DE3415523A1 - Device for shifting the frequency of infrared laser radiation by means of single-sideband modulation - Google Patents

Device for shifting the frequency of infrared laser radiation by means of single-sideband modulation

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DE3415523A1 DE19843415523 DE3415523A DE3415523A1 DE 3415523 A1 DE3415523 A1 DE 3415523A1 DE 19843415523 DE19843415523 DE 19843415523 DE 3415523 A DE3415523 A DE 3415523A DE 3415523 A1 DE3415523 A1 DE 3415523A1
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Günter Dr. Böhm
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    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
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Abstract

The invention relates to a device for single-sideband modulation of IR lasers of high power as required for isotope separation methods. The electrooptic crystal is located on the axis of a waveguide for the modulation frequency in the range of 10-20 GHz. The matching of the phase velocities of IR light and microwave is performed by jacketing the rod-shaped crystal with dielectric materials whose dielectric constant is smaller than the dielectric constant of the electrooptic crystal (CdTe).

Description

Anmelder: Arbeitsgemeinschaft für Mikrowellenanwendungen Dr.rer.nat. Hans Beerwald
Dr.rer.nat. Günter Böhm
Dr.rer.nat. Günter GlomskiApplicant: Working group for microwave applications Dr.rer.nat. Hans Beerwald
Dr.rer.nat. Günter Bohm
Dr.rer.nat. Günter Glomski

Brückstraße 36 - 38
46 30 BochumBrückstrasse 36-38
46 30 Bochum

Vorrichtung zur Frequenzverschiebung von Infrarot-Laserstrahlung mittels EinseitenbandmodulationDevice for shifting the frequency of infrared laser radiation by means of single sideband modulation

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frequenzverschiebung von Infrarot-Laserstrahlung mittels Einseitenbandmodulation im GHz-Bereich, wobei ein stabförmiger elektrooptischer Kristall auf der Achse eines Wellenleiters für zirkularpolarisierte Mikrowellen angeordnet ist und die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im elektrooptischen Kristall angeglichen ist.The invention relates to a device for frequency shifting infrared laser radiation by means of single sideband modulation in the GHz range, with a rod-shaped electro-optical crystal on the axis of a waveguide for circularly polarized microwaves is arranged and the phase velocity of the microwave is adjusted to the speed of light in the electro-optical crystal.

Solche Vorrichtungen haben besondere Bedeutung erlangt für Zsotopentrennverfahren mit Laserlicht, bei denen eine Feinabstimmung der Laserstrahlung im GHz-Bereich benötigt wird, insbesondere für die Trennung von Uranisotopen durch isotopenselektive Anregung des ÜFg-Moleküls und darauf folgender Dissoziation.Such devices are of particular importance for Zsotope separation process with laser light, in which a fine tuning the laser radiation in the GHz range is required, especially for the separation of uranium isotopes by isotope-selective Excitation of the ÜFg molecule and subsequent dissociation.

Eine ausführliche Beschreibung des Verfahrens zur Einseiten-r bandmodulation von Laserstrahlung ist in der Veröffentlichung von G.M.Carter und H.A.Haus "Optical Single Sideband Generation at 10,6 um" in der Zeitschrift "IEEE Journal of Quantum Electronics", Band QE-15, S. 217 - 224 (1979) gegeben. Bei allen bekannten Verfahren zur Einseitenbandmodulation von Laserlicht mit Mikrowellen mittels elektrooptischen Kristalls füllt der benötigte Kristall den vollen Querschnitt eines · Hohlleiters aus, der so dimensioniert ist, daß die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im Kristall angeglichen ist; Der für IR-Strahlung gewöhnlich benutzte elektrooptische Kristall ist Kadmiumtellurid, dessen Dielektrizitätskonstante DK = 10 ist. Mit dieser DK ergebenA detailed description of the procedure for one-sided r band modulation of laser radiation is in the publication by G.M. Carter and H.A. Haus "Optical Single Sideband Generation at 10.6 µm "in the IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume QE-15, pp. 217-224 (1979). In all known methods for single sideband modulation of laser light with microwaves by means of electro-optical crystals the required crystal fills the full cross-section of a waveguide, which is dimensioned so that the phase velocity the microwave is adjusted to the speed of light in the crystal; The usual one for IR radiation The electro-optical crystal used is cadmium telluride, the dielectric constant of which is DK = 10. Surrender to this DK

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sich sehr kleine Abmessungen für den Hohlleiter, was beim Übergang vom leeren Hohlleiter zum gefüllten Hohlleiter zu erheblichen Anpassungsschwierigkeiten führt. Anpassung kann zwar prinzipiell durch Resonanztransformation erzielt werden, da aber bei der oben genannten Anwendung hohe Mikrowellenimpulsleistungen benötigt werden, kommt es wegen der mit Resonanztransformation verbundenen Feldüberhöhungen leicht zu elektrischen Durchbrüchen, wodurch die anwendbare Mikrowellenleistung begrenzt wird. Bei der Anpassung muß auch nicht nur auf Reflexionsfreiheit geachtet werden; es muß auch sichergestellt werden, daß im elektrooptischen Kristall nur eine fortschreitende Welle existiert.very small dimensions for the waveguide, which at the transition from the empty waveguide to the filled waveguide to leads to considerable adjustment difficulties. Adaptation can in principle be achieved by resonance transformation, but since high microwave pulse powers are required in the above application, it comes with the Resonance transformation associated field peaks easily lead to electrical breakdowns, thus reducing the applicable microwave power is limited. When making the adjustment, one must not only pay attention to freedom of reflection; it must also be ensured that there is only one advancing wave in the electro-optic crystal.

Darüberhinaus ist die sogenannte zirkularpolarisierte Hohlleiterwelle grundsätzlich nur in achsennähe zirkularpolarisiert, weshalb es nicht empfehlenswert ist, den gesammten Querschnitt des elektroptischen Kristalls mit dem zu modulierenden Laserstrahl auszuleuchten, was zu unerwünschten Seitenbändern führen würde.In addition, the so-called circularly polarized waveguide wave basically only circularly polarized in the vicinity of the axis, which is why it is not recommended to use the entire cross-section of the electro-optical crystal to be illuminated with the laser beam to be modulated, which leads to undesirable sidebands would.

Der Erfindung liegt.die Aufgabe zu Grunde, die den elektrooptischen Kristall enthaltende Vorrichtung zur Einseitenbandmodulation so zu gestalten, daß zur Erleichterung der Anpassung der Mikrowelle der metallische Hohlleiter nicht wesentlich verengt werden muß und trotzdem die Angleichung der Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im Kristall möglich ist.The invention is based on the task that the electro-optical Crystal containing device for single sideband modulation to be designed so that to facilitate the adaptation the microwave, the metallic waveguide does not have to be significantly narrowed and nevertheless the phase velocity is equalized the microwave to the speed of light in the crystal is possible.

Die Erfindung schlägt zur Lösung der Aufgabe vor, daß die Angleichung der Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im Kristall dadurch erreicht wird, daß der elektrooptische Kristall mit einem oder mehreren dielektrischen Medien koaxial umgeben wird, deren Dielektrizitätskonstante kleiner ist als die des elektrooptischen Kristalls und deren Schichtdicken und Dielektrizitätskonstanten so dimensioniert sind, daß die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im Kristall angeglichen ist. ■The invention proposes to solve the problem that the Adjustment of the phase speed of the microwave to the speed of light in the crystal is achieved in that the electro-optical crystal is coaxially surrounded by one or more dielectric media, the dielectric constant of which is smaller than that of the electro-optical crystal and its layer thicknesses and dielectric constants are so dimensioned are that the phase velocity of the microwave is matched to the speed of light in the crystal. ■

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Da der Kristall bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine direkte Berührung mit einer leicht zu kühlenden Metallhülle hat, kann eine ausreichende Kühlung des Kristalls dadurch erreicht werden, daß das direkt an den Kristall angrenzende Medium eine dielektrische Flüssigkeit ist, z. B. Baysilonöl M5 (Polydimethysiloxan). Die Konstruktion könnte ähnlich wie bei dem in DE-OS 2929523 beschriebenen elektrooptischen Modulator für tiefere Frequenzen ausgeführt werden.Since the crystal in the device according to the invention no has direct contact with an easily cooled metal shell, sufficient cooling of the crystal can thereby be achieved it can be achieved that the medium directly adjacent to the crystal is a dielectric liquid, e.g. B. Baysilon Oil M5 (Polydimethysiloxane). The construction could be similar to that of the electro-optical modulator described in DE-OS 2929523 for lower frequencies.

Da die Gefahr elektrischer Gasdurchbrüche dort, wo Laserstrahl und Mikrowellenfeld zusammentreffen, besonders hoch ist, können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, vor"und auch hinter dem Kristall, Laserstrahl und Mikrowelle getrennt geführt werden. Deshalb kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Lichtstrahl durch ein auf der Achse des Wellenleiters verlaufendes Metallrohr zum elektrooptischen Kristall geführt werden und die Mikrowelle über das Wellenleitersystem mit dem Metallrohr als Innenleiter.Since the risk of electrical gas breakthroughs is particularly high where the laser beam and the microwave field meet in the device according to the invention, before "and also behind the Crystal, laser beam and microwave are guided separately. Therefore, according to a further embodiment of the invention Light beam can be guided through a metal tube running on the axis of the waveguide to the electro-optical crystal and the microwave via the waveguide system with the metal tube as the inner conductor.

Bei den bisher bekannten Vorrichtungen wird die Mikrowellenleistung, die den Kristall passiert hat - das ist nahezu die gesamte angebotene Mikrowellenleistung - in einem Absorber vernichtet. Um die Feldstärke im Kristall zu erhöhen oder um mit kleineren Mikrowellengeneratoren auszukommen, schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß die Mikrowelle phasen- und amplitudenrichtig an die Einkoppelstelle in das Wellenleitersystem zurückgeführt wird, so daß ein Mikrowellen-Ringresonator gebildet wird. Die Phase kann mit einem Phasenschieber und die Amplitude mit einem A/4-Transformator eingestellt werden.In the previously known devices, the microwave power, that has passed the crystal - that is almost the entire microwave power available - in an absorber destroyed. In order to increase the field strength in the crystal or to get by with smaller microwave generators, the suggests The invention also provides that the microwave is in the correct phase and amplitude at the coupling point in the waveguide system is fed back so that a microwave ring resonator is formed. The phase can be changed with a phase shifter and the amplitude can be adjusted with an A / 4 transformer.

Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß die reflexionsarme Einkopplung der Mikrowelle in den Kristall sehr einfach ist. Der metallische Hohlleiter braucht nicht drastisch verengt zu werden; es ist sogar möglich, auf einen metallischen Hohlleiter ganz zu verzichten, indem Kristall und Umhüllung einen dielektrischen Wellenleiter bilden. Weiter-The advantage of the invention is essentially that the low reflection coupling of the microwave into the crystal is very simple. The metallic waveguide does not need to be drastically narrowed; it is even possible on one To do without metallic waveguides entirely, in that the crystal and cladding form a dielectric waveguide. Further-

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hin ist als wesentlicher Vorteil anzusehen, daß der gesamte Querschnitt des stabförmigen elektrooptischen Kristalls einem überwiegend zirkularpolarisierten Mikrowellenfeld ausgesetzt ist und deshalb vom Laserstrahl über seinen gesammten Querschnitt wirkungsvoll ausgeleuchtet werden kann. Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch besonders gute Breitbandigkeit aus, so daß abstimmbare Impulsmagnetrons als Mikrowellengeneratoren sinnvoll eingesetzt werden können.is to be regarded as an essential advantage that the entire Cross section of the rod-shaped electro-optic crystal a predominantly circularly polarized microwave field and therefore exposed to the laser beam over its entire cross-section can be effectively illuminated. It continues to stand out the device according to the invention is characterized by particularly good broadband, so that tunable pulse magnetrons as microwave generators can be used sensibly.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Patentanspruch 1. Der zylindrische elektrooptische CdTe-Kristall 1 (0 = 7,7 mm, DK = 10)ist zwischen einem Mikrowellenabsorber 2 und einem Al-O-j-Ring 3 koaxial in einem Außenleiter 4 (Innen-0=15 mm) gelagert. Das den Kristall umhüllende Dielektrikum 5 ist Luft CDK = 1,0). Die im Frequenzbereich 15,5 - 17,5 GHz _ abstimmbare Mikrowelle wird über einen 45 gegen die Horizontale axial gedrehten Rechteckhohlleiter 6 in"den Rundhohlleiter 7 eingekoppelt. Im Rundhohlleiter 7 wird hierbei eine zirkularpolarisierte Welle angeregt. Der zur Optimierung der Einkopplung dienende Kurzschlußschieber 8 besitzt einen Rohrstutzen 9 (0 = 75 mm), durch den der 16-um-Laserstrahl eintritt, durch den aber keine Mikrowellenstrahlung austreten kann. Der Keramikring hinter der HohlleiteraufWeitung 10 dient außer zur Kristallhalterung auch zur Verminderung von Mikrowellenreflexion. Der Mikrowellenabsorber 2 muß einen besonders niedrigen Reflexionsfaktor aufweisen, damit sicher gestellt wird, daß im Bereich des elektrooptischen Kristalls nur eine fortschreitende Welle existiert. Um einen entsprechen niedrigen Reflexionsfaktor zu erreichen, ist die Bohrung im Absorber mit CdTe gefüllt 11. Die Anpassung des Mikrowellenimpulsgenerators an das System geschieht mit Hilfe eines E-H-Tuners im Rechteckhohlleiter. Auf die Einfügung einer Einwegleitung (Isolator) kann verzichtet werden. Die Leistung des Impulssenders (0,25 - 1 us) kann im Bereich 20-125 kW eingestellt werden, so daß beim Auftreten von überschlagen im System die Leistung reduziert werden kann.Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. Fig. 1 shows an embodiment according to claim 1. The cylindrical electro-optical CdTe crystal 1 (0 = 7.7 mm, DK = 10) is between a microwave absorber 2 and an Al-O-j-ring 3 coaxially in an outer conductor 4 (inner-0 = 15 mm) stored. The dielectric 5 surrounding the crystal is air CDK = 1.0). The in the frequency range 15.5 - 17.5 GHz _ The tunable microwave is inserted into the circular waveguide via a rectangular waveguide 6 rotated axially against the horizontal 7 coupled. A circularly polarized wave is excited in the circular waveguide 7. The one to optimize the coupling Serving short-circuit slide 8 has a pipe socket 9 (0 = 75 mm) through which the 16-µm laser beam enters, through the but no microwave radiation can escape. The ceramic ring behind the waveguide widening 10 also serves to hold the crystal also to reduce microwave reflection. The microwave absorber 2 must have a particularly low reflection factor to ensure that in the area of the electro-optic crystal only one advancing wave exists. In order to achieve a correspondingly low reflection factor, the hole in the absorber is filled with CdTe 11. The microwave pulse generator is adapted to the system with the help of an E-H tuner in the rectangular waveguide. There is no need to insert a one-way line (isolator). The power of the pulse transmitter (0.25 - 1 us) can be set in the range 20-125 kW, so that at The occurrence of flashovers in the system reduces the performance can be.

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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß Patentanspruch 3. Der Durchmesser des CdTe-Kristalls beträgt 3,11 mm und der Innendurchmesser des Außenleiters 9,9 mm. Im übrigen ist der rechte kristallenthaltende Teil ähnlich wie in Fig. 1 ausgeführt. Der IR-Laserstrahl wird durch das Metallrohr 12 zum elektrooptischen Kristall geführt. Die Mikrowelle wird über einen Rechteckhohlleiter 13 zum Krümmer 14 geführt. Im Krümmer tritt das Metallrohr 12 in den Hohlleiter ein, so daß sich die Mikrowelle von dort ab zwischen Metallrohr 12 und Hohlleiterwand ausbreitet. Der Hohlleiterquerschnitt wird nun von Rechteckform in Kreisform überführt, so daß an der Stelle 15 eine linearpolarisierte H11-WeIIe im koaxialen System ensteht. Der Querschnitt des Außenleiters wird zur Stelle 16 hingehend ellipsenförmig, wobei die Ellipsenachsen zur ursprünglichen Polarisationsrichtung um 45 gedreht sind. Anschließend erhält der Außenleiter allmählig wieder Kreisform, so daß an der Stelle 17 eine zirkularpolarisierte Welle entsteht, die dann zum elektrooptischen Kristall geführt wird.Fig. 2 shows an embodiment according to claim 3. The diameter of the CdTe crystal is 3.11 mm and the inner diameter of the outer conductor is 9.9 mm. Otherwise, the right-hand crystal-containing part is designed in a manner similar to that in FIG. 1. The IR laser beam is guided through the metal tube 12 to the electro-optical crystal. The microwave is guided to the elbow 14 via a rectangular waveguide 13. In the bend, the metal tube 12 enters the waveguide, so that the microwave propagates from there between the metal tube 12 and the waveguide wall. The waveguide cross-section is now converted from a rectangular shape to a circular shape, so that at point 15 a linearly polarized H 11 wave is produced in the coaxial system. The cross section of the outer conductor becomes elliptical towards point 16, the elliptical axes being rotated by 45 to the original polarization direction. The outer conductor then gradually takes on a circular shape again, so that a circularly polarized wave arises at point 17, which is then guided to the electro-optical crystal.

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Claims (4)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 1. Vorrichtung zur Frequenzverschiebung von Infrarot-Laserstrahlung mittels Einseitenbandmodulation im GHz-Bereich, wobei ein stabförmiger elektrooptischer Kristall auf der Achse eines Wellenleiters für zirkularpolarisierte Mikrowellen angeordnet ist und die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im elektrooptischen Kristall angeglichen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Angleichung der Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im elektrooptischen Kristall dadurch erreicht wird, daß der elektrooptische Kristall mit einem oder mehreren dielektrischen Medien koaxial umgeben wird, deren Dielektrizitätskonstanten kleiner sind als die des elektrooptischen Kristalls und deren Schichtdicken und Dielektrizitätskonstanten so dimensioniert sind, daß die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle an die Lichtgeschwindigkeit im Kristall angeglichen ist.1. Device for frequency shifting of infrared laser radiation by means of single sideband modulation in the GHz range, wherein a rod-shaped electro-optical crystal is arranged on the axis of a waveguide for circularly polarized microwaves and the phase speed of the microwave is matched to the speed of light in the electro-optical crystal, characterized in that the Adjustment of the phase velocity of the microwave to the speed of light in the electro-optical crystal is achieved by surrounding the electro-optical crystal coaxially with one or more dielectric media whose dielectric constants are smaller than those of the electro-optical crystal and whose layer thicknesses and dielectric constants are dimensioned in such a way that the phase velocity the microwave is adjusted to the speed of light in the crystal. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das direkt an den Kristall angrenzende Medium eine dielektrische Kühlflüssigkeit ist.2. Apparatus according to claim 1 , characterized in that the medium directly adjacent to the crystal is a dielectric cooling liquid. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl durch ein auf der Achse des Wellenleiters verlaufendes Metallrohr zum elektrooptischen Kristall geführt wird und die Mikrowelle über das Wellenleitersystem mit metallischem Innenleiter - vom Lichtstrahl getrennt - zum elektrooptischen Kristall geführt wird.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the light beam is guided through a metal tube running on the axis of the waveguide to the electro-optical crystal and the microwave via the waveguide system with a metallic inner conductor - separated from the light beam - is guided to the electro-optical crystal. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Mikrowelle nach Passieren des Kristalls phasen- und amplitudenrichtig an die Einkoppelstelle in das Wellenleitersystem zurückgeführt wird, so daß ein Mikrowellen-Ringresonator gebildet wird.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the microwave is returned to the coupling point in the waveguide system in the correct phase and amplitude after passing through the crystal, so that a microwave ring resonator is formed.
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