The thickness of the block 26 is chosen to be large enough to focus the rays on the axis. Between the mirror 13 and the diopter 25, the structure of the electric field of the shaft is very similar to the basic coaxial types.
Zwischen dem Diopter 27 und dem Fenster 14 ist der Ausbreitungstyp dem Typ TM in metallischen Hohlleitern viel ähnlicher, wenigstens in seinem Mittelfeld. Die Abnahme des Feldes am Strahlenbündelrand ist von der exakten Form der Spiegel abhängig. Man hat bis jetzt angenommen, daß sie plan sind, aber es empfiehlt sich, die Meridiane dieser Spiegel leicht zu krümmen, um die Stabilität des Stahles zu sichern. Dabei muß der Krümmungsmittelpunkt eines Meridians auf dem anderen liegen, wie dies an sich bekannt ist. Unter diesen Bedingungen spricht man von einem Iiaguerre-Gauss-Typ, doh«, daß die Amplitude des elektrischen Feldes als Funktion des Achsabstandes durchBetween the diopter 27 and the window 14 is the propagation type much more similar to type TM in metallic waveguides, at least in its midfield. The decrease of the field at the edge of the beam depends on the exact shape of the mirror. It has been assumed until now that they are flat, but it is advisable to curve the meridians of these mirrors slightly in order to maintain the stability of the To secure steel. The center of curvature must be of one meridian lie on the other, as is known per se. Under these conditions one speaks of an Iiaguerre-Gauss type, doh, that the amplitude of the electric field as a function of the center distance
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eine Gauss-Funktion, multipliziert mit einem Laguerre-Polynom, dargestellt werden kann. Für die Praxis kann man in diesem Fall das elektrische Radialfeld Ep an einem Punkt mit dem Achsenabstand ρ durch die folgende Funktion darstellen:a Gauss function multiplied by a Laguerre polynomial, can be represented. In practice, in this case, the radial electric field Ep can be applied to a Point with axis distance ρ by the following Represent function:
E und er sind jeweils ein elektrisches Feld und eine Bezugslänge, die so gewählt wurden, daß Ep maximal und gleich E0 wird, wenn α nach tr geht.E and er are each an electric field and a reference length, which were chosen so that Ep is a maximum and equal to E 0 when α goes to tr.
Die Querschnitte der Strahlenbündel sind groß genug, um die axiale Komponente des elektrischen Feldes vernachlässigen zu können.The cross-sections of the bundles of rays are large enough to to be able to neglect the axial component of the electric field.
Die Strahlen treten durch das .Fenster 14 in. den Behälter 15, der mit einer Flüssigkeit mit Drehvermögen gefüllt ist. Dieser Behälter ist mit einer Spule 16 bewickelt.The rays pass through the window 14 into the container 15, which is filled with a fluid with rotating ability. This container is wound with a coil 16.
Das Drehvermögen kann natürlich sein; in diesem Fall muß die Länge des Behälters so sein, daß der Drehwinkel der Polarisation gleich "^ radian ist. In dem Fall eines induzierten Drehvermögens muß die Stärke des axialen Magnetfeldes so eingestellt sein, daß der gleiche Wert "p des Drehwinkels der Polarisation erreicht wird. Somit wird die Richtung des elektrischen Feldes vom Wellentyp TM um "^- gedreht, d.h. der Wellentyp TKQ wird in den Typ TEQ umgewandelt. Die Strahlen von diesem Ausbreitungstyp werden dann von dem parabolischen Spiegel 17 auf den Stoff fokussiert, dessen Kernverschmelzung man erreichen will. Dieser Stoff kann z.B«. kristallisiertes Deuterium sein, weil es am leichtesten zu verschmelzen ist. Die Eigenschaft des Wellentypes TE , ein Plasma einzuschließen, erlaubt auch die schwierigeren Verschmelzungen von Borhydrid und Lithiumhydrid oder von Doppelhydriden wieThe turning ability can be natural; in this case the length of the container must be such that the rotation angle of the polarization is equal to "^ radians. In the case of an induced rotation, the strength of the axial magnetic field must be adjusted so that the same value" p of the rotation angle of the polarization is achieved . Thus the direction of the electric field of the TM mode is rotated by "^ -, ie the TK Q mode is converted into the TE Q type. The rays of this propagation type are then focused by the parabolic mirror 17 on the substance whose core fusion is achieved This substance can be crystallized deuterium, for example, because it is easiest to fuse. The property of the TE mode to enclose a plasma also allows the more difficult fusions of borohydride and lithium hydride or of double hydrides such as
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Boranaten.' Das schmelzbare Hydrid wird auf den Magnetpol 19 gelegt. Das Hydrid und der Magnet bilden ein Drehsystem, das man um eine Achse 20 drehen läßt, damit der schmelzbare Stoff, der sich am Auftreffpunkt des Lasers befindet, ständig erneuert wird.Boranates. ' The fusible hydride is on the magnetic pole 19 laid. The hydride and the magnet form a rotating system that can be rotated about an axis 20 so that the fusible substance that is located at the point of impact of the laser is located, is constantly renewed.
In der DE-OS 29 03 175 ist ein Röntgenlaser beschrieben, der einen Wellentypwähler IM0 und einen Behälter mit Faraday-Effekt, der von der Welle QM0 durchsetzt ist, besitzt. In dieser Vorveröffentlichung benutzt man den Behälter mit der Flüssigkeit mit Drehvermögen nicht als Wellentypwandler, sondern nur als impulserzeugend es System, indem man die Überspannung des Hohlraumresonators für die Welle TM0 verringert.In DE-OS 29 03 175 an X-ray laser is described which has a wave type selector IM 0 and a container with Faraday effect through which the wave QM 0 passes. In this prior publication, the container with the rotating fluid is not used as a wave type converter, but only as a pulse generating system by reducing the overvoltage of the cavity resonator for the wave TM 0 .
Fig. 2 zeigt eine Variante des Lasers gemäß Fig. 1. Der Hohlraumresonator des Lasers, der Wellentypwähler TMQ und der Wellentypwandler TM0-* TEQ sind nicht mehr in dieser Reihenfolge längs des Strahlenbündels angeordnet, sondern in der Reihenfolge Hohlraumresonator des Lasers, Wellentypwandler TM0-* TE0 und Wellentypwähler TM0.Fig. 2 shows a variant of the laser according to Fig. 1. The cavity resonator of the laser, the mode selector TM Q and the mode converter TM 0 - * TE Q are no longer arranged in this order along the beam, but in the order of the cavity resonator of the laser, Wave type converter TM 0 - * TE 0 and wave type selector TM 0 .
Der Wellentypwähler schließt den Brewsterkegel 404 ein.The mode selector includes the Brewster cone 404.
Der Behälter mit dem Faraday-Effekt 415 und die Spule sind identisch zu den Elementen 14 und 15, die in Fig. 1 die gleichen Funktionen haben. Der Hohlraumresonator des Gas-Lasers ist von einer Flutlichtlampe umgeben und durch den reflektierenden Spiegel 405 und den halbreflektierenden Spiegel 406 begrenzt.The Faraday Effect Container 415 and the Coil are identical to elements 14 and 15 shown in FIG. 1 have the same functions. The cavity resonator of the gas laser is surrounded by a floodlight lamp and limited by the reflective mirror 405 and the semi-reflective mirror 406.
Fig. 3a und 3b zeigen die Anwendung der bisher beschriebenen Anordnungen im Bereich der Elektrolyten, um Solarenergie speichern zu können, indem man sie elektro-chemisehe Reaktionen durchführen läßt. In Fig. 1 sammelte das Strahlenbündel vom Typ TEQ die Elektronen des erzeugten Plasmas in seinem Brennfleck, und die Kerne konvergierten zu den negativen Ladungen. In Fig. 3a sammelt3a and 3b show the use of the arrangements described so far in the field of electrolytes in order to be able to store solar energy by letting them carry out electrochemical reactions. In Fig. 1, the TE Q type beam collected the electrons of the generated plasma in its focal point, and the nuclei converged on the negative charges. In Fig. 3a collects
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äer aus der Sonnenstrahlung erhaltene Wellentyp ΪΕΟ die freien Elektronen des Elektrolyt es (die durch den fotoelektrischen Effekt freigesetzt wurden). Die so gesammelten negativen Ladungen "bilden das Äquivalent einer Kathode, die die positiven Ionen anzieht und dann neutralisiert, während andere Elektronen zu der zentralen Zone geführt werden. Man erzielt so eine Elektrolyse und damit die Möglichkeit, Solarenergie in chemischer Form zu speichern.The type of wave obtained from solar radiation ΪΕ Ο are the free electrons of the electrolyte (which were released by the photoelectric effect). The negative charges "collected in this way" form the equivalent of a cathode, which attracts the positive ions and then neutralizes them, while other electrons are led to the central zone. This results in electrolysis and thus the possibility of storing solar energy in chemical form.
In Fig. 3a unterscheidet man die gleichen Bauteile wie in Pig. 1: Der Wellentypfilter 126 ist wie der Wellentypfilter 26 der Fig. 1 durch zwei konische Diopter 125 und 127 begrenzt. Diese Diopter sind mit dem BrewsterEinfallwinkel gegen die planen Solarwellen, die sich parallel zur Achse ausbreiten, geneigt.In Fig. 3a a distinction is made between the same components as in Pig. 1: The wave type filter 126 is like the wave type filter 26 of FIG. 1 by two conical diopters 125 and 127 limited. These diopters are at the Brewster angle of incidence inclined against the planar solar waves that propagate parallel to the axis.
Das Sonnenlicht ist in statistisch-isotroper Art polarisiert. Der Filter 126 läßt nur den Wellentyp TM0 hindurch und reflektiert ungefähr die Hälfte der Energie. Die Linse 114 schließt den Behälter 115 ab. Dieser Behälter wird von der Wand 121 geteilt und enthält zwei Flüssigkeiten 122 und 123 mit Drehvermögen, deren Rolle es ist, das elektrische Feld um 75· radian zu drehen. Wenn es sich um eine monochromatische Welle handeln würde, wie es der Fall in den Lasern ist, würde eine Flüssigkeit genügen. Man braucht aber eine stabile Drehung des elektrischen Feldes im ganzen empfangenen Lichtwellenbereich. Man erzeugt den Achromatismus nach einem in der Optik bekannten Verfahren. Es handelt sich um das Übereinander leg en zweier Stoffe, deren Eigenschaften in Abhängigkeit von der Wellenlänge sich derart ändern, daß sie sich, ausgleichen und eine achromatische Resultierende ergeben. Die Spule 116 erzeugt ein Magnetfeld, das das DrehvermögenThe sunlight is polarized in a statistically isotropic way. The filter 126 only transmits the TM 0 mode and reflects approximately half of the energy. The lens 114 closes off the container 115. This container is divided by the wall 121 and contains two rotatable liquids 122 and 123 whose role is to rotate the electric field by 75 · radians. If it were a monochromatic wave, as is the case in lasers, a liquid would suffice. But you need a stable rotation of the electric field in the entire received light wave range. The achromatism is generated using a method known in optics. It is a matter of laying two substances on top of one another, the properties of which change depending on the wavelength in such a way that they balance each other out and produce an achromatic resultant. The coil 116 creates a magnetic field that has the ability to rotate
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der Flüssigkeiten 122 und 123 verstärkt. Der so erzeugte Wellentyp TEQ ist um den Punkt 118, der in der Nahe des Poles des Permanentmagneten 119 liegt, fokussiert. Dieser Permanentmagnet verstärkt das axiale Magnetfeld. Der Punkt 118 befindet sich in einem Hohlraum 128, in dem die Flüssigkeit, die von dem Wellentyp TE0 durchsetzt werden soll, zirkuliert. Die Flüssigkeit wird dem Hohlraum mit der Leitung 120 zugeführt und verläßt ihn durch die leitung 120'. Mehrere Zellen gemäß Fig. 3a sind auf einer Metallstütze 131 mit Ringen 132 und Schrauben 133 befestigt. Diese gelochte Metallstütze 131 orientiert eine Gruppe von Zellen in die Sonnenrichtung.of fluids 122 and 123 amplified. The wave type TE Q generated in this way is focused around the point 118, which is in the vicinity of the pole of the permanent magnet 119. This permanent magnet strengthens the axial magnetic field. The point 118 is located in a cavity 128 in which the liquid that is to be penetrated by the TE 0 wave type circulates. The liquid is supplied to the cavity with line 120 and leaves it through line 120 '. Several cells according to FIG. 3 a are fastened on a metal support 131 with rings 132 and screws 133. This perforated metal support 131 orients a group of cells in the direction of the sun.
Die Fig. 4a und 4b zeigen einen Gaslaser, der eine Welle TM0 ausstrahlt, und dahinter einen Wellentypwandler OM0 ·* TE0.4a and 4b show a gas laser which emits a wave TM 0 , and behind it a mode converter OM 0 * TE 0 .
In Fig. 4a ist der mit Gas gefüllte Hohlraumresonator des Lasers durch den reflektierenden Spiegel 201 und den halbreflektierenden Spiegel 202 begrenzt. Die Flutlichtlampe 203 pumpt das aktive Gas. Ein konischer Diopter 204 filtert die Welle TMQ. Er ist an der durchsichtigen Platte, deren andere Seite den Spiegel 201 trägt, erhaben geformt. Der Wellentypwandler TM0 * TEQ ist mit zwei doppelbrechenden Halbw ellenplatt en 205 und 206 aufgebaut. Diese Platten sind so orientiert, daß die schnelle und die langsame Achse der ersten Platte die Winkelhalbierenden des von der schnellen und der langsamen Achse der zweiten Platte gebildeten Winkels sind. Eine solche Zusammensetzung von Halbw ellenplatt en läßt die Polarisation um 75· radian drehen.In FIG. 4 a, the gas-filled cavity resonator of the laser is delimited by the reflecting mirror 201 and the semi-reflecting mirror 202. The flood lamp 203 pumps the active gas. A conical diopter 204 filters the shaft TM Q. It is raised on the transparent plate, the other side of which carries the mirror 201. The TM 0 * TE Q wave type converter is constructed with two birefringent half wave plates 205 and 206. These plates are oriented so that the fast and slow axes of the first plate are the bisector of the angle formed by the fast and slow axes of the second plate. Such a combination of half-wave plates causes the polarization to be rotated by 75 · radians.
Man kann den Wellentypfilter der Fig. 4a für die große Leistungsdichte nicht gebrauchen, weil die Konzentration der von dem Diopter erzeugten Energie ihn zerstören würde.The mode filter of FIG. 4a cannot be used for the high power density because the concentration the energy generated by the rear sight would destroy it.
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Brief vom Platt ^ Letter from the Platt ^ IMpL-lng. G. SchliebsIMpL-lng. G. Schliebs
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Die Fig. 5* erläutert im einzelnen einen Brewster-Diopter. Die Richtung (i-r) eines Strahles, der parallel zur Achse verläuft und den Diopter durchsetzt, istFig. 5 * explains in detail a Brewster diopter. The direction (i-r) of a ray that is parallel to the axis runs and penetrates the diopter is
tg (i - r) = -^ (n - —) (vgl. Formel (1) von DE-OS 29 03 175).tg (i - r) = - ^ (n - -) (See. Formula (1) from DE-OS 29 03 175).
Vachdem der Strahl an dem Spiegel 201, der senkrecht zu der Achse steht, reflektiert wurde, tritt er parallel zu der Achse aus. Sein Abstand zu dem Einfalls strahl ist dann gleich a. Wenn h der Abstand zwischen der Spitze des konischen Diopters und der Spiegelfläche ist und wenn man berücksichtigt, daß i-tr =U ist, kann man schreiben:After that the beam at the mirror 201, which is perpendicular to the axis is reflected, it emerges parallel to the axis. Its distance from the ray of incidence is then a. If h is the distance between the tip of the conical diopter and the mirror surface and if one considering that i-tr = U, one can write:
Die leistung, die in den Diopter zwischen den Strahlen R und (R + dR) eintritt, tritt zwischen den Strahlen (a - R) und (a - R. - dR) aus. Pur das elektrische PeId E kann man nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie anschreiben:The power that enters the rear sight between rays R and (R + dR) occurs between rays (a - R) and (a - R. - dR) from. You can only use the electric PeId E. write according to the law of the conservation of energy:
2HE2(R) x RdR = 2llE2(a-R) x (a-R)dR (3)2HE 2 (R) x RdR = 2llE 2 (aR) x (aR) dR (3)
Diese Gleichung zeigt, das R E (R) eine symmetrische Funktion von R und von (a - R) sein muß. Andererseits muß E in der Nähe der Achse proportional zu R zunehmen.This equation shows that R E (R) must be a symmetric function of R and of (a - R). on the other hand E must increase proportionally to R near the axis.
Die einfachste Funktion, die dieser Definition entspricht, ist R5 (a - R)5. Damit wirdThe simplest function that fits this definition is R 5 (a - R) 5 . So that will
Die Welle, die den Kegel 204 zweimal durchsetzt, indem sie am Spiegel 201 reflektiert wird, hat wegen der Eigenschaften des Brewster-Winkels den Typ TM . Ihre axialeThe wave which passes through the cone 204 twice by being reflected on the mirror 201 has because of the properties of Brewster's angle is type TM. Your axial
Brief vom Blatt V^ Letter from sheet V ^ Dlpl.-Ing. G. SdiliebsDlpl.-Ing. G. Sdiliebs
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Komponente ist vernachlässigbar, weil der Radius a des Strahles gegenüber der Wellenlänge groß ist.Component is negligible because the radius a des The beam is large compared to the wavelength.
Um eine Akkumulierung der Energie längs der Achse zu vermeiden, wurde gem. Fig. 4b der erhabene konische Diopter 204 nach Figo 4a durch einen vertieften konischen Diopter 204' ersetzt. Der Planspiegel 201 wird ein Konkavspiegel 201', der die Strahlen in sich reflektiert. Die anderen Bauteile der Fig. 4b sind sonst mit denen der Figo 4a identischeTo increase energy accumulation along the axis 4b, the raised conical rear sight 204 according to FIG. 4a was replaced by a recessed conical one Rear sight 204 'replaced. The plane mirror 201 becomes a concave mirror 201 ', which reflects the rays in itself. The other components of Fig. 4b are otherwise with those identical to Figo 4a
Die zwei Halbweilenplatten 205 und 206 sind so angelegt, daß die schnelle und die langsame Achse der einen die Winkelhalbierenden der schnellen und der langsamen Achse d er and er en s ind. Man w eiß, d aß, w enn zw ei Halbw eilenplat ten in Kaskade so gestellt sind, daß die langsame und die schnelle Achse der einen mit der langsamen und der schnellen Achse der anderen einen Winkel Jf bilden, der Vektor des elektrischen Feldes zwei aufeinander folgende Drehungen gegenüber zwei Achsen, die einen Winkel T bilden, erfährt. Er dreht sich dann um 2 tf. Wenn T=U,The two half-wave plates 205 and 206 are laid out in such a way that the fast and slow axes of one are the bisectors of the fast and slow axes of the other. It is known that when two half-wave plates are cascaded so that the slow and fast axes of one form an angle Jf with the slow and fast axes of the other, the vector of the electric field is two on top of each other the following rotations with respect to two axes which form an angle T experiences. He then turns 2 tf. If T = U,
TlTl
dreht sich das elektrische Feld E um £ · Dadurch wandelt sich der Wellentyp TM in den Wellentyp TEQ.the electric field E rotates by £ · As a result, the TM mode changes to the TE Q mode .
Der Wellentypwandler gem. Figo 4a und 4b ist speziell für Lichtwellen und für Infrarotwellen geeignet, da man für diese Wellen doppelbrechende Stoffe benutzt.The wave type converter according to Figo 4a and 4b is especially suitable for light waves and for infrared waves, since one is used for these waves use birefringent substances.
Da man für die 'Zentimeterwellen keine Stoffe besitzt, die natürlich anisotrop sind, macht man den Stoff künstlich anisotrop, wie in Figo 6 gezeigt wird. In einen zylindrischen durchsichtigen Block 250 ist eine Vielzahl von parallelen Rillen 251 und 252 eingearbeitet, wobei zwischen den Rillen lamellen 253 und 254 stehen bleiben. Die Dicke der lamellen ist a-j, die Breite der Rillen a2»Since one has no substances that are naturally anisotropic for the centimeter waves, one makes the substance artificially anisotropic, as shown in FIG. 6. In a cylindrical transparent block 250 a plurality of parallel grooves 251 and 252 is incorporated, with lamellae 253 and 254 remain between the grooves. The thickness of the lamellas is aj, the width of the grooves is a 2 »
030036/088 3030036/088 3
Brief vom Blatt '/£· Letter from the sheet '/ £ Dlpl.-Ing. G. Sehlieb«Dlpl.-Ing. G. Sehlieb "
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die zugehörigen Dielektrizitätskonstanten sind ß-i und tg. Wenn die Summe Ca1 + a2) viel kleiner als die Wellenlänge ist, reagiert die Stapelung auf die Wellen wie ein homogener anisotroper Stoff, dessen scheinbare Dielektrizitätskonstanten man berechnen kann. Pur Wellen mit einer Polarisation, die parallel zu den Flächen der planparallelen Platten ist, kann man die mittlere Dielektrizitätskonstante £// berechnen zuthe associated dielectric constants are ß-i and tg. If the sum Ca 1 + a 2 ) is much smaller than the wavelength, the stacking reacts to the waves like a homogeneous anisotropic substance whose apparent dielectric constant can be calculated. Pure waves with a polarization that is parallel to the surfaces of the plane-parallel plates can be used to calculate the mean dielectric constant £ //
r - al * a2 r - a l * a 2
V/ - a, Va2 (5)V / - a, Va 2 (5)
ει ε2 ει ε 2
und für Wellen mit einer Polarisation, die senkrecht zu den Flächen der Platten ist:and for waves with a polarization that is perpendicular to the faces of the plates:
H (6) H (6)
Man findet diese Formeln in den Arbeiten über geschichtete Dielektrika, z.B. "Waves in layered Media" von leonid M. Brekhovskikh, Academic Press, 1960, Seite 83, Formel 7.13 und Seite 84, Formel 7.20.You can find these formulas in the work on layered dielectrics, e.g. "Waves in Layered Media" by Leonid M. Brekhovskikh, Academic Press, 1960, page 83, formula 7.13 and page 84, formula 7.20.
Um mit der Stapelung der Fig. 6 eine Halbwellenplatte herstellen zu können, müssen die Schnitte eine Tiefe Δ ζ haben, so daß:In order to produce a half-wave plate with the stacking of FIG. 6 to be able to, the cuts must have a depth Δ ζ, so that:
izi'SZyy - /T^) = λ/2 (7) izi'SZyy - / T ^) = λ / 2 (7)
a1 a 1
Zweckmäßig wählt man das Verhältnis —— so, daß der Fak-Appropriately, one chooses the ratio - so that the fact
^^ SinSin
tor (y^// -/F7 ) ein Maximum wird, um den maximalen Effekt mit der kleinsten Raumfüllung zu erreichen und auch, damit kleine Toleranzen im Verhältnis grj, die herstellungsbedingt sein können, das System nicht stören. Um dieses optimale Verhältnis errechnen zu können, benutzt man den Parametertor (y ^ // - / F7) becomes a maximum to get the maximum effect to achieve with the smallest room filling and also, thus small tolerances in the ratio grj, which are manufacturing-related not disturb the system. To be able to calculate this optimal ratio, used man the parameter
0 3 J J 3 6 / 0 8 & ■0 3 J J 3 6/0 8 & ■
an das Deutsche Patentamt, Künchen Patentanwaltto the German Patent Office, Künchen patent attorney
A1. - ao Al. - ε.2A 1 . - a o Al. - ε.2
al + a2 ex + e2 a l + a 2 e x + e 2
Mit diesem Parameter ft kann man die Formeln (5) und (6) folgendermaßen schreiben:With this parameter ft, the formulas (5) and (6) write like this:
ει. .+ t-2ει. . + t-2
V/ " (ei + ε2)(1 - ß) (10) V / "(ei + ε 2 ) (1 - ß) (10)
Wenn man die erste Ableitung g-rr" ^/^// "1^tT) gleich Full setzt, erhält man:If you set the first derivative g-rr "^ / ^ //" 1 ^ tT) equal to Full, you get:
1 + β (ει+ε2)21 + β (ει + ε 2 ) 2
Da ρ» sehr klein angenommen ist, kann man den ersten Teil der Gleichung (11) durch eine Reihenentwicklung in ß>ersetz en und man erhält dann:Since ρ »is assumed to be very small, the first part can be used Replace equation (11) with a series expansion in ß> en and then you get:
i\li \ l
ε1 + E ε 1 + E
und mit Hilfe der Gleichung (8) von /b :and using equation (8) from / b:
(12)(12)
Λ Ji=IJ-. (13) Λ Ji = IJ-. (13)
al + a2 4 C1 + C2 a l + a 2 4 C 1 + C 2
Als Beispiel kann man Polystyrolplatten nehmen mit β^ 2,56, mit Zwischenräumen aus luft mit £„ = 1· Man erhält dann:As an example one can take polystyrene sheets with β ^ 2.56, with gaps from air with £ „= 1 · One obtains then:
= O,lWahsp 4z = O#55und r4e 1 a2 al+a2 al a2= O, lWahsp 4z = O # 55 and r4e 1 a 2 a l + a 2 a l a 2
= O#55und r4e: = 0r44 (H) a a = O # 55 and r4e: = 0 r 44 (H) aa
030036/0886030036/0886
an das Deutsche Patentamt, München Patentanwaltto the German Patent Office, Munich Patent Attorney
Aus Formel (7) ergibt sich die Dicke ζ der Halbwellenplatten, in Richtung der Ausbrextungsachse gerechnet, zuFormula (7) gives the thickness ζ of the half-wave plates, calculated in the direction of the expansion axis
Man kann zeigen, daß:It can be shown that:
= 23/= 23 /
e2 (ει - ε2)e 2 (ει - ε 2 )
1 /— „
ist. 1 / - "
is.
Der Block 250 der Fig. 6 besitzt zwei Teile mit lamellen, die einen Winkel von 45° untereinander bilden. Man kann ihn herstellen, indem man parallele und dicht aneinanderliegende Sägeschnitte an beiden Seiten eines zylindrischen Blockes aus Dielektrikum anbringt. Die Sägeschnitte sind so angebracht, daß ein voller Teil 255 in der Mitte des Blockes übrig bleibt.The block 250 of Fig. 6 has two parts with lamellae, which form an angle of 45 ° with each other. One can Make it by making parallel and closely spaced saw cuts on either side of a cylindrical Attaches blocks of dielectric. The saw cuts are made so that a full part 255 is in the center of the Block remains.
Man kann im Kahmen der Erfindung etwas Dielektrikum zwisehen den lamellen stehen lassen, um den Abstand zwischen den lamellen zu behalten. Der Schnitt eines solchen dielektrischen Blockes in einer Ebene parallel zu xOy ist in Fig. 7 gezeigt. Er zeigt eine Reihe von löchern 256 zwischen schmalen Stegen 257. Um das Ausformen des Teiles zu erleichtern, können die löcher 256 leicht konisch sein.Some dielectric can be used within the scope of the invention leave the slats to keep the space between the slats. The cut of such a dielectric Block in a plane parallel to xOy is shown in FIG. It shows a series of holes 256 between narrow webs 257. In order to facilitate the shaping of the part, the holes 256 can be slightly conical.
Als ein Beispiel für die Anwendung eines Wellentypwandler gem. Fig. 6 ist in Fig. 8 ein Antennenfeeder mit Drehgelenk gezeigt. Dieser Feeder besitzt einen Hohlleiter 301, in dem sich die Y/ellen im Typ TEQ ausbreiten, ein Drehgelenk 302 mit einem Kugellager 303, das von einem Motor 304 angetrieben wird, und einen Wellentypwandler TE01-* TM01 25Ο gem. Fig. 6, der in dem Metallgehäuse mit Polyäthylen-* schrauben 305 festgemacht ist. Mit 306 ist ein ÜbergangAs an example for the use of a mode converter according to Fig. 6, Fig. 8 shows an antenna feeder with a swivel joint. This feeder has a waveguide 301, in which the Y / ellen in type TE Q spread, a swivel joint 302 with a ball bearing 303, which is driven by a motor 304, and a wave type converter TE 01 - * TM 01 25Ο according to Fig. 6, which is fixed in the metal housing with 305 polyethylene * screws. With 306 there is a transition
0 3 *. J 3 S / 0 ί L0 3 *. J 3 S / 0 ί L
an das Deutsche Patentamt, München Patentanwaltto the German Patent Office, Munich Patent Attorney
zwischen dem Hohlleiter 307 und dem Koaxialkabel 308 bezeichnet, das eine hier nicht gezeichnete Antenne speist οbetween the waveguide 307 and the coaxial cable 308 denotes that feeds an antenna (not shown here) ο
6/088:)6/088 :)
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